(Luận văn) nghiên cứu thiết kế máy đột dập cnc

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC Luận văn thạc sỹ 12 Học viên : Nguyễn Hữu Định Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt Bộ nhớ chỉ đọc : Bộ nhớ điện tử mà nội dung của nó cho phép n

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn HữU ĐịNH

NGHIÊN CứU Thiết kế máy đột dập cnc

LUậN VĂN THạC Sỹ khoa học ngành: công nghệ cơ khí

HÀ NộI - 2010

luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 2

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC

Luận văn thạc sỹ 12 Học viên : Nguyễn Hữu Định

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

Bộ nhớ chỉ đọc : Bộ nhớ điện tử mà nội dung của nó cho phép ngời sử dụng đọc thờng xuyên nhng không thay đổi đợc

bày các kí tự số và chữ cái

một tinh thể bán dẫn đơn chứ (chip) luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 3

MOSFET

Metal Ocid Semiconductor Field Efect Transitor

Là kiểu bộ nhớ ROM (chỉ đọc) có thể đợc ghi lại chơng trình bằng cách chiếu nó bằng tia cực tím sau khi đã tháo vỏ bảo vệ

Trang 4

Danh mục các bảng, các hình vẽ đồ thị

Số bảng, hình

Trang 5

Trang 6

Lời cảm ơn

Trớc tiên tôi xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS PHạM

trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Cơ khí, Trung tâm Việt – Nhật Trờng Đ ại học Công nghiệp Hà Nội, C ông ty cổ phần cơ khí chính xác vinashin cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong qúa trình nghiên cứu

Trang 7

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong luận văn này là trung thực

và là công trình nghiên cứu của tôi

Trang 8

Lời nói đầu

Ngày nay kỹ thuật tự động hoá xâm nhập và phát triển mạnh mẽ vào nhiều lĩnh vực hoạt động của đời sống xã hội Tự động hoá đem lại những hiệu qủa rõ rệt trong sản xuất nh: tăng năng suất lao động, nâng cao tính

đồng đều của chất lợng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu, cải tiến điều kiện lao

động nhất là trong môi trờng độc hại, thay thế các động tác đơn thuần, lặp lại của con ngời

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống máy công cụ CNC mở

ra bớc phát triển mới cho gia công cơ khí, các hệ thống CAD/CAM cho phép thiết kế kết cấu lập trình và tự động gia công với sự trợ giúp của máy vi tính

Nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình PLC đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tơng tự Các PLC đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do một số lý do sau:

chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

- Tiết kiệm năng l ợng: PLC tiêu thụ năng lợng ở mức rất thấp, ít hơn tất cả các máy tính thông thờng

Trang 9

độ ẩm, rung động và nhiễu nhờ CPU của PCL đợc cách ly với hệ thống bên ngoài

phức tạp để có thể giao tiếp với môi trờng công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O

đồ thang, tơng tự nh sơ đồ đấu dây của các hệ thống điều khiển rơ le thông thờng

nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chơng trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình trực tiếp, bằng thẻ nhớ, truyền qua mạng Vận dụng những kiến thức đã học ở trờng ĐHBK - HN và công tác

thực tế cùng với sự hớng dẫn nhiệt tình của PGS.TS Phạm Văn Nghệ Tôi đã

tổng hợp đợc một khối lợng kiến thức nhất định Nghiên cứu thiết kế máy

đột dập CNC phục vụ thiết thực cho sản xuất thực tế và trong công tác thiết kế cơ khí trong nghành công nghiệp đóng tàu tại Việt Nam

Vì điều kiện nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài này không thể tránh khỏi thiếu sót

Rất mong đợc sự góp ý của thầy, cô và các bạn!

Tôi xin trân thành cảm ơn !

Học viên

Nguyễn Hữu Định

Trang 10

phần mở đầu

I lý do chọn đề tài

Hiện nay, ở Việt Nam máy công cụ CNC đã đợc trang bị nhiều tại các cơ sở sản xuất Mặc dù hiệu quả trong gia công nhng giá trị kinh tế lại rất đắt tiền do đó không phải doanh nghiệp sản xuất cơ khí nào cũng có thể đầu t

đợc Các máy công cụ truyền thống thì lại không đáp ứng đợc nhu cầu sản xuất thực tế đặt ra

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống điều khiển NC, CNC, PLC cho phép cải tiến, nâng cấp các máy công cụ mở ra bớc phát triển mới cho ngành gia công cơ khí Giải quyết bài toán tối u cho các doanh nghiệp theo hớng tự động hoá quá trình sản xuất

Do đó việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển PLC trong việc cải tiến hệ thống cấp phôi cho máy đột dập truyền thống là một yêu cầu thiết thực và cần thiết đối với điều kiện sản xuất ở Việt Nam hiện nay.

Trong rất nhiều các loại máy CNC để phục vụ cho ngành công nghiệp chế tạo máy thì tôi quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC“

ii mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC gồm các phần cơ cấu cấp phôi, cơ cấu thay chày cối và hệ thống điều khiển PLC

Trang 11

iii đối t ợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tợng nghiên cứu: Nghiê n cứu sản phẩm, các cụm chi tiết của máy, vận hành và tháo lắp

- Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện thời gian nên luận văn chỉ dừng lại

ở nghiên cứu và chuẩn bị hồ sơ kỹ thuật làm cơ sở cho quá trình áp dụng thực

tế về sau

iv ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

ý nghĩa khoa học

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn

đã đa ra đợc mối quan hệ cơ bản giữa hệ thống điều khiển PLC S7 -200 ăn khớp với các môdul truyền động cơ khí làm cơ sở cho hệ thống cấp phôi, hệ thống đột dập hoạt động theo các trình đã lập sẵn

ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn nh sau:

- Giúp cho việc lựa chọn hệ thống điều khiển phù hợp với mục

tiêu sản xuất đặt ra

- Cung cấp giải pháp truyền động, đo lờng và hệ thống bàn đỡ

phôi hiệu quả nhất

- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu ứng dụng các khía cạnh khác

tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất

- Giảm đợc chi phí đầu t cho doanh nghiệp mà vẫn đảm bảo

đợc năng suất và chất lợng sản phẩm

Trang 12

Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC

Luận văn thạc sỹ 16 Học viên : Nguyễn Hữu Định

Ch ơng 1:

Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về máy công cụ

điều khiển theo ch ơng trình số

Điều khiển máy công cụ theo ch ơng trình số, thông tin đ ợc ghi lại trong

ch ơng trình điều khiển bằng ký tự là con số, chữ cái hay các ký tự đặc tr ng khác Vật mang tin đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số, nó chứa đựng những thông tin hình học và công nghệ của quá trình gia công ở dạng mã hoá Vật mang tin truyền thông tin điều khiển của ch ơng trình làm việc, bởi vậy cần có mật

độ thông tin lớn đảm bảo mang đ ợc l ợng thông tin cực đại mà tốn ít năng l ợng nhất

này l ợng thông tin ch a đáp ứng đ ợc, ngoài ra còn có một số điểm yếu nh độ bền kém, dễ h hỏng, hạn chế về độ tin cậy, khi cần sửa chữa hay thay đổi phải làm lại

từ đầu rất tốn thời gian Khắc phục những hạn chế trên vật mang tin đ ợc thay thế

dễ nhiễm bẩn và dễ bị xoá Nhìn chung hệ thống điều khiển các khối chức năng vẫn dùng các mạch logic nối cứng trong từng block Chúng phải liên hệ trực tiếp với các

kết cấu điều khiển t ơng tự nh van từ, role, công tắc ngắt Phần điều khiển còn tách rời với xử lý do đó kích th ớc máy cồng kềnh, độ tin cậy thấp do còn ảnh

h ởng của môi tr ờng (nhiệt độ, độ ẩm, rung động cơ học ) Dần dần hệ thống điều khiển NC đ ợc thay thế bằng hệ thống điều khiển CNC

Trang 13

• CNC (Computerize Numerical Control)

hành xử lý số và điều khiển Với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin và máy tính, hệ thống máy CNC ra đời trên cơ sở máy NC Sự tiến bộ của CNC là có sự can thiệp trực tiếp của cụm vi xử lý mà không dùng liên hệ logic ghép cứng nh NC Các chức năng điều khiển và quá trình xử lý tính toán đ ợc các cụm vi tính toán

đảm nhiệm từng phần hoặc toàn bộ Một ch ơng trình hệ thống CNC đ ợc cài đặt sẵn trong máy tính, thông qua các phần mềm hệ thống nh ch ơng trình giải mã hệ

điều hành Ch ơng trình mà các chức năng CNC riêng lẻ sẽ đ ợc thực hiện Vật mang tin trong thế hệ máy CNC có thể là đĩa từ, đĩa compact hay sử dụng các bộ nhớ của máy vi tính ngoại vi

• DNC (Direct Numerical Conrtol)

Hệ thống điều khiển số phân phối từ một máy tính duy trì dữ liệu các ch ơng trình NC và phân phối chúng tới từng máy công cụ riêng lẻ trong nhóm máy CNC để

đáp ứng nhu cầu của các đơn vị điều khiển máy thông qua một mạng liên kết giao tiếp cục bộ Hệ thống điều khiển DNC là một máy tính điều khiển l u trữ và lập các

ch ơng trình hoạt động, nó nh th viện ch ơng trình cung cấp thông tin cho nhiều máy CNC riêng biệt Hệ thống này có u điểm là truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát huy tốt khả năng của máy công cụ điều khiển số Nh ợc điểm là toàn bộ hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào tình trạng làm việc của trung tâm điều khiển Mọi trục trặc của máy tính chủ đều kéo theo sự ng ng trệ của cả hệ thống

• FMS (Flexible Manufacturing System)

một họ chi tiết với số l ợng và thứ tự gia công tuỳ ý, dù trong điều khiển gia công nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế Mọi hệ thống gia công linh hoạt gồm có một hoặc nhiều trung tâm gia công CNC, các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ, máy tính của hệ điều khiển trung tâm là thiết bị chỉ huy Đối với hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động không cần ng ời vận hành cần phải thêm các thiết bị theo dõi

và đo l ờng tự động trên máy

Trang 14

Trong phạm vi đề án d ới đây chỉ xin trình bày những vấn đề đi sâu nghiên cứu về máy công cụ CNC Hệ máy bây giờ có màn hình hiển thị có độ phân giải cao,

có khả năng mô phỏng và đồ hoạ động (Graphic) cho phép ng ời dùng máy quan sát

và thay đổi ch ơng trình dễ hơn Điều đó làm thay đổi lớn tới kết cấu của máy công

cụ, những thiết bị cồng kềnh đ ợc thay thế bởi những mạch vi điện tử có kích th ớc nhỏ gọn và công năng tác dụng lớn gắn liền trong cấu trúc của máy

Điều khiển theo ch ơng trình số là ph ơng pháp tự động điều hành máy công

cụ thông qua các dữ liệu ở dạng mã “Chữ cái + con số và các ký tự đặc tr ng” Đó là con đ ờng can thiệp sâu và trực tiếp của các quá trình xử lý thông tin trong hoạt

động sản xuất trên cơ sở ứng dụng tin học Đây là ph ơng pháp tự động hoá các chức năng của máy với tính linh hoạt cao thể hiện ở sự thích ứng dễ dàng với các việc gia công khác nhau

Từ bản vẽ chế tạo chi tiết và những số liệu kỹ thuật, số liệu công nghệ yêu cầu,

ch ơng trình gia công đ ợc thiết lập gồm từng b ớc ch ơng trình kế tiếp nhau

Ch ơng trình đ ợc số hoá và ghi vào vật mang tin bởi một “Cốt mã” t ơng thích, quá trình trên đ ợc gọi là xử lý số ngoài máy tiếp theo là quá trình số bên trong Các dữ liệu ghi trên vật mang tin đ ợc bộ đọc tiếp nhận phân phối các hệ lệnh (tạo hình

và công nghệ) đến các bộ xử lý t ơng ứng sau quá trình nội suy thông tin đ ợc chuyển đổi sang tín hiệu t ơng tự, đóng vai trò là giá trị cần của vị trí bàn máy (trong hệ lệnh về h ớng chuyển dịch)

hiệu điều khiển cung cấp cho hệ thống truyền động, quá trình cứ tiếp diễn cho đến

của máy đạt đ ợc giá trị mong muốn Tín hiệu điều khiển không còn nữa, hệ truyền

động ngừng lại

Trang 15

Quá trình trên thực hiện theo nguyên tắc đ ờng tác dụng kín (thể hiện trên hình 1.2.a) Hệ điều khiển số còn điều khiển theo nguyên tắc đ ờng tác dụng hở, trong đó nguồn truyền động chủ yếu dùng động cơ b ớc ở đây thông tin đ ợc chuyển thẳng đến hệ tuyền động thông qua cụm điều khiển, đóng vai trò là giá trị cần khi kết thúc chuyển động đ ợc ngay kết quả không cần so sánh với giá trị thực

Bản vẽ Lập trình Vật mang tin Vật mang tin

Xử lý số bên trong

Hệ lệnh đóng ngắt

GT cần

GTluan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 16

Đối với hệ lệnh đóng ngắt quá trình cũng diễn ra t ơng tự, chúng đ ợc ghi nhớ và truyền đạt đến các khâu điều chỉnh với chu kỳ làm việc thích hợp

Máy công cụ điều khiển theo ch ơng trình số là b ớc phát triển lớn trong lĩnh vực tự động hoá ngành chế tạo máy, nó tạo ra những khả năng đặc biệt và có những

u điểm v ợt trội so với máy công cụ vạn năng thông th ờng Máy cho phép cắt với tốc độ lớn, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động nên năng suất rất cao Tính linh hoạt của máy thể hiện rõ trên cơ sở việc thay đồi đơn giản và có thể thực hiện ở máy Máy gia công với độ chính xác cao do nguyên tắc điều khiển theo

ch ơng trình số đảm bảo độ chính xác lặp lại, đặc biệt máy có khả năng khai thác tối đa các chế độ cắt tối u cũng nh các ứng dụng tiên tiến của kỹ thuật kiểm tra tích cực

Với những trung tâm gia công CNC tính tập trung nguyên công rất cao, có thể gia công một số l ợng lớn các bề mặt chi tiết mà không phải thay đổi vị trí hoặc gá đặt

Để đảm bảo phát huy các u điểm trên, máy công cụ CNC phải có độ cứng vững cao và độ tin cậy cao, truyền đ ợc mô men cắt và các vị trí số điều khiển tới cơ cấu công tác một cách nhanh chóng chính xác vơí năng l ợng tiêu hao ít nhất Do vậy kết cấu của máy phải có những yêu cầu sau:

• Hệ thống truyền động chạy dao phải có những khe hở nhỏ nhất tới mức có thể Muốn vậy xích chạy dao phải càng ngắn càng tốt Dùng những cơ cấu truyền

động có hiệu suất cao và không có khe hở nh vít ve đai ốc, cơ cấu tự động khử khe

hở trong bộ truyền

• Hệ truyền động phải có gia tốc lớn, tác động nhanh, có phạm vi điều chỉnh tốc

độ rộng, truyền đ ợc tải trộng lớn và giảm mô men quán tính chi tiết chuyển động.luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 17

1.2 nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc

* Thu thập dữ liệu gia công từ ng ời vận hành

* L u trữ, xử lí dữ liệu và nội suy

* Truyền dữ liệu ra giao tiếp nối tiếp RS 232

* Mô phỏng chuyển động của bàn máy và đầu búa

* Thu dữ liệu phản hồi từ MCU truyền qua giao tiếp RS 232 để kiểm tra

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS 232:

Nhiệm vụ: Khối giao tiếp dùng để truyền dữ liệu Chuyển đổi mức logic của máy tính thành mức logic của MCU

2 Động cơ B ớc (X , Y)

Máy tính RS232

MCU

Mạch số &

Công suất

Các Sensor

Đóng mở van thủy lực (đầu búa) luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 18

1.2.1.3 Khối MCU:

Nhiệm vụ:

* Thu thập dữ liệu gia công đã đ ợc tính toán truyền ra đ ợc máy tính

* Tùy theo dữ liệu gia công MCU điều khiển khối mạch logic và mạch công suất thực thi đúng theo dữ liệu gia công

* Đọc dữ liệu số từ sensor trong quá trình gia công thì đọc dữ liệu từ các sensor để biết vị trí của bàn máy của đầu búa và từ đó điều khiển đầu búa, bàn máy chạy, nhả hay phanh

*Truyền dữ liệu phản hồi về máy tính để kiểm tra, xử lí để phối hợp nhịp nhàng các chuyển động của máy

1.2.1.4 Khối mạch logic và mạch công suất:

* Chịu điều khiển của khối MCU

* Điều khiển 2 động cơ b ớc quay số b ớc góc xác định

1.2.1.5 Khối cảm biến:

* Sensor:

MCU truyền vào máy tính để xử lí

1.2.2 Khối máy tính:

1.2.21 Giới thiệu:

Khối máy tính đ ơc lập trình bằng Visual Basic 6.0 trong bộ Visual Studio 6.0 của Microsoft VB là một ngôn ngữ bậc cao, mạnh, đa ph ơng diện, đ ợc sử dụng rất rộng dãi từ hệ quản trị cơ sỏ dữ liệu, các ứng dụng của Internet, các hệ nhúng hay ngay cả trong điều khiển nó cũng tỏ ra có thế mạnh

1.2.2.2 Ưu điểm của VB :

- Đặc biệt là cấu trúc câu lệnh của VB rất gần với ngôn ngữ con ng ời nên khi lập trình các thuật toán đ ợc giải quyết khá dễ dàng

Trang 19

Do ngôn ngữ này khá phổ biến,cấu trúc lệnh đơn giản, thủ thuật lập trình có thể tham khảo ở rất nhiều tài liệu và giới hạn về thời gian của đề tài cho nên xin không giới thiệu về Visual Basic mà xin đ a ra các thuật toán của khối máy tính

1.2.2.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán:

- dX là khoảng cách theo trục X giữa các điểm cần gia công trên đ ờng thẳng

dX đ ợc nhập vào từ giao diện

t giao diện

- Data (n) là một mảng để l u chiều, byte cao, byte thấp của số xung cần cho

động cơ b ớc trục x và trục y chạy Gia công 1 điểm cần 6 phần tử của Data(n) để

- Các biến DeltaX và DeltaY l u giá trị là khoảng cách giữa các điểm cần gia công theo ph ơng X và Y

- Một số nguyên Integer đ ợc l u trữ bằng 16 byte Dữ liệu truyền chỉ đ ợc 8

byte cao để truyền xang MCU sau đó MCU lại tính lại Lấy byte cao bằng cách chia

bằng cách Lấy số xung trừ đi byte cao x 255 để ra số d còn lại

Trang 20

1.2.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính: Nội suy điểm:

Hình1.3 : Sơ đồ thuật toán nội suy điểm Lấy chiều DeltaY >0 Lấy chiều DeltaX >0 Đọc dữ liệu từ giao diện Đếm=1 DeltaX=Xđiểmkế –Xbànmáy DeltaY=Yđiểmkế –Ybànmáy Data(n)=1 Lấy byte cao Data(n+1) =| DeltaX|*400\(T*28) Lấy byte thấp Data(n+2)= Int(| DeltaX|*400 /(T) –Data(n+1)*2 8) Tăng đếm lên 1 Data(n)=0 Data(n+3)=1 Lấy byte cao Data(n+4) =| DeltaY|*400\(T*255) Lấy byte thấp Data(n+5)= Int(| DeltaY|*400 /(T) –Data(n+4)*2 8) Data(n+3)=0 Truyền Data(0) Data(n) ra COM1 Đúng

Đúng

Đúng luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 21

Nội suy đ ờng thẳng:

nội suy đ ờng

Đếm n=1

DeltaX= dX DeltaY=tg(α) dX

Lấy chiều DeltaX >0

Lấy byte cao

Lấy byte thấp

Tăng đếm lên 1

Data(n)=1

Lấy byte cao

Lấy byte thấp

Data(n+3)=1

Lấy chiều DeltaY >0

Truyền Data(0) Data(n) ra COM1

Nội suy điểm

điểm đầu tiên

Đúng Sai

Trang 22

Nội suy mảng:

Nội suy điểm đầu tiên

Đếm y=0

Đếm x=0 Tăng y=y+1 Tăng x=x+1

DeltaX= dX DeltaY= dY

ChiềuY : Data(x+3) = 0 Byte cao: Data(x+4) =0 Byte thấp: Data(x+5) =0

ChiềuX: Data(x)=x%2

Data(6*y +1) = 0 Data(6*y +2) = 0 Data(6*y +3) = 0 Data(6*y +4) = 1

y = số

điểm dọc

x = số

điểm ngang

Truyền ra cổng COM luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 23

1.2.3 Khối giao tiếp với máy tính:

1.2.3.1 Giới thiệu về các giao tiếp:

* Việc giao tiếp giữa máy tính và MCU có thể dùng nhiều ph ơng pháp Nh dùng cổng song song, giao tiếp USB, cổng nối tiếp

* Dùng cổng song song thì 8 bit truyền 1 lúc nh ng chỉ dùng với khoảng cách ngắn do dễ bị nhiễu hơn nữa cáp truyền phải dùng nhiều dây Trong khi truyền bằng cổng nối tiếp thì không bị nhiễu, khoảng cách truyền xa, cáp nhỏ gọn

* Đối với giao tiếp qua cổng nối tiếp (cổng COM) thì giao diện RS232 là phổ biến và th ờng dùng cổng COM 1 Giao tiếp bằng cổng nối tiếp thì dữ liệu đ ợc truyền từng bit nối tiếp nhau trên một đ ờng truyền dẫn Dữ liệu đ ợc truyền

d ới dạng mã ASCII

1.2.3.2 Giới thiệu về cổng COM:

RI

Lối vào Lối vào Lối ra Lối ra Nối MASS Lối vào Lối ra Lối vào Lối vào

Data Carrier Detect Receive Data Transmit Data Data Terminal Ready Nối đất (0V)

Data Set Ready Request to Send Clear to Send Ring Indicator

Việc truyền và nhận dữ liệu thông qua hai chân TxD và RxD Các chân còn lại của cổng COM không phải ứng dụng nào cũng dùng đến Tín hiệu số từ cổng COM

các mạch điện tử do đó phải dùng IC MAX 232 của hãng MAXIM để chuyển đổi Giao diện nối tiếp này có thể đạt đ ợc khoảng cách 20m

Trang 24

1 3 4 5 2

R1IN

R2IN

T1IN T2IN

C+

C2+

C1- V+

7

R1IN R2IN T1IN

5V

+ C410uF/50V

Noi voi khoi MCU

+ C3

10uF/50V

Khoi giao tiep Serial RS232

C6 104

TxD

+ C210uF/50V

Trang 25

1.2.4 KhốI ĐộNG CƠ & MạCH CÔNG SUấT Trong các hệ điều khiển thực tế th ờng dùng hai loại động cơ b ớc và động cơ

Servo, do tính chất và mạch điều khiển đắt tiền và hạn chế tính thực tế của đề tài cho nên khi thiết kế hệ điều khiển ta dùng động cơ b ớc Hơn nữa, động cơ b ớc có rất nhiều u điểm: động cơ b ớc điều khiển đơn giản, có thể đ ợc dùng trong hệ thống

điều khiển vòng hở Khi không bị quá tải, động cơ b ớc đảm bảo điều khiển chính xác vị trí

1.2.4.1 Giới thiệu về động cơ b ớc

Động cơ b ớc thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển d ới dạng các xung kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay các và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết Động cơ b ớc làm việc

đ ợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đ a các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto t ơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nh chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ b ớc thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một b ớc quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục

1.2.4.2 Lợi ích của việc dùng động cơ b ớc:

* Không có chổi than: không gây ra hiện t ợng đánh lửa ở chổi than nên không gây nhiễu do tải và an toàn trong các môi tr ờng nhạy cảm

* Có mô men giữ: động cơ b ớc có thể có mô men giữ vị trí của tải khá lớn

do sự hãm lại của từ tr ờng rotor

* Dùng trong hệ điều khiển hở: đây là lợi thế nhất của động cơ b ớc, không cần phản hồi vì ví trí của động cơ do ta điều khiển

Trang 26

* Độc lập với tải: trong vùng tải mà động cơ b ớc chịu đ ợc thì đặc tính của động

Trong tr ờng hợp quá tải thì động cơ bị tr ợt

Phân loại động cơ b ớc:

• Động cơ b ớc với rotor là nam châm vĩnh cửu

• Động cơ b ớc kiểu từ trở

• Động cơ b ớc hỗn hợp của hai loại trên

Cấu tạo của các loại động cơ b ớc:

• Loại có rotor là nam châm vĩnh cửu

khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

Động cơ đơn cực: cấu tạo có 6 đầu ra nh hình vẽ Các đầu 1 và 2 đ ợc nối với + nguồn, các đầu còn lại là các pha điều khiển tùy nó âm hay d ơng thì động cơ sẽ quay t ơng ứng

Tín hiệu điều khiển nh sau:

Trang 27

Động cơ l ỡng cực: có 4 đầu ra, ít đầu ra nh ng điều khiển hơi phức tạp do phải

đảo chiều dòng điện qua các cuộn dây liên tục Kiểu động cơ này có góc nằm trong

tần số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 Khz

khiển để quay rotor Stator có 6 cực mỗi cuộn dây đ ợc quấn trên 2 cực của Stator

đối diện nhau Khi cho cực 1 thông đất rotor sẽ quay để thẳng góc với cực 1 của Stator nh hình vẽ Cắt điện cuộn 1, cho cuộn 2 thông đất rotor sẽ quay tiếp răng sau (Y) thẳng với cực hai Nh vậy là rotor sẽ quay tùy thuộc vào các pha điều khiển

Trang 28

Tín hiệu điều khiển nh sau :

Vector điều khiển 1 1001001001001001001001001 Vector điều khiển 2 0100100100100100100100100Vector điểu khiển 3 0010010010010010010010010

• Động cơ b ớc kiểu hỗn hợp

kể trên thì động cơ b ớc hỗn hợp đ ợc sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này kết hợp các u điểm của hai loại động cơ trên Động cơ hỗn hợp có tần số b ớc và

độ phân giải cao, có mômen quay và mômen hãm lớn Trong thực tế ng ời ta chế tạo động cơ b ớc từ trở thay đổi có nhiều tầng, kết cấu của loại này nh hình vẽ

* Phần Stato đ ợc cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ b ớc có từ trở thay

đổi Trên các cực của Stato đ ợc đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha đ ợc quấn thành 4 cuộn dây hoặc đ ợc quấn thành 2 cuộn dây đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng đ ợc đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

1.2.4.4 Mạch điều khiển động cơ b ớc

Đầu vào của mạch này là các xung Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi

công suất T1 đến T4 thực hiện Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ng ợc lại

Trang 29

tr ờng làm quay rotor Các khoá điện tử ở đây có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào

điều khiển đ ợc nh rơle, transitor, thiristor miễn là thiết bị đó đáp ứng đ ợc mức

điện áp, dòng và tần số yêu cầu Tín hiệu điều khiển đ ợc đ a ra từ vi điều khiển

Trang 30

Thông số của động cơ:

Kích th ớc động cơ:

• Mạch nguyên lý điều khiển một cực của động cơ

Ta có thể dùng các Tranzitor tr ờng (MOSFET : Metal Ocid Semiconductor Field Efect Transitor) làm khóa

Trang 31

Một số loại FET thông dụng :

MOSTFET để điều khiển cụ thể là dùng loại IRF9540 đây là transitor tr ờng có thể chịu đ ợc dòng 20 A nên rất thích hợp cho điều khiển động cơ b ớc có công suất lớn

Sơ đồ chân của IRF9540 : 3 chân

G : Gate đây là cổng dùng để điều khiển đóng mở của IRF9540

D : Drain đây là cực máng của IRF9540 dùng để nối tới MCU để điều khiển

S : Soure tức là cực nguồn đ ợc nối tới mass

Mạch công suất đ ợc thiết kế nhằm khuếch đại công suất điều khiển Từ tín hiệu

điều khiển có dòng thấp cỡ mA, áp 5V lên áp 24V với dòng vài A

Khóa công suất sử dụng Transitor hiệu ứng tr ờng IRF 9540 với điện trở kế giữa chân 1 và chân 3 là 10k, trở mở cũng là 10k IRF đ ợc mở bằng

điện áp, khi có điện áp vào cực GATE là IRF mở, dòng vào cực GATE phải nhỏ

(mA)

Hình1.14: Transitor Vì khác biệt mức điện điều khiển và công suất nên ta sử dụng cách ly quang để cách ly hai phần với nhau Cách ly quang sử dụng loại Opto P521 động cơ b ớc dùng dòng khoảng từ 0,5 đến 20A thì vi điều khiển không thể điều khiển trực tiếp

mà nó phải điều khiển gián tiếp qua cách ly quang (nh hinh vẽ) Nó cách ly hai nguồn hoàn toàn đó là nguồn bên vi điều khiển và nguồn bên cung cấp cho động cơ vì vậy mà vi điều khiển vẫn hoạt động bình th ờng mà không bị ảnh h ởng của nguồn cấp cho động cơ

Trang 32

1.2.4.5 Sơ đồ mạch đ ợc thiết kế nh sau:

MạCH CÔNG SUấT CHO ĐộNG CƠ BƯớC TRục X

Hình1.15:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ b ớc trục X

Opto2

R9 10K

24V

Opto3

ISO1 P521

FET4 FET4

ISO1 P521

FET3 24V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1 P521

1b

1a

2b 2a

Trang 33

MạCH CÔNG SUấT CHO ĐộNG CƠ BƯớC TRục Y

Hình1.16:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ b ớc trục Y

Opto2

R9 10K

3

Wire1

Khoi khuyech daicong suat

R9 10K

Opto1

R14 10K

IRF9540

2 1 3

24V

Opto4

R10 10K

FET4 FET4

ISO1

1

2 4

Opto2

FET3 24V

FET2

R3 1K

R14 10K

D5

IRF9540

2

1 3

ISO1

1

2 4

DONG CO TRUC Y

FET3 5V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1

1

2 4

3

5V

MG1 MOTOR STEPPER

1b 1a

2b 2a

2 1

Khối tín hiệu điều khiển từ MCU luan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 34

1.2.4.6 Nguyên lí hoạt động của mạch công suất:

* Để cho động cơ b ớc quay ta cần cho các đầu dây Wirex (x=1,2,3,4) lần l ợt thông đất Các đầu này đ ợc điều khiển thông đất hoặc không bằng IRF9540 Khi

có điện áp vào cực GATE của IRFx(FETx trên sơ đồ) thì IRF thông nên các đầu Wirex thông đất IRFx lại đ ợc điều khiển bởi Optox Các tín hiệu điều khiển từ các chân của AT89C52 mặc định khi bật nguồn ở mức logic 1(5V) các chân Optox Cho nên khối led phát của Opto do không có chênh áp lên không có dòng led không phát

sáng, cực bazơ của photo trasitor không đ ợc ánh sáng chiếu sáng nên photor transitor đóng Dòng qua cực GATE bằng 0 nên áp cực GATE là 0V, IRFx đóng, Wirex không nối đất, không có dòng qua cuộn dây, động cơ không quay Khi điều khiển các tín hiệu từ MCU cho chân Optox xuống mức logic 0(0V) Khối led phát

-photot transitor đ ợc chiếu sáng, photor transitor thông Điện áp cực GATE của IRFx là 12V do có hai điện trở 10K tạo thành mạch chia áp IRFx thông đất, Wirex thông đất, có dòng qua cuộn dây động cơ, động cơ quay Tùy vào việc quay bao nhiêu b ớc động cơ thì ta sẽ thay đổi các tín hiệu điều khiển từ MCU tuần tự

1.2.5.KhốI Vi Điều Khiển:

1.2.5.1 Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của hãng ATMEL:

* Tiêu chuẩn trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn sàng đáp ứng về

số l ợng trong hiện tại và t ơng lai Đối với một số nhà thiết kế điều này là quan trong hơn cả Hiện nay, các bộ vi điều khiển 8 bit đứng đầu là họ 8051 có số l ợng lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng (nhiều nguồn) Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển Trong tr ờng hợp 8051 thì nhà sáng chế của nó là Intel, nh ng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất nó (cũng nh

tr ớc kia đã sản xuất)

-Dallas, Semicndictior

Địa chỉ của một số hãng sản xuất các thành viên của họ 8051

Trang 35

Intel Antel Plips/ Signetis Siemens Dallas Semiconductor

www.intel.com/design/mcs51

www.atmel.com

www.semiconductors.philips.com www.sci.siemens.com

www.dalsemi.com

* 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit đ ợc chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử

xuất x ởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp

* ROM (Read Only Memory) để chứa ch ơng trình, ROM Flash nên có thể ghi đighi lại nhiều lần đ ợc, nạp ROM bằng mạch nạp chuyên dụng

ROM trên chíp RAM

Bộ định thời

Cổng nối tiếp Nguồn ngắt

Trang 36

thời nữa Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời Nó có 8K byte ROM Trên chíp thay vì 4K byte nh 8051

DAC, chân PWM, cổng I/0 mở rộng

1.2.5.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051:

* Là vi mạch TTL có 40 chân, mỗi chân có một kí hiệu tên và có các chức năng nh sau:

8051, nó cho phép chọn bộ nhớ ngoài và đ ợc nối chung với chân của OE (Out

Port1

Port2Port3

Port0U1

AT89C51/52

31

19 18

9

12 13 14 15

1 2 3 4 5 6 7 8

39 38 37 36 35 34 33 32

21 22 23 24 25 26 27 28

17 16

29 30 11

RESET P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

P3.7/RD P3.6/WR

PSEN ALE/P P3.1/TXD

P3.0/RXD

VCC

VSSluan van tot nghiep download luanvanfull moi nhat z z @gmail.com Luan van thac si

Trang 37

Enable) của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của ch ơng trình Các xung tín hiệu PSEN hạ thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh Những mã nhị phân của

ch ơng trình đ ợc đọc từ EPROM đi qua bus dữ liệu và đ ợc chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh (chú ý việc đọc ở đây là đọc các lệnh khác với đọc dữ liệu), khi đó VXL chỉ đọc các bit opcode của lệnh và đ a chúng vào hàng đợi lệnh thông qua các Bus địa chỉ và dữ liệu

8051, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của Port 0) Chân này chỉ quan tâm khi sử dụng ROM và RAM ngoài

Đối với 8051 thì : EA = 5V Chọn ROM nội (Chúng ta làm thế này) EA = 0V : Chọn ROM ngoại

Trang 38

với cổng com máy tính) và 12Mhz Tần số tối đa 24Mhz Tần số càng lớn VĐK

xử lí càng nhanh

S1 S2 S3 S4 S5 S6

P1 P2

1 chu ki may

1 chu kì máy gồm 12 dao động của thạch anh tần số thạch anh là 12 Mhz có nghĩa

là tần số làm việc của chip là 1Mhz nên chu kì là 1uS Lệnh lập trình cho vi điều khiển có lệnh 1 chu kì máy, có lệnh nhiều hơn một chu kì máy

Mạch tạo dao động

Hình1.18:Sơ đồ mạch tạo giao động

hoạt động lại từ đầu (Ram bị xóa, các thanh ghi bị xóa)

Khi hai cực tụ điện đ ợc Khi hai cực của tụ điện đ ợc chập với nhau, tụ điện phóng điện thì vi điều khiển Reset

Mạch RESET

Tan so 12Mhz

20

X1 X2

VSS

Trang 39

Các mạch số và vi xử lý đều dùng nguồn 5v nên ta phải thiết kế nguồn nuôi 5v riêng Do nguồn một chiều ta dùng th ờng khoảng 9 đến 24v nên việc để tạo ra nguồn 5v nuôi cho mạch số hay vi xử lý ta th ờng dùng IC LM7805

Hình ảnh của IC nh sau:

Hình1.19:Sơ đồ mạch điều khiển IC LM7805

Hình1.20: IC LM7805

LM 7805 đ ợc dùng rất đơn giản,chân input sẽ cho phép các nguồn 1 chiều

-ra, tức là nối đất Còn chân output sẽ là đầu ra 5V để nuôi mạch

Trang 40

1.2.5.3 Cấu trúc bên trong vi điều khiển:

Hình1.21: Cấu trúc bên trong của vi điều khiển 1.2.5.4 Hoạt động Timer của 8051 và các thanh ghi SFR của Timer:

Bộ định thời Timer nhận tín hiệu từ nguồn xung clock của thạch anh, hoặc từ dao động bên ngoài Khi giá trị bộ đếm của timer tràn thì cờ timer (TF)tự động

đ ợc set bằng phần cứng khi đó xảy ra ngắt timer Ví dụ: ở chế độ 16 bít thì giá trị tràn của bộ đếm là 0xFFFF Các ứng dụng của timer th ờng liên quan đến thời gian thực, đếm sự kiện nào đó hoặc để kiểm tra định kì một điều kiện hay là phát tốc độ baud cho cổng nối tiếp

Thanh ghi MODE TIMER TMOD (TIMER MODE REGISTER)

4 I/O PORTS

BUS CONTROL

SERIAL PORT

EXTERNAL INTERRUPTS

CPU

RAM

ETC TIMER TIMER

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Tác giả	Nguyễn Hữu Định
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Chuyên ngành	Công nghệ Cơ khí
Thể loại	Luận văn thạc sỹ
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	97
Dung lượng	12,69 MB