Cnc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

MỤC LỤC Lời nói đầu ............................................................................................................. 6 CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC. ...................................................................................................................... 7 I.Khái quát về các máy công cụ CNC. ........................................................................ 7 1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển. ............................................................... 7 1.2 Cơ sở của máy CNC ...................................................................................................... 8 1.3. Đặc điểm và phân loại.................................................................................................. 9

II. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số ............................................ 10 2.1. Chương trình gia công một chi tiết. ........................................................................... 10 2.2. Khối điều khiển. .......................................................................................................... 10 2.3. Điều khiển logic.......................................................................................................... 10 2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC. ................................................................. 11

III.Hệ thống tính toán và điều khiển.......................................................................... 12 3.1.Khái niệm và phân loại. .............................................................................................. 12 3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC. ........................................................ 12 3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC........................................................................................ 15 3.4. Hệ DNC. ..................................................................................................................... 16 3.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS. ............................................................................. 16

Kết luận chương I. ..................................................................................................... 17

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC ................................................................................................................... 18 I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống. ...................................................... 18 II.Động cơ AC Servo. ................................................................................................ 19 2.1.Động cơ AC Servo. ...................................................................................................... 19 2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo. ................................................................................ 21

III.Mạch điều khiển AKZ250. .................................................................................... 22 3.1.Giới thiệu mạch AKZ250. ............................................................................................ 22 3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250: ..................................................................................... 23 3.3.Cài đặt và ứng dụng. ................................................................................................... 24

IV.Biến tần và trục chính. .......................................................................................... 28 4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính. ................................................................ 28 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

4.2.Tìm hiểu về biến tần. ................................................................................................... 28

V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện. .................................................... 30 5.1. Thiết bị đo tốc độ. ....................................................................................................... 30 5.2 Thiết bị đo vị trí. .......................................................................................................... 31 5.3.Công tắc hành trình ..................................................................................................... 31 5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy. ................................................................................. 31 5.5 Nút dừng khẩn ........................................................................................................... 32 5.6 Đèn báo hiệu .............................................................................................................. 32 5.7. Nguồn DC ................................................................................................................... 32

VI. Mô đun thay dao tự động. ................................................................................... 33 6.1.Xylanh khí nén. ............................................................................................................ 34 6.2.Cơ cấu quay đài dao.................................................................................................... 35 6.3.Thuật toán điều khiển cụm thay dao. .......................................................................... 37

Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 39

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC........................................................................................... 40 I. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống. ....................................................... 40 1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển .......................................................................................... 40 1.2.Động cơ bước. ............................................................................................................. 41 1.3.Driver động cơ bước. .................................................................................................. 44 1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính. .............................................................................. 56

II. Thiết kế mạch điều khiển CNC tương thích với phần mềm Mach3. ..................... 64 2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC. ............................................................................. 64 2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC. ...................................................................... 66 2.3.Sử dụng các cổng ra vào và cài đặt trên Mach3. ........................................................ 67

Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 72

CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC.................. 73 I.Chế tạo. ................................................................................................................... 74 II. Lập trình gia công sản phẩm. ............................................................................... 80 Kết luận chương 4 ..................................................................................................... 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 88 Phụ Lục ................................................................................................................ 88 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Mục lục hình vẽ Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 3.1

Tên hình vẽ Mô hình điều khiển DNC Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM Cơ sở của các máy CNC Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC Lưu đồ điểu khiển hệ CNC Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay Lưu đồ lập trình bằng máy Cấu trúc của hệ CNC Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục Động cơ AC Servo. Cấu tạo động cơ Servo Driver servo và động cơ Servo Sơ đồ ghép nối động cơ với driver Mạch AKZ250 Chân điều khiển các trục Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp Biến tần của hãng SEIMENS Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC Công tắc hành trình D4MC-5000 Nút nhấn không đèn YW1B Nút dừng khẩn Đèn báo IDEC Nguồn DC 24V Sơ đồ modul thay dao tự động. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Sơ đồ thuật toán trả dao Sơ đồ thuật toán lấy dao Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC

Trang 7 8 8 9 11 12 13 14 15 18 19 20 21 21 23 24 25 25 26 26 27 27 29 30 30 31 32 32 32 32 33 34 35 36 37 38 40

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 3

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực. Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực. Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực Bố trí các chân của ic L297 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước Sơ đồ khối IC L298 Sơ đồ chân IC L298 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân Sơ đồ chức năng các chân cổng LPT Sơ đồ chân IC74HC245 Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver Sơ đồ đi dây trên board Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC Cài đặt cổng vào trong Mach3 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý. Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3 Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục Mô hình 3D máy phay CNC Kết cấu khung đế của mô hình Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng. Hình chiếu đứng mô hình máy phay Hình chiếu cạnh mô hình máy phay Hình chiếu bằng mô hình máy phay Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin Thông số chọn ray dẫn hướng Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA Đai ốc lắp kiểuFSWC

42 43 43 45 49 50 51 52 54 55 57 58 60 61 62 63 64 65 66 67 68 68 69 69 70 70 71 71 73 74 75 76 76 77 77 78 78 79 80

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 4

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay CNC Lập trình tay trên Notepad Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3 Khung điều khiển các trục tọa độ. Khung điều khiển quá trình gia công Mạch điều khiển trong mô hình Quá trình chạy demo để test mô hình Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình

81 81 81 82 83 83 84 84 85 85

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Lời nói đầu Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam. Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp. Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao. Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạy được”. Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước. Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động... Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự động em chưa thể hoàn thiện. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Lâm và thầy Bùi Văn Hạnh, các thầy cô trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 6

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC. I.Khái quát về các máy công cụ CNC. 1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển. Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm...) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng...là cao nhất . Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8bit... cho đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử lý.

Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 7

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM

1.2 Cơ sở của máy CNC Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ. Z

Y

X

Hình 1.3 Cơ sở của các máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải. Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 8

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 1.4 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các

1.3. Đặc điểm và phân loại. Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau. - Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện ..... - Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo ... - Hệ thống định vị : Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp - Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín. - Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục..... Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, có thể được chia thành các nhóm sau: -Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài.... -Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi. -Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các goc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp. -Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ...

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 9

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

-Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa... II. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số 2.1. Chương trình gia công một chi tiết. Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu. Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin ( băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích. Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt... được nạp vào từ bẳng điều khiển. Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công ( hệ DNC). 2.2. Khối điều khiển. Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của các trục. Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và điều khiển tốc độ các trục. 2.3. Điều khiển logic. Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ.Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như : Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le..

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 10

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 1.Màn hình

2.Bảng điều khiển

3.Mạch ghép nối

4.Tay quay điện tử

Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống... Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống... Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, do chi tiết... mà phải mở cửa làm việc Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 11

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

III.Hệ thống tính toán và điều khiển 3.1.Khái niệm và phân loại. Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.6 .Giai đoạn đầu tiên, những thông tin về kích thước đông nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình, sau đó là cộng việc lập trình điều khiển.

Hình 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động. Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: Nc và CNC. Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sao cho chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiển công nghệ như tốc độ cắt,xoay chi tiết, thay dao... 3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC. 3.2.1. Chuẩn bị chương trình bằng tay. Nhưng thông tin cần thiết đê chuẩn bị chương trình là: Bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyền thông tin đó thành các chương trình điều khiển số cho máy gia công.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 12

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 1.7. Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

+ Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ ban đầucần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công. + Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ...). Nếu như dùng phương pháp gần đúng thì phải tính sai số. + Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt, thành lập biểu đồ công nghệ. 3.2.2. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính. Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 13

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 1.8.Lưu đồ lập trình bằng máy

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể: - Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bằng tay. - Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công. - Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện. - Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công. - Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện. - Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 14

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị. Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau: 1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơn giản dễ sử dụng. 2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công. 3.Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra. 4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể. 3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC. Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công ...

Hình 1.9 Cấu trúc của hệ CNC Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 15

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ. Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh tốc độ ...) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình. 3.4. Hệ DNC. Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong muốn và giá trị thực. Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online) nhiều máy CNC với một máy tính. 3.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS. Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do. Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 16

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Kết luận chương I. Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay, sự ra đời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội. Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn , độ chính xá c cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt. Máy CNC có nhiều chủ ng loại khác nhau, mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy. Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau. Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đều bao gồm : Phần xử lý trung tâm (Giao diệ n người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo , động cơ servo , phản hồi tốc độ , vị trí. Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, ngày nay hầu hết người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín. Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên trong nước nói chung và sinh viên đại học Bách Khoa nói riêng, thì việc nghiên cứu chế tạo một máy CNC điều khiển vòng kín với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy CNC tiêu chuẩn là rất khó. Vì giá thành động cơ Servo và hệ thống dẫn động vít mebi rất đắt và điều khiển nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy CNC đối với sinh viên là rất khó. Trong đồ án này em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong hệ thống điều khiển của máy CNC tiêu chuẩn. Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình máy phay CNC 3 trục cỡ nhỏ. Mục tiêc của em trong đồ án này là chế tạo được mô hình máy CNC 3 trục hoạt động tốt và có thể gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như nhôm, gỗ, nhựa. Máy có thể nhận file G-code và có thể lập trình bằng tay trên phần mềm điều khiển. Các sản phẩm có thể phay ra là các bức tranh 3D trên gỗ và trên nhựa.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 17

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống. Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết kế như sau.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục sử dụng mạch điều khiển AKZ250

Các phần tử trong hệ thống: - Mạnh AKZ250: kết nối máy tính và các phần tử điều khiển: driver động cơ, biến tần, các cảm biến. - Phần mềm Mach3 và máy tính: có vai trò như bộ điều khiển CNC điều khiển toàn hệ thống.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 18

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

- Driver servo và động cơ servo: có nhiệm vụ chuyền động cho các bàn máy để tạo nên quỹ đạo chuyển động của đầu gia công theo yêu cầu hệ thống. - Biến tần: điều khiển động cơ trục chính. - Trục chính: là động cơ AC 3 pha có nhiệm vụ quay dao, tạo chuyển động cắt. - Công tắc hành trình và các cảm biến: bảo vệ và cảnh cáo về hệ thống khi có sự cố hoặc bàn máy chuyển động quá hành trình cho phép. II.Động cơ AC Servo. 2.1.Động cơ AC Servo. Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ điều khiển điện, hiện nay chuyển động chạy dao trong máy công cụ điều khiển số dùng khá phổ biến động cơ AC Servo. Hình 2.2 chỉ ra cấu tạo của động cơ AC Servo.

Hình 2.2 Động cơ AC Servo.

2.1.1

Lựa chọn động cơ

Khi lưa chọn động cơ người thiết kế phải xem sét nhiều yếu tố và các đặc trưng về dải tốc độ, sự biến đổi momen tốc độ, tính thuận nghịch, chu kì làm việc, momen khởi động và công suất yêu cầu. Đặc biệt lưu ý tới đường cong momen tốc độ động cơ bởi vì các đường cong này cho ta những thông tin quan trọng.Để lựa chọn lựa công suất chúng ta cần chọn lưạ các vấn đề sau: a.Momen khởi động động cơ. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 19

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Momen ở tốc độ quay bằng 0 được gọi là momen khởi động cơ. Để động cơ tự khởi động được, động cơ phải sinh ra momen lớn hơn momen ma sát và momen tải đặt lên trục của nó. Nếu gọi a là gia tốc góc của động cơ và đuợc đo bằng Rad/s2, Tm là momen động cơ, Ttải là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán tính của Rôto và tải ta có quan hệ: a = (Tm-Ttải)/J b.Tốc độ cực đại của động cơ. Là tốc độ quay lớn nhất khi momen động cơ bằng 0. Tốc độ này gọi là tốc độ không tải. c.Công suất yêu cầu tải. Cần chọn động cơ sao cho có thể đáp ứng tốt được yêu cầu tải trong chu kỳ làm việc, nghĩa là công suất động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất tải. d. độ phân giải của encoder. Độ phân giải của encoder hay là cố xung trên một vòng quay mà encoder nhận được, điều này có ý nghĩa trong việc điểu khiển và giám sát vị trí góc quay của động cơ. Độ phân giải của encoder sau động cơ càng lớn thì cấp chính xác hệ thống càng cao. 2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Cấu tạo của một động cơ Servo được thể hiện trong hình 2.3. Một động cơ AC Servo thường có 2 bộ phận chính, một là động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ 3 pha, hai là encoder. Encoder được gắn liền với động cơ và nhận tín hiệu về vị trí cũng như tốc độ để phản hồi đến driver Servo.

Hình 2.3 Cấu tạo động cơ Servo Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 20

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo. Động cơ AC Servo được thiết kế chế tạo với mục đích điều khiển chính xác vị trí, tốc độ và momen, do vậy driver điều khiển động cơ Servo cũng rất phức tạp và khó chế tạo. Các bộ driver servo được bán kèm với động cơ Servo với giá thành rất cao.

Hình 2.4 Driver servo và động cơ Servo

Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 21

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.5 Driver Servo của Mishubishi

III.Mạch điều khiển AKZ250. 3.1.Giới thiệu mạch AKZ250. Mạch AKZ250 là mạch kết nối giữa phần mềm điều khiển ( phần mềm Mach3) trên máy tính và các phần tử điều khiển như driver điều khiển động cơ bước hoặc Servo, ngoài ra còn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và công tắc hành trình và đưa về phần mềm sử lý.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 22

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.6: Mạch AKZ250.

3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250: - Hỗ trợ giao tiếp với tất cả các phiên bản của phần mềm Mach3, bao gồm cả phiên bản Mach3 R3.042.040. - Tương thích với Windows2000/XP/Vista/win 7 - Không cần cài đặt thêm bất cứ USB driver nào thêm cho máy tính, có thể sử dụng ngay sau khi cắm vào máy tính. - Tương thích hoàn toàn với mọi cổng USB, mạch liên tục giám sát trạng thái của cổng USB. - Bù được các thiết sót và sai lệch của phần mềm Mach3. - Tần số dao động tối đa là 200KHz, thích hợp cho động cơ Servo cũng như động cơ bước. - Có các đèn LED báo trạng thái kết nối cổng USB và trạng thái hoạt động của mạch. - Có 16 đầu ra cho các mục đích khác nhau. - Tốc độ chạy dao và tốc độ trục chính có thể được điều khiển bởi núm điều khiển. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 23

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

- Cấp nguồn qua cổng USB, không cấp cần nguồn nuôi riêng. 3.3.Cài đặt và ứng dụng. Mạch AKZ250 lấy nguồn từ cổng USB với moodun chia nguồn, không cần nguồn cấp từ bên ngoài. Tất cả các đầu ra, bao gồm chân tạo xung và chân dẫn hướng cho 4 trục (8 đầu ra điều khiển) và đầu ra tín hiệu xung cho trục chính được đặt qua điện trở cao khi cổng USB được kết nối. Khi chạy phần mềm Mach3, các tốc độ được điều khiển bởi Mach3. Tất cả các tín hiệu ra từ Mach3 cần được cài đặt ở chế độ tích cực thấp. 3.3.1. Chân đầu ra tín hiệu điều khiển động cơ các trục tọa độ.

Hình 2.7 : Chân điều khiển các trục.

Mạch AKZ250 hỗ trợ tối đa là điều khiển 5 trục tọa độ. Với phiên phản như hình vẽ thì chỉ điểu khiển được tối đa 4 trục tọa độ là X, Y,Z và A. Mạch AKZ250 hỗ trợ điều khiển động cơ bước và động cơ Servo. Trên board mạch có chú thích rõ ràng về các tín hiệu điều khiển cho từng trục X, Y, Z, A. Với mỗi trục ta có 2 tín hiệu điều khiển, một là tín hiệu xung Step cung cấp đến driver động cơ để điều khiển tốc độ động cơ, tín hiệu còn lại là tín hiệu Direct điểu khiển hướng quay của động cơ. Tất cả các tín hiệu điều khiển từ AKZ250 đều phải đưa qua driver động cơ mới có thể điều khiển được động cơ vì tín hiệu ra chỉ là tín hiệu điểu khiển với mức điện áp 5V. Tín hiệu ra điều khiển động cơ được tạo ra qua IC6N137 như hình vẽ. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 24

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính.

3.3.2. 16 đầu và đa mục đích. Trên mạch AKZ250 có 16 đầu vào để người dùng sử dụng với các mục đích khác nhau, với mỗi mục đích sử dụng cho mỗi đầu vào ta phải cài đặt để hệ thống nhận biết mục đích sử dụng, việc cài đặt mục đích đầu vào được thực hiện trên phần mềm điều khiển. Ở đây ta sử dụng phần mềm Mach3. Chi tiết phần cài đặt hệ thống trong Mach3 được để cập chi tiết trong phần tiếp theo.

Hình 2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250.

Các mục đích sử dụng cho các cổng vào thường thấy như tín hiệu tạm dừng chương trình, tín hiệu từ các cảm biến, công tắc hành trình.... Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 được trình bày như hình bên dưới.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 25

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.10 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250

3.3.3. 8 đầu ra đa mục đích. Các đầu ra của AKZ250 được dùng để điều khiển đóng mở các thiết bị ngoại vi, các công tắc tơ, hay bật tắt các đèn báo trạng thái toàn hệ thống. Dưới đâu là vị trí đầu ra trên AKZ250 và cấu tạo mỗi chân ra.

Hình 2.11 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 26

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.12 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250

Tại mỗi cổng ra của AKZ250 được các ly với toàn bộ mạch chính bởi một photo transistor. Photo transistor này có tác dụng bảo vệ cho mạch chính khi đầu vào từ mạch ngoài gặp sự cố như đoạn mạch hay chập mạch. Tín hiệu ra qua photo transistor rồi đi qua cặp transistor để khuếch đại tín hiệu cho đầu ra. Các cổng ra trên mạch AKZ50 cần được cài đặt trên phần mềm điều khiển khi được sử dụng cho mỗi mục đích khác nhau. 3.3.4. Đầu ra tín hiệu xung điều khiển trục chính. Dưới đây và vị trí đầu ra điều khiển trục chính và các đi dây từ mạch AKZ250 ra biến tần để điểu khiển trục chính.

Hình 2.13 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần.

Để điều khiển biến tần ta cần sử dụng chân tạo dao động PWM và hai chân đầu ra từ 8 đầu ra của AKZ20 để bật tắt trạng thái biến tần. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 27

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

IV.Biến tần và trục chính. 4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính. Động cơ trục chính thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ 3 pha, sở dĩ loại động cơ không đồng bộ ba pha hay được chọn để làm động cơ trục chính vì loại động cơ này có dải công suất lớn từ vài trăm woat đến vài trăm kilowat, một lý do nữa để chọn động cơ không đồng bộ ba pha là giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ đồng bộ cùng công suất. Công thức tính tốc độ động cơ: 𝜔=

2𝜋. 𝑓 .𝑠 𝑛

Trong đó: ω là tốc độ roto động cơ. f là tần số dòng điện n là cố cặp cực s là hệ số trượt Do vậy để điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể thay đổi tần số điện áp cấp vào động cơ. Phương pháp điểu chỉnh tốc độ này là tối ưu hơn việc thay đổi số cặp cực của động cơ vì cấu tạo động cơ khó thay đổi hơn. Hơn nữa dùng phương pháp thay đổi tần số điện áp cấp vào động cơ ta có để điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ với các bộ điều chỉnh tần số là biến tần. 4.2.Tìm hiểu về biến tần. Biến tần là thiết bị biến đổi tần số, điện áp với mục đích chính thay đổi momen để đạt được tốc độ mong muốn cho động cơ xoay chiều ba pha . Về phân loại biến tần ba pha gồm có hai loại : + Biến tần trực tiếp + Biến tần gián tiếp:

- Biến tần nguồn dòng - Biến tần nguồn áp

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 28

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hiện nay biến tần được sử dụng nhiều nhất là loại biến tần gián tiếp. Còn biến tần trực tiếp hầu như rất ít thấy xuất hiện trong công nghiệp. 4.2.1. Biến tần gián tiếp. 4.2.1.1. Khái niệm. Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều có V 1, f1 là hằng số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr thay đổi, qua khâu trung gian một chiều. Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các thiết bị nghịch lưu. 4.2.1.2. Các khâu cơ bản. Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khâu cơ bản 1.Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều. 2.Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu. 3.Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ. Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc Transitor công suất.

Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp.

Do tính chất khác nhau của các khâu trung gian ta có hai loại biến tần là biến tần áp và biến tần dòng.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 29

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

4.2.2.Biến tần Siemens.

Hình 2.15 Biến tần của hãng SEIMENS.

Biến tần của hãng SEIMENS có 3 dòng phổ biến ở Việt Nam là MM410, MM420 và MM440. Với nhu cầu điểu khiển tốc độ của một động cơ trục chính nên ta chọn loại MM410 là đủ để đáp ứng yêu cầu điều khiển. Thông số kỹ thuật của biến tần SEIMENS MM410. - Điện áp: 220V-240V - Công suất 120W-750W - Tần số điện vào : 47-63Hz - Tần số điện ra 0 đến 650Hz - Các đầu vào số: 3 đầu vào lập trình được, chung đất phù hợp với PLC. - Các đầu vào tương tự: 1 đầu vào dùng cho điểm đặt. - Các đầu ra rơ le : 1, tùy chọn chức năng 30VDC/5A hay 250VAC//2A - 1 cổng giao tiếp nối tiếp RS-485 USB. V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện. 5.1. Thiết bị đo tốc độ. Thiết bị đo tốc độ để đo tốc độ quay thực của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi tốc độ của động cơ về bộ điều chỉnh tốc độ. Tín hiệu phản hồi này được so sánh với tốc độ đặt của động cơ, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ. Để

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 30

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

đo tốc độ quay của động cơ người ta dùng máy phát tốc hoặc Encoder gắn trực tiếp với trục động cơ. 5.2 Thiết bị đo vị trí. Các trục của máy được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác định toạ độ của bàn và của dao cụ (Ví dụ: Encode vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển của bàn theo trục X trên hình 2.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định toạ độ chính xác của các trục máy. Z Y

X Encod

Hình 2.16 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC

Các dụng cụ này đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định toạ độ thực tế tức thời của các trục toạ độ. Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ. Tín hiệu đầu ra của các thiết bị này được đưa về so sánh với các giá trị đặt của vị trí, kết quả được đưa vào các đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí. 5.3.Công tắc hành trình Là thiết bị để bảo vệ máy khi bàn máy trượt quá hành trình cho phép, khi chạm công tắc hành trình mạch điện ngoài sẽ bị ngắt và bàn máy ngừng chuyển động, trành va chạm vào các chi tiết khác trong hệ thống.

Hình 2.17 Công tắc hành trình D4MC-5000

5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy. Nút nhấn không đèn, nhấn giữ, Ø 22 YW1B-A1E11 ( B, G, R, Y, W, S )

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 31

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.18 Nút nhấn không đèn YW1B

Nút nhấn không đèn, nhấn nhả YW1B-M1E20 ( B, G, R, Y, W, S ) - Đường kính Ø 22 - Tiếp điểm 1NO 5.5 Nút dừng khẩn

Hình 2.19 Nút dừng khẩn

Nút dừng khẩn cấp dùng trong những trường hợp hệ thống gặp sự cố. 5.6 Đèn báo hiệu Đèn báo hiệu cho ta biết trạng thái của hệ thống như trạng thái nguồn, trạng thái hoạt động của hệ thống, đèn báo nguy hiểm hệ thống.

Hình 2.20 Đèn báo IDEC

5.7. Nguồn DC Chọn bộ nguồn Power Supply 24V 14.6A cấp điện cho mạch kết nối Breakout board HG07

Hình 2.21 Nguồn DC 24V Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 32

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

- Điện áp vào: 220V AC - Điện áp ra: 24V DC VI. Mô đun thay dao tự động.

Hình 2.22 Sơ đồ modul thay dao tự động.

Các thông số của cụm thay dao: Số dao đài dao chứa : 8 Đường kính lớn nhất của dao : 30(mm) Lấy theo đường kính của dao phay mặt đầu Loại chuôi dao : BT30 Chiều cao chuôi dao : 85(mm) Khối lượng dao : 0.5 kg Hành trình dân đài mang dao L = 250 mm Để điều khiển bộ phận thay dao tự động ta phải thiết kết mạch vi điều khiển ngoài, mạch vi điều khiển này có chức năng nhận số dao cần thay từ bàn phím sau đó ra lệnh thay dao đến các cơ cấu chấp hành. Sau khi kết thúc quá trình thay dao, mạch vi điều khiển này báo đến mạch AKZ250 và chương trình gia công tiếp tục Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 33

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

thực hiện. Khi có lệnh tiếp theo thì AKZ250 lại gửi tín hiệu đến bộ điều khiển thay dao và chương trình gia công dừng cho đến khi nhận lệnh thay dao tiếp theo. 6.1.Xylanh khí nén. Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tịnh tiến của Tang về phía trục chính.Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thực hiện quá trình chuyển động thẳng nên để tạo ra chuyển động của Tang về phía trục chính ta dùng hệ thống xylanh khí nén a. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

Hình 2.23. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén

Nguyên lý hoạt động : Khi có lệnh thay dao, tín hiệu sẽ được truyền xuống động cơ khí nén sẽ hoạt động. Khi đó bơm khí nén 2 sẽ hút không khí từ ngoài qua van lọc thô 1 và đầy với áp suất pb được đo trên đồng hồ đo áp 3 qua hệ thống van lọc tinh 4, van điều áp 5 và van tra dâu 6 với áp suất p1. Dòng khí sẽ qua van đảo chiều 4/3 được điều khiển bằng điện từ qua đường ống dẫn khí lên xylanh-piston 8 tạo ra chuyển động đài dao tiến vào và lui ra xa trục chính. Quá trình chuyển động của piston được điều chỉnh nhờ van đảo chiều 5. Khi van đảo chiểu ở vị trí (a) nguồn khí nén sẽ từ cửa P của van đi qua cửa A và dẫn lên buồng A của xylanh với áp suất p đầy piston di chuyển sang phái với vận tốc v o, dòng khí bên buồng B sẽ truyền qua các ống dân khí về của B của van đảo chiều và Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 34

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

qua của T của van ra ngoài. Piston di chuyển với hành trình L xl= 250 mm được đo bởi hai cảm biến vị trí. Sau khi piston di chuyển với hành trình L xl tín hiệu từ cảm biến vị trí sẽ được xử lý và truyền về van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị trí (o) khi đó piston sẽ đứng im, ở vị trí này nguôn khí nén không được dẫn động nên xylanh-piston. Khi đó hệ thống thay dao thực hiên quá trình quay phân độ dụng cụ vào vị trí thay dụng cụ và quá trình trục chính di chuyển vào kẹp dụng cụ. Sau khi thực hiện qúa trình thay dụng cụ ở trục chính, tin hiệu được truyền về van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị trí (b). Khi đó dòng khí nén từ nguồn khí truyền từ cửa P sang cửa B của van và được dẫn lên buồng B của xylanh với áp suất đẩypiston di chuyển sang trái. Dòng khí từ buồng A của xylanh được dẫn về cửa A và qua cửa T của van đảo chiều ra ngoài. Piston di chuyển với hành trình Lxl được đo bằng cảm biến vị trí, tín hiệu từ cảm biến sẽ qua xử lý và truyền về dừng động cơ. Quá trình dẫn động khí nén kết thúc. 6.2.Cơ cấu quay đài dao. Để dẫn động cho đài chứa dao, ta sử dụng cơ cấu Mante và động cơ dẫn động cho cơ cấu Mante là động cơ bước. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man : Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1. Chuyển động gián đoạn của đĩa O1 chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8,...,16,18,20,22,24... Với hệ thống thay dao gồm có 8 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là Z = 8 Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là R=100(mm)

Hình 2.24 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 35

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

 

 

Hình 2.25 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Động cơ bước quay đài dao: Ta chọn động cơ bước để quay đài dao vì động cơ bước có nhiều ưu điểm riêng phù hợp với yêu cầu chế tạo của đồ án. Do đài quay dao không hoạt động liên tục khi gia công, mạch điều khiển động cơ bước đơn giản mà có thể điểu khiển chính xác từng góc bước, hơn nữa giá thành của động cơ bước rất rẻ so với động cơ Servo. Động cơ bước được sử dụng là loại động cơ bước lưỡng cực kiểu lai. Về chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước được trình bày cụ thể trong chương III.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 36

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

6.3.Thuật toán điều khiển cụm thay dao. 6.3.1.Sơ đồ trả dao

Hình 2.26 Sơ đồ thuật toán trả dao

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 37

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

6.3.2: Sơ đồ lấy dao

Hình 2.27: Sơ đồ thuật toán lấy dao.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 38

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Kết luận chương 2 Trong đồ án này em hướng tới tính toán thiết kế một hệ thống điều khiển cho máy phay CNC 3 trục mà việc bắt tay vào chế tạo là có thể đối với sinh viên nói riêng cũng như đối với người Việt Nam nói chung. Hệ thống đảm bảo được yêu cầu tiên quyết là hoạt động tốt và ổn định, bên cạnh đó cần đảm bảo một số yếu tố như giá thành thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế và những phần tử trong hệ thống phải dễ tìm mua và giá thành cũng không cao. Trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC 3 trục em nhận thấy để có một hệ thống điều khiển ổn định và đảm bảo độ chính xác trên thực tế là rất khó. Trước nhất độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào kết cấu cơ khí, tuy nhiên quy trình công nghệ gia công cơ khí của ta phần lớn chưa đạt độ chính xác để thi công chế tạo máy công cụ CNC sử dụng cho lĩnh vực cơ khí chế tạo. Về kết quả thu được sau nhiều tháng tìm hiểu, thiết kế và đi vào chế tạo mô hình, em nhận thấy hệ thống điều khiển em thiết kế có thể ứng dụng tốt hơn rất nhiều trong các máy CNC gia công gỗ, máy cắt chữ CNC, máy khoan mạch CNC, cũng như mô hình để sinh việc học tập và nghiên cứu. Còn thực tế để áp dụng vào việc gia công cơ khí thì còn rất nhiều bất ổn, như đã đề cập ở trên, nếu ta dùng một máy công cụ có độ chính xác cơ khi chưa đảm bảo để gia công chế tạo những máy công cụ khác thì cấp độ sai số sẽ rất lớn.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 39

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC. I. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống. 1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC

Các phần tử trong hệ thống: - Phần mềm Mach3 và máy tính: Có vai trò như bộ điều khiển CNC, điều khiển toàn hệ thống. - Mạch đệm LPT: có nhiệm vụ kết nối bộ điều khiển với các thiết bị điều khiển. - Động cơ bước và driver động cơ bước: Dẫn động các bàn máy để hình thành quỹ đao chuyển động của đầu gia công. - Trục chính: động cơ AC 1 pha. Tạo chuyển động cắt. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 40

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

- Công tắc hành trình: Giới hạn hành trình cho các bàn máy nhằm ngăn ngừa bàn máy va chạm với các gối đỡ. - Nguồn: nguồn cấp cho hệ thống gồm 5V và 24V. - Đèn led báo trạng thái của hệ thống. 1.2.Động cơ bước. 1.2.1. Khái quát về động cơ bước. Trong các máy CNC gia công gỗ ngày nay, động cơ bước được sử dụng rất phổ biến. So với động cơ Servo thì động cơ bước có một số ưu điểm vượt trội như tính hãm tốt, phương pháp điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với động cơ Servo và giá thành động cơ và bộ drive là rẻ hơn nhiểu lần so với động cơ Servo. Tuy vậy vẫn tồn tại một số nhược điểm như khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí không bằng động cơ Servo, và điều khiển ở động cơ bước là điểu khiển vòng hở nên có thể xảy ra hiện tượng mất bước khi quá tải. 1.2.2.Phân loại và cấu tạo động cơ bước. Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc rotor hoặc cách cuốn dây trên stato. Dựa theo cấu trúc roto , động cơ bước được chia thành 3 loại: 1.Động cơ bước từ trở biến thiên. 2.Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 3.Động cơ bước lai. Dưa theo các cuốn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại. 1.Động cơ bước đơn cực. 2.Động cơ bước lưỡng cực. Loại động cơ được sử dụng trong mô hình của em là loại động cơ bước đơn cực kiểu lai, sở dĩ chọn loại động cơ này vì đây là loại động cơ phổ biến trên thị trường. Do vậy dưới đây em chỉ trình bày về cấu tạo động cơ bước lưỡng cực kiểu lai.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 41

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

1.2.3. Động cơ bước kiểu đơn cực. Một kiểu cuốn dây phổ biến khác là cuốn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi cuốn một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra.Cách cuốn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực điện tính điện, tức dòng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với cuốn dây kiểu lưỡng cực.

Hình 3.2 . Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực.

1.2.4.Nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ bước Khác với những loại động cơ thông thường, động cơ bước cần phải cấp xung đến các dây đầu vào theo thứ tự nhất định thì động cơ mới có thể hoạt động. Để có được xung điều khiển theo tuần tự cấp vào các dây, mỗi động cơ bước cần có một driver chuyên dụng để điều khiển nó. Vấn đề nguyên tắc tạo vào điều khiển các xung liên tiếp hay dán đoạn cho các dây vào của động cơ bước được nghiên cứu chi tiết ở mục tiếp theo. Mục này chỉ trình bày về nguyên tắc cơ bản để động cơ bước hoạt động được. Trước tiên ta xét một động cơ bước kiểu lai đơn cực 6 dây ra, đây là loại động cơ được sử dụng trong chế tạo mô hình thực tế. Các thành phần của động cơ gồm có: -Nam châm vĩnh cửu có một cặp cực Bắc-Nam (N-S).

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 42

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

-Stator 200 răng ( độ phân giải của động cơ là 1.8o ), được lái bởi các cặp cuộn dây A1-A2 và B1-B2.

Hình 3.3 bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực.

Hình 3.4 Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực.

Cấu tạo của rotor gồm hai cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục của rotor như hình vẽ. Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng. Khi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A là cực Bắc và cực A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên rotor về gần nhất, đồng thời cực Bắc trên rotor sẽ xa cực A nhất vì có sự bố trí lệch 1 răng trên rotor. Các răng trên A và A1 cũng không được bố trí đối xứng mà chúng lệch nhau 1 răng,vậy nên khi cực Bắc của rotor xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của rotor gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất. Như vậy lực hút giữa rotor và stator là lớn nhất. Rotor luôn được giữ ở vị trí cố định trong từ trường của Stator tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên Stator thì một cực của Rotor gần nó nhất còn cực còn lại thì xa nhất. Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 được cấp điện, khi đó từ trường của Stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp AA1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo rotor quay lệch đi 1 răng. Cứ tuần tự cấp điện Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 43

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

như vậy, ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của Rotor và kéo rotor quay hết vòng. 1.3.Driver động cơ bước. Như đã đề cập trong mục trước, các động cơ bước không thể hoạt động với cách cấp điện như các loại động cơ AC hay DC thông thường. Ta phải đưa điện áp kiểu xung vuông tuần tự đến các đầu vào của các cuộn dây trong Stator. Để làm được điều đó ta cần một driver điều khiển. Hiện Nay driver điều khiển động cơ bước khá phổ biến và dễ chế tạo với các IC chuyên dụng L298 và L297, ngoài ra các driver chính hãng sử dụng trong công nghiệp thì sử dụng các IC họ 74xx và cùng với các chíp vi xử lí. Ở đây em sử dụng IC L297 và L298 để thiết kế bộ driver điều khiển cho động cơ bước vì các linh kiện này rất phổ biến, dễ tìm mua và giá thành rất rẻ, hơn nữa các IC này còn có công suất lớn, độ bền cao, làm việc tin cậy, ít nhiễu. 1.3.1. IC L297. 1.3.1.1.Giới thiệu L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mô tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ. Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic cho chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn.IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E. 1.3.1.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 44

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.5 Bố trí các chân của ic L297

Bảng 3.1 chức năng hoạt động của các chân của IC L297 STT 1

Ký hiệu Chức năng và ghi chú SYNC

Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp. Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiềuv L297). Sử dụng chân này như sau: - Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì. - Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài

Cách đồng bộ các IC L297

2

GND

Chân nối đất

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 45

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

3

HOME

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo(ABCD=0101) Khi chân này xuất tín hiệu tích cực thì các transistor đang trạng thái mở

4

A

Tín hiệu phase A của mô-tơ

5

INH 1

6

B

Tín hiệu pha B của động cơ

7

C

Tín hiệu pha C của động cơ

8

INH 2

9

D

10

ENABLE

Chân cho phép hoạt động, khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra pha A, B, C, D INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp.

11

CONTRO L

Chân điều khiển hoạt động CHOPPER.

Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dòng tải động cơ

Chức năn giống INH 1. Điều khiển pha C và D Tín hiệu pha D của động cơ

Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D.

12

Vs

Chân nguồn 5V

13

SENS 2

Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dòng tải ở tần công suất của phase C, D

14

SENS 1

Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B

15

Vref

Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào chân này để thay đổi dòng tải đỉnh. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 46

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

16

OSC

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper. Khi dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ chip tạo dao động cho hệ đồng bộ L297). + Tần số: f=1/0.69RC

17

CW/CCW

Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ thuộc vào cách đấu dây cho động cơ

18

CLOCK

Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp. Moto“bước” khi có cạnh xuống ở chân này.

19

HALF/FU LL

20

RESET

Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về vị

trí HOME (tầng 1, ABCD=0101) 1.3.1.3.Hoạt động. IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời) trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào là: xung clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất. Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện 2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích) và chế độ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase). Hai ngõ ra “cấm”inhibit, thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động lên phase điều khiển. Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (chọn lựa chế độ Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 47

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên các phase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải. Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo. Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF. Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt động đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối chân OSC ở các L297 còn lại với MASS) 1.3.1.4. Chuỗi xung pha trong các chế độ điều khiển. Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế độ hoạt động của động cơ. Lưu ý, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là highlow-high. (tích cực bằng cạnh lên) Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo chân. RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó ABCD=0101. a.Chế độ điều khiển nửa bước. Để chọn chế độ điều khiển nửa bước thì chân HALF/FULL phải được đặt ở mức cao.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 48

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước

Bảng 3.2 tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.

b.Chế đổ đủ bước. Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân FULL/HALF ở mức thấp. Trong chế độ này, hai chân cấm INHx luôn ở trạng mức cao.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 49

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.7 Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước

Bảng 3.3 Tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.

1.3.2. L298 1.3.2.1 Giới thiệu IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15) và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge) có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Nó được thiết kế tương thích chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ bước. Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động, độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 50

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng dòng khi cần.Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở điện thể thấp hơn. 1.3.2.2 Sơ đồ khối

Hình 3.8 Sơ đồ khối IC L298

1.3.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa - Nguồn Vs tối đa : 50V - Nguồn nuôi : 7V - Điện thế vào: -0.3V – >7V - Công suất tối tải tối đa: 25W - Nhiệt độ tối đa 130oC

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 51

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

1.3.2.4 Sơ đồ chân

Hình 3.9 Sơ đồ chân IC L298

1.3.2.5 Thông số về nhiệt độ: PowerSO Multiwatt15 Đơn vị 20

Kí hiệu

Thông số

Rth-j-case

Độ bền nhiệt của mối nối PN – vỏ(MAX)

3

o

C/W

Rth-j-amp

Độ bền nhiệt của mối nối PN – 13(*) môi trường(MAX)

35

o

C/W

(*) không tính cho kiểu vỏ nhôm.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 52

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

1.3.2.6.Chức năng các chân STT

Tên

1

SENS A

Chức năng Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải

2

OUT 1

Đầu ra 1 của cầu A

3

OUT 2

Đầu ra 2 của cầu A

4

Vs

5

IN 1

Ngõ vào của cầu A

6

EN A

Chân cho phép cầu A hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu A hoạt đông.

7

IN 2

Ngõ vào 2 của cầu A

8

GND

Chân lấy đất.

9

Vss

Chân cấp nguồn cho khối logic 5V

10

IN 3

Đầu vào của mạch cầu B

11

EN B

Chân cho phép cầu B hoạt động. Khi chân này ở mức điện áp cao sẽ cho phép cầu B hoạt đông

12

IN 4

Đầu vào của mạch cầu B

13

OUT 3

Đầu ra của mạch cầu B

14

OUT 4

Đầu ra của mạch cầu B

Chân cấp nguồn cho tầng công suất. Cần có một tụ điện không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và chân GND

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 53

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

15

SENS B

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải

1.3.2.7 Thông tin ứng dụng. Mạch cầu H kép L298 của SGS-Thompson (và các hãng khác) có thể điều khiển dòng điện lên tới 2A trên một kênh và được đóng vỏ như một linh kiện công suất, ta có thể nối hai cầu H bên trong một vỏ LS298 thành một cầu H 4A . IC L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B). Tần công suất chính là mạch cầu và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dòng : điện trở ngoài RSA, RSB cho phép việc cảm ứng cường độ dòng điện này. Mỗi cầu được điều khiển bởi 4 cổng ngõ vào In1, In2, EnA, và In3, In4, EnB. Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi chân En ở mức thấp, các chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL. 1.3.3. Ghép L297 với L298 Dựa vào datasheet ta có mạch ghép nối L297 với L298 như hình :

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 54

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Với kiểu kết nối như hình trên ta có thể điều khiển động cơ bước với dòng điện trong mỗi pha lên đến 2A. L297 nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển của hệ thống,thường là vi điều khiển và cung cấp các tín hiệu cần thiết.Ngoài ra nó còn chứa mạch chopper PWM để điều khiển các cuôn dây của động cơ. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý driver điều khiển động cơ bước.

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 55

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính. Trong hệ thống điều khiển máy phay CNC, phần kết nối giữa máy tính và máy CNC là một phần rất quan trọng. Hiện nay để giao tiếp giữa máy CNC và máy tính thường giao tiếp qua cổng LPT và cổng USB. Mỗi phương các giao tiếp đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Đối với mạch giao tiếp máy tính bằng cổng USB thì có nhiều ưu điểm như hiện đại hơn, dễ dàng giao tiếp với mọi máy tính vì cổng USB trên mọi máy tính đều có. Tuy nhiên phương thức giao tiếp này gặp một vấn đề là mạch chuyển đổi dữ liệu từ lệnh trên máy tính rất phức tạp, chế tạo rất đắt tiền. Mạch giao tiếp máy tính qua cổng LPT thì có phần cổ điển hơn. Mạch giao tiếp thiết kế rất đơn giản và rẻ tiền. Tuy nhiên cũng tồn tại một vấn đề là các máy tính sản xuất từ năm 2005 trở đi đã bỏ đi cổng LPT, kể cả các main PC cũng đã không còn thấy xuất hiện cổng giao tiếp này. Do vậy để có một máy tính sử dụng để điều khiển máy CNC của ta lại là một vấn đề khó. Nhưng do máy CNC thường để cố định một vị trí trong xưởng và máy tính đi kèm cũng vậy nên ta có thể sử dụng máy tính bàn là hợp lý. Các main PC ngày nay tuy không có cổng giao tiếp LPT nhưng chúng lại được trang bị cổng PCI express mở rộng. Từ cổng PCI express ta có thể cắm thêm card PCI to LPT để giao tiếp với máy CNC. Như vậy việc chọn giao tiếp máy tính qua cổng LPT mang lại lợi ích về kinh tế hơn rất nhiều so vơi giao tiếp máy tính qua cổng USB. Nhưng yếu điểm của phương pháp giao tiếp qua cổng LPT hoàn toàn không ảnh hưởng gì đến hệ thống điều khiển máy CNC. 1.4.1.Cổng giao tiếp LPT. *.Cấu trúc cổng song song: Cổng song song có 2 loại là loại chân cắm 36 chân và loại chân cắm 25 chân. Ngày nay, loại ổ cắm 36 chân không còn được sử dụng, hầu hết các máy tính PC đều trang bị cổng song song 25 chân nên ta chỉ cần quan tâm đến loại 25 chân.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 56

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.12 Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân. Bảng 3.4 Chức năng các chân cổng LPT

Tên của tín hiệu

Chân số

Chân số

(chân số 25 chân)

(ổ cắm 36 chân)

Strobe

1

1

D0

2

2

D1

3

3

D2

4

4

D3

5

5

D4

6

6

D5

7

7

D6

8

8

D7

9

9

Acknowledge

10

10

Busy (báo bận)

11

11

Paper empty (hết giấy)

12

12

Select (lựa chọn)

13

13

Auto Linefeed (tự động nạp dòng)

14

14

15

32

16

31

Error (mắc lỗi)

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 57

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Reset (đặt lại)

17

36

Select Input (lựa chọn lối vào)

18-25

19-30, 33 16

Ground (nối đất – 0V)

17

Signal – Ground (nối đất của tín hiệu)

18 34, 35

Chassis – Ground (vỏ máy nối đất) +5V Không sử dụng

Tín hiệu ở các chân trên ổ cắm 25 chân và 36 chân để trong trương hợp cần thiết có thể so sánh. Sau đây là chức năng của các đương dẫn tín hiệu:

Hình 3.13 Sơ đồ chức năng các chân.

Strobe (1): Với một mức logic thấp ở chân này, máy tính thông báo cho máy in biết có một byte đang sẵn sàng trên các đường dẫn tín hiệu để được truyền. D0 đến D7: Các đường dẫn dữ liệu Acknowledge: với một mức logic thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy tính biết là đã nhận được kí tự vừa gửi và có thể tiếp tục nhận. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 58

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Busy (bận – 11): máy in gửi đến chân này mức logic cao trong khi đang đón nhận hoặc in ra dữ liệu để thông báo cho máy tính biết là các bộ đệm trong máy tính biết là các bộ đệm trong máy tính đã bị đầy hoặc máy in trong trạn thái Offline. Paper empty (hết giấy – 12): Mức cao ở chân này có nghĩa là giấy đã dùng hết. Select (13): Một mức cao ở chân này, có nghĩa là máy in đang trong trạng thái kích hoạt (On-line) Auto Linefeed (tự nạp dòng): Có khi còn gọi là Auto Feed. Bằng một mức thấp ở chân này máy tính PC nhắc máy in tự động nạp một dòng mới mỗi khi kết thúc một dòng. Error (có lỗi): Bằng một mức thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy tính là đã xuất hiện một lỗi, chẳng hạn kẹt giấy hoặc máy in đang trong trạng thái Off-Line. Reset (đặt lại): Bằng một mức thấp ở chân này, máy in được đặt lại trạng thái được xác định lúc ban đầu. Select Input: bằn một mức thấp ở chân này, máy in được lựa chọn bởi máy tính. Qua cách mô tả chức năng của từng tín hiệu riêng lẽ ta có thể nhận thấy các đương dẫn dữ liệu có thể chia thành 3 nhóm: Các đường dẫn tín hiệu, xuất ra từ máy tính PC và điều khiển máy tính, được gọi là các đường dẫn điều khiển. -

Các đường dẫn tín hiệu, đưa các thông tin thông báo ngược lại từ máy in về máy tính, được gọi là các đường dẫn trạng thái. -

-

Đường dẫn dữ liệu, truyền các bit riêng lẻ của các ký tự cần in.

Các đường dẫn của cổng song song được nối với ba thanh ghi 8bit khác nhau:  Thanh

ghi dữ liệu

 Thanh

ghi trạng thái

 Thanh

ghi điều khiển Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 59

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC Bảng 3.5 Địa chỉ cổng LPT

Cổng song song Địa chỉ thanh ghi Địa chỉ thanh ghi Địa chỉ thanh ghi (LPT) dữ liệu trạng thái điều khiển LPT1

378h

379b

37Ah

LPT2

278h

279b

27Ah

LPT3

2BCh

2BDh

2BEh

1.4.2. IC 74HC245. a, Chức năng : Đệm dữ liệu 2 chiều , thường ứng dụng trong các mạch sử dụng led như quét led matrix , led 7 , hoặc đệm dữ liệu trên bus với các mạch sử dụng nhiều linh kiện mắc song song b.Sơ đồ chân:

Hình 3.14 Sơ đồ chân IC74HC245 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 60

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.15 : Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245

Chức năng các chân: Chân 1: Dir là chân cho phép mở chiều đi của dữ liệu. Nếu Dir=1 thì dữ liệu cho phép đi từ A đến B và ngược lại khi Dir=0. Chân 2 đến 9 : Là 8 chân dữ liệu vào ra của đẩu A Chân từ 11 đến 18: Là 8 chân dữ liệu vào ra của đầu B Chân 19: OE chân cho phép . Nếu OE=0 dữ liệu được xuất ngược lại nguồn cấp. Chân 20: Chân nối đất.

c. Cấu tạo bên trong: Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 61

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.16 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245

Các thông tin khác về IC 74HC245 ta có thể tra trong datasheet mà hãng sản xuất cung cấp.

1.4.3.Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT Từ chức năng các chân tín hiệu của cổng LPT và chức năng ra và các IC, ta xây dựng được sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT như sau:

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 62

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT

Nguyên lý hoạt động của mạch: Tín hiệu từ máy tính cấp đến cổng LPT qua cáp. Từ đây tín hiệu được phân chia thành các tín hiệu điều khiển các động cơ các tín hiệu ra vào phần mềm. Các chân từ 2 đến 9 là chân tín hiệu ra điều khiển các động cơ dẫn động các trục. Các tín hiệu ra từ chân số 2 đến số 7 cấp đến driver động cơ bước. Chân số 2, 4, 6 là tín hiệu điều khiển hướng quay trục X, Y, Z. Chân số 3, 5, 7 là chân xung cấp đến các driver. Riêng chân số 8 và 9 ta có thể mở rộng điều khiển thêm 1 trục nữa. Tín hiệu điều khiển các động cơ trục X, Y, Z được đưa qua IC 74HC245 để bảo vệ máy tính khi có sự cố trên mạch. Các tín hiệu từ chân 1, 14, 16, 17 là chân tín hiệu ra có chức năng đóng mở các thiết bị ngoại vi như bơm làm mát, quạt gió.... Các chân ra được cách ly với máy tính bơi IC PC817 nhằm bảo máy tính khi có sự cố hệ thống. Các chân tín hiệu 10, 11, 12, 13, 15 là chân nhận tín hiệu vào từ thiết bị cảm biến hay công tắc hành trình, các tín hiệu vào này cũng được đưa qua IC 74HC245 để bảo vệ máy tính. Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 63

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Các chân từ 18 đến 25 nối đất. II. Thiết kế mạch điều khiển CNC tương thích với phần mềm Mach3. 2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC. Dưới đây là hình ảnh mạch:

Hình 3.18 Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver

Trên thị trường hiện nay các mạch điều khiển CNC nhưng giá thành khá cao so với thu nhập của sinh viên nên em đã đi đến ý tưởng xây dựng một mạch điều khiển CNC với giá thành rẻ có thể áp dụng vào việc nghiên cứu học tập. Ngoài ra mạch còn có thể sử dụng điều khiển máy CNC tự chế tại các xưởng vừa và nhỏ. Mạch điều khiển CNC do em thiết kế có một số đặc điểm sau: -

Tương thích hoàn toàn với phần mềm Mach3.

Sử dụng để điều khiển động cơ bước. Mạch có tích hợp bộ điều khiển động cơ bước nên không cần thêm driver cho động cơ bước. -

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 64

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

-

Mạch CNC giao tiếp với máy tính qua cổng LPT 25 chân.

-

Mạch có thể điều khiển được tối đa 4 trục.

-

Số đầu vào tín hiệu từ cảm biến hay công tắc hành trình là 5.

-

Số đầu ra để bật tắt các thiết bị ngoài là 4.

-

Có thể điều khiển công suất mạch thông qua biến trở.

-

Dòng ra nuôi động cơ bước tối đa là 3A.

-

Nguồn vào 24-36V

Với một mạch điều khiển CNC như trên thì việc nghiên cứu và chế tạo máy CNC trở nên rất đơn giản, kể cả với những bạn sinh viên đam mê nghiên cứu hay những xưởng sản xuất nhỏ lẻ. Dưới đây là hình ảnh đi dây và bố trí linh kiện trên mạch in. Để thiết kế mạch in em đã sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện Proteus 8.0.

Hình 3.19 Sơ đồ đi dây trên board

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 65

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý mà em đã thiết kế:

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC

Mạch nguyên lý gồm các khối chính sau: 1.Khối đầu vào và ra của tín hiệu. 2.Khối mạch công suất. 3.Khối đèn báo 4.Khối nguồn 5.Khối bảo vệ máy tính và bảo vệ mạch. 6.Khối điều chỉnh chế độ điều khiển.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 66

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

2.3.Sử dụng các cổng ra vào và cài đặt trên Mach3. * Các cổng vào.

Hình 3.21 Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp

Cổng này được kết nối với máy tính thông qua cap LPT, máy tính vào mạch sẽ giao tiếp 2 chiều thông qua cổng LPT này, do vậy ta cần có những cách ly quang để bảo vệ máy tính trong trường hợp sảy ra hiện tượng chập điện tại mạch. Trên máy tính thì địa chỉ cổng LPT là 378H nên muốn Mach3 nhận được mạch CNC thì ta cần nhập địa chỉ cổng trong Mach3 như hình vẽ.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 67

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.22 Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3

Vào mục Config -> Ports and Pins

Hình 3.23 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin

Mọi thông số để như hình vẽ trên.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 68

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC

Mỗi đầu vào gồm hai chân IN+ và IN- . Để sử dụng các cổng IN1 đến IN5 ta cần mắc một nguồn 5V vào hai đầu IN+ và IN- của mỗi cặp chân vào, IN+ là nguồn 5V, IN- là nối đất. Khi mạch ngoài cấp 5V vào hai chân IN+ và IN- đóng thì mạch nhận tín hiệu vào. Tín hiệu vào này sẽ gửi tới chân tương ứng của cổng LPT và cuối cùng là đến phần mềm Mach3. Để cài đặt cổng vào trong phần mềm Mach3 ta vào Config -> Ports and Pins sau đó chọn Input Signals

Hình 3.25 Cài đặt cổng vào trong Mach3 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 69

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Tại cửa sổ này ta chọn tín hiệu ra cần sử dụng. Các đầu vào thường dùng là Estop và Công tắc hành trình. Với đầu vào là Estop, giả sử chọn đầu vào là IN1 ứng với chân 10 của cổng LPT thì ta tích vào Enable ứng với dòng Estop và điền số Pin number là 10 như hình vẽ dưới, mạch không để ở chế độ hoạt động ở mức thấp nên ô Active low để dấu x.

Hình 3.26 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3

Với đầu vào là công tắc hành trình ta cài đặt như hình vẽ.

Hình 3.27 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3

Ở đây là cài đặt khi cả 6 cữ hành trình được mắc nối tiếp ở chế độ thường đóng, khi một trong các công tắc hành trình bị tác động, mạch ngoài bị ngắt, khi đó do để chế độ hoạt động của chân vào là Active low phần mềm sẽ nhận tín hiệu vào khi công tắc hành trình bị tác động. Chân vào mà ta sử dụng trên mạch là chân IN2 tương ứng với chân số 11 của cổng LPT.

*Các cổng ra.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 70

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Cổng tín hiệu ra các động cơ bước.

Hình 3.28 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý.

Có tất cả 16 đầu ra tới các động cơ bước để điều khiển 4 trục X, Y, Z và A. Mỗi trục cần 4 tín hiệu a, b, c, d để điều khiển như hình vẽ. Nếu động cơ bước sử dụng là lưỡng cực thì ta mắc lần lượt các pha A, B, C và D của động cơ theo thứ tự lần lượt vào 4 pha ra của một trục trên mạch, ta chỉ cần mắc lần lượt theo đúng thứ tự A, B, C, D mà không cần quan tâm đầu ra của pha A trên mạch có ứng với đầu pha A trên động cơ không, miễn sao là tất cả các động cơ đểu mắc theo một thứ tự để dễ cài đặt trên phần mềm. Trên Mach3 ta cài đặt tín hiệu điều khiển các trục như sau:

Hình 3.29 Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 71

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Ta vào Config -> Ports and Pins chọn thanh công cụ Output Signals. Nếu sử dụng các trục X, Y, X thì ta tích Enable vào các dòng tương ứng, các tín hiệu Step và Dir được thiết lập như hình vẽ. Kết luận chương 3 *Kết quả đạt được : - Tìm hiểu được nguyên lý tín hiệu từ phần mềm Mach3 ra cổng LPT - Thiết kế thành công hệ thống điều khiển mô hình máy phay CNC điều khiển bằng phần mềm Mach3 - Nghiên cứu và thiết kế mạch thành công mạch CNC tương thích với phần mềm Mach3. *Những hạn chế : -

Hệ thống điều khiển kết nối máy tính qua cổng LPT đã lỗi thời.

-

Chưa phát triển được hệ thống thay dao tự động vào mô hình.

-

Mạch điều khiển CNC tự thiết kế chỉ điều khiển được động cơ bước với

dòng tải tối đa là 3A -

Chưa kiểm nghiệm được độ bền của mạch điều khiển CNC trong điều khiển

nhiều bụi tại nhà xưởng. *Hướng phát triển: - Chế tạo mạch điều khiển CNC có thể điều khiển động cơ Servo - Thêm chức năng điều khiển trục chính cho mạch CNC.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 72

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC Sau nhiều tháng nghiên cứu và chế tạo nhóm đã chế tạo thành công mô hình máy phay CNC 3 trục và đã tiến hành gia công một số sản phẩm trên gỗ và nhựa. Dưới đây là hình mô hình máy phay của nhóm.

Hình 4.1 : Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 73

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.2 Mô hình 3D máy phay CNC

I.Chế tạo. Các thông số ban đầu: - Kích thước bàn máy: 500 x 400 x 200 mm - Kích thước phôi gia công lớn nhất: 240x300x100 mm Dựa vào kích thước bàn máy dự tính ban đầu em tính toán thiết kế khung bàn máy bằng phương pháp hàn. Vật liệu làm khung là thép hộp chữ nhật kích thước Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 74

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

20mmx40mm, sử dụng thép hộp để đảm bảo tính cứng vững và trọng lượng toàn bàn máy không quá lớn. Dưới đây là tính toán sơ bộ kích thước các bộ phận của mô hình máy phay CNC.  Khung máy :Tại khung đế ta lắp cơ cấu dẫn động cho bàn Y gồm các thanh day dẫn hướng và một vít mebi. Tính toán sơ bộ ta có kính thước khung đế 600x400x230 và có kết cấu như hình vẽ.

Hình 4.3: Kết cấu khung đế của mô hình.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 75

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.4 Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng.

Hình 4.5 Hình chiếu đứng mô hình máy phay Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 76

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.6 Hình chiếu cạnh mô hình máy phay

Hình 4.7 Hình chiếu bằng mô hình máy phay

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 77

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

 Dẫn hướng: cơ cấu dẫn hướng, cụ thể là thanh dẫn hướng được sử dụng để dẫn hướng chuyển động trong cơ cấu, chịu lực cắt ngang đảm bảo độ chính xác gia công.

Hình 4.8 Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin

Chúng tôi lựa chọn dẫn hướng của hãng Hiwin, cách tính chọn và kiểm nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn kèm theo của hãng.

Hình 4.9 Thông số chọn ray dẫn hướng

Ta chọn được ray dẫn hướng phù hợp: series HGH 15 C A (None) 2 R 350 (None) Z0 C II DD/E2/RC

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 78

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.10 Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA

- Truyền động: với kết cấu nhỏ, tải thấp ta chọn sử dụng vít me bi. Vít me bị có nhiệm vụ biến chuyển động quay của động cơ thành tịnh tiến của bàn máy tạo ra lực cắt, vít me bi sẽ chịu lực dọc trục. Bước của vít me được chọn theo tốc độ di chuyển của bàn. Độ dài vít me được chọn theo kết cấu bàn máy. Đường kính được chọn dựa theo tải trọng. Các thông số khác được tùy chọn phù hợp theo hướng dẫn của nhà cung cấp.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 79

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.11 Đai ốc lắp kiểuFSWC

Chọn vít-me series: 4R16-10B2-1FSWC Đường kính 16mm Bước vít 10mm - Động cơ: chọn sử dụng động cơ step. Để chọn được động cơ, ta cần tính được tải đặt lên động cơ khi hoạt động từ đó suy ra được momen cần thiết. Từ tốc độ yêu cầu ta tính ra được tốc độ vòng quay của động cơ. Như vậy với hai thong số momen và tốc độ ta có thể chọn ra được động cơ. II. Lập trình gia công sản phẩm. Các bước lập trình và gia công sản phẩm: Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 80

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.12 Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay CNC

Bước 1: Lập trình trên Notepad hoặc dùng các phần mềm CAD/CAM để có file Gcode.

Hình 4.13 Lập trình tay trên Notepad

Hình 4.14 Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 81

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Bước 2: Nạp chương trình vừa có được vào phần mềm Mach3. Ta vào file-> load Gcode hoặc nháy vào load Gcode trên giao diện điều khiển. Phần mềm Mach3 có thể nhận các file *.txt từ Notepad và file *.nc từ phần mềm CAM.

Hình 4.15 Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển.

Bước 3: Lấy gôc phôi. Ta di chuyển bàn máy về vị trí góc phôi. Chú ý đến hướng dương của các trục X và Y sao cho phù hợp với gốc phôi đã chọn trong khi lập trình. Sau đó trên phần mềm Mach3 ta nháy phím RESET rồi đưa các trục tọa độ về 0.0

Hình 4.16 Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3 Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 82

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.17 Khung điều khiển các trục tọa độ.

Bước 4: Kiểm tra lại máy và chạy chương trình gia công.

Hình 4.18 Khung điều khiển quá trình gia công

Ta nháy Cycle Start để bắt đầu chạy chương trình. Stop để tạm dừng chương trình. Khung Feed Rate để tăng hoặc giảm tốc độ nội suy.  Dưới đây là một số hình ảnh quá trình chế tạo mô hình và một số sản phẩm mà nhóm em đã thực hiện gia công trên mô hình máy phay CNC.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 83

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.19 Mạch điều khiển trong mô hình

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 84

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.20 Quá trình chạy demo để test mô hình

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 85

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 4.21 Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 86

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Kết luận chương 4 *Kết quả đạt được: - Chế tạo thành công mô hình máy phay CNC 3 trục. - Máy chạy ổn định và độ chính xác ở mức độ vừa phải. - Thực hiện gia công được một số sản phẩm thực trên máy. *Những điểm hạn chế: - Máy mới chỉ gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như gỗ và nhưa. - Chưa có bộ phận thay dao. - Sử dụng động cơ bước để truyền động các trục nên có hiện tượng trượt bước khi quá tải. - Chưa có bộ phận làm mát. - Hình trình của các bàn máy còn nhỏ. *Hướng phát triển: - Thay động cơ bước bằng động cơ Servo để hệ máy chính xác hơn. - Chế tạo phần cơ khí đồng bộ và chính xác hơn để có thể gia công các vật liệu có độ cứng cao hơn.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 87

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

GVHD: ThS. TRẦN LÂM

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1].Giáo trình Công nghệ CNC - GS TS Trần Văn Dịch, NXB khoa học và kỹ thuật Hà nội 2004. [2].Giáo trình CAD-CAM-CNC –Nguyễn Ngọc Đào – NXB Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM [3].How to make your http//www.buildownCNC.com

own

CNC

machine

-

Nguồn

internet

[4]. Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ ,NXB giáo dục [5]. Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho máy CNC – Phạm Quang Khải –Ngành cơ điện tử ĐH Bách Khoa Hà Nội 2013. [6].Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng chuyền động cho bàn máy CNC- Tạ Minh Tiến – Ngành tự động hóa, Đại học Thái Nguyên 2004. [7].Thông tin máy CNC và mạch điều khiển CNC http//www.thegioiCNC.com

trên website:

[8].datasheet các IC L297, L298, 74HC245 – datasheet do nhà sản xuất cung cấp. [9]. Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ - Tạ Duy Liêm, Nhà xuất bản. [10]website: http://.www.machviet.com/ Khoa học và Kỹ thuật. Phụ Lục -Phụ lục 1 .Bản vẽ sơ đồ tín hiệu điều khiển toàn hệ thống máy phay CNC. -Phụ lục 2.Bản vẽ sơ đồ điều khiển toàn hệ thống mô hình máy phay CNC. -Phụ lục 3.Bản vẽ sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC. -Phụ lục 4.Bản vẽ sơ đồ nguyên lý các IC trong mạch điều khiển CNC. -Phụ lục 5.Lưu đồ quá trình thiết kế và gia công sản phẩm.

Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 88