THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CYBER MILL PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CYBER MILL PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CYBER

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Nhiệm vụ đề ra trong luận văn tốt nghiệp này là:

• Tìm hiểu kết cấu, tính năng mô hình thí nghiệm máy phay Cyber Mill sẵn có

• Đề nghị phương án thiết kế bộ điều khiển Cyber Mill phục vụ thí nghiệm

• Đọc được File dữ liệu G_Code và File dữ liệu Autocad

• Thi công và điều khiển

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN THÁI ANH TUẤN đã tận tình hướng dẫn

em làm bản luận văn Tốt nghiệp này Thầy đã dành cho em sự giúp đỡ nhiệt tình trong suốt thời gian làm luận văn

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô Bộ môn Cơ điện tử đã dành thời gian quý báu để đọc, nhận xét, và tham gia hội đồng chấm luận văn

Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Khoa Cơ Khí Trườøng Đại Học Bách Khoa TP HCM đã trang bị cho em các kiến thức cơ sở và chuyên ngành cũng như giúp đỡ

em trong thời gian làm luận văn

Chân thành cảm ơn

Do đó việc phát triển một mô hình thí nghiệm FMS là rất cần thiết phục vụ cho việc học hành cũng như thí nghiệm trong nhà trường

Nắm bắt được tầm quan trọng đó nhà trường đã đầu tư một hệ thống FMS phục vụ cho việc thí nghiệm, nhưng hiện giờ hệ thống máy đã bị hư hỏng chỉ còn lại phần cơ, do đó cần phải thiết kế lại bộ điều khiển cũng như phần mềm điều khiển cho hệ thống máy Hệ thống FMS này gồn 2 thành phần đó là hệ thống tay máy và hệ thống gia công CNC 2 1/2D,

do giới hạn của Luận văn nên trong luận văn này chỉ tập trung vào việc phục hồi lại hệ thống điều khiển cho máy phay Cyber Mill

Mục lục

Trang bìa……… i

Nhiệm vụ luận văn Lời cảm ơn………….……….ii

Tóm tắt……… iii

Mục lục……… iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về hệ thống FMS 1

1.1.1 Định nghĩa 1

1.1.2 Đặc điểm của hệ thống FMS 1

1.1.3 Những ưu điểm của hệ thống FMS 1

1.2 Giới thiệu về hệ thống FMS “Walli” 3

1.3 Những phần tử trong hệ thống “Walli” 4

1.3.1 Hệ thống băng tải 4

1.3.2 Phần tử robot 5

1.3.2.1 Giới thiệu tổng quan về robot……… ………5

1.3.2.2 Các robot sử dụng trong hệ thống “Walli”……….…….8

1.3.3 Phần tử máy phay “Cyber Mill”……….… 9

1.3.3.1 Tổng quan về máy phay CNC……….9

1.3.3.2 Phần tử máy phay “Cyber Mill” trong hệ thống “Walli”… 13

1.4 Xu hướng phát triển của hệ thống FMS……….14

CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN……… 15

2.1 Giải thuật thu tọa độ File *.DXF của Autocad………15

2.1.1 Qui tắc lưu tọa độ trong file DXF……… 15

2.1.1.1 Đường thẳng……….15

2.1.1.2 Hình chữ nhật……… 16

2.1.1.3 Cung tròn……….18

2.1.2 Giải thuật………21

2.1.2.1 Giải thuật thu tọa độ đường thẳng……… 22

2.1.2.2 Giải thuật thu tọa độ hình chữ nhật……….23

2.1.2.3 Giải thuật thu tọa độ cung tròn………25

2.2 Giải thuật thu tọa độ File CAD/CAM………28

2.2.1 Giới thiệu lệnh CNC căn bản……… ………28

2.2.2 Giải thuật thu tọa độ……….30

2.3 Giải thuật nội suy ……… ……….34

2.3.1 Giải thuật nội suy đường thẳng ………34

2.3.2 Giải thuật nội suy đường tròn ……… ………37

2.4 Điều khiển……… ……….39

2.4.1 Mạch điều khiển dùng Pic Microcontroller……….………….39

2.4.2 Mạch công suất của 2A Stepper Motor………42

2.4 3 Mạch cung cấp nguồn……….………….43

2.5 Giới thiệu hệ thống phần cứng máy CNC………44

2.5.1 Bàn máy……….44

2.5.2 Motor trục chính……….…………45

2.5.3 Motor kẹp chặt……… ………….46

2.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển………46

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………48

3.1 Chương trình chính………48

3.1.1 Giao diện chương trình chính………48

3.1.2 Chức năng các thành phần chính……….………….49

3.2 Gia công biên dạng……… 51

3.2.1 Gia công bằng chương trình gia công(G-Code)………… ………… 51

3.2.2 Gia công bằng File Autocad(*.Dxf)……… ………53

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN……….57

4.1 Những vấn đề đã được giải quyết……….57

4.2 Hướng phát triển của đề tài……… ………57

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 58

do sự phát triển của hệ thống tin học

Tính linh họat của sản xuất được tính một cách đặc biệt để đáp ứng ràng buộc về kinh tế của một thị trường đa dạng mà lợi nhuận cao nhờ giảm tồn kho và thời gian sản xuất Nhu cầu về hệ thống sản xuất linh họat nhạy bén nhất là trong gia công cơ khí Ngoài ra nó còn tồn tại trong một số lĩnh vực khác nhau như : lắp ráp, đóng gói và sản xuất đồ hộp, đúc, thực phẩm và các dạng sản xuất khác Ngày nay, các phương tiện tin học cho phép điều khiển và giám sát hết sức linh họat và chỉ phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành Các thành phần trong hệ thống FMS bao gồm:

- Điều khiển (điều khiển dòng vật liệu)

- Cơ cấu vận chuyển phôi

- Cấp phôi, định hướng và cố định

- Biến đổi vật chất (gia công, rữa và kiểm tra)

∗ Đặc điểm của hệ thống FMS:

- Thích nghi nhanh chóng với tính đa dạng của sản xuất và sản lượng trung bình

- Điều khiển tức thì, cho phép tối ưu hóa thời gian chạy máy và dòng vật liệu

- Sử dụng người máy ở trình độ cao để cấp phôi cho máy

∗ Những ưu điểm của hệ thống FMS:

- Khả năng thay đổi dòng vật chất mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của dòng vật liệu

- Có thể tự động sản xuất nhiều lọai sản phẩm mà không cần thay đổi công cụ sản xuất

- Nâng cao được chất lượng sản phẩm nhờ thực hiện những thay đổi cần thiết trong thiết kế sản phẩm

- Giảm giá thành nghiên cứu và chế tạo công cụ

- Nhịp sản xuất nhanh hơn

- Điều khiển cả xí nghiệp tốt hơn, giảm thời gian chết, lưu kho trong sản xuất

- Hệ thống sản xuất mang tính đồng bộ

- Giảm được số người làm việc tại những nơi nguy hiểm, khó khăn

- Có thể thay đổi cấu hình sản xuất một cách nhanh chóng trong trường hợp xảy ra sự cố

Hệ thống FMS áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật về tin học ,kỹ thuật điều khiển số, điều khiển người máy, đặc biệt là mô hình sãn xuất tự động có tên là Workcell (tế bào sản xuất tự động), đây là đơn vị cơ bản có khả năng làm việc độc lập hoàn toàn với các bộ phận khác trong nhà máy, nó đảm đương việc thực hiện hoàn tất một nguyên công trong quy trình sản xuất Workcell này còn có thể biến đổi chức năng làm việc để phù hợp với nhu cầu thay đổi mẫu mã của sản phẩm cũng như kết nối với với các workcell khác để tạo nên dây chuyền sản xuất linh hoạt

Dây chuyền công nghiệp dùng người máy được điều khiển bằng máy tính điện tử cùng với các thiết bị gia công điều khiển số dạng NC và CNC tạo khả năng dễ dàng thay đổi quy trình làm việc, sự thay đổi công việc có thể thực hiện chủ yếu chỉ bằng sự thay đổi chương trình trong máy tính Các thiết bị này thay thế dần các máy tự động “cứng”

Dưới đây là mô hình thí nghiệm thu nhỏ của hệ thống sản xuất linh hoạt sử dụng robot kết hợp với máy CNC dưới sự điều khiển của máy tính:

Kho 

Vận chuyển phôi 

Robot lưu

kho

  Hình 1.1 Mô hình hệ thống FMS chuẩn, trong sản xuất máy bay

Bên cạnh những thuận lợi thì hệ thống sản xuất linh hoạt còn nhiều vấn đề như : cấu trúc tổ chức, quản lý các phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề xã hội mà hệ thống sản xuất gây ra Chính những vấn đề này đã gây ra sự phức phức tạp mà đòi hỏi chúng ta phải đi nhgiên cứu tìm hiểu về nó, để cho việc ứng dụng các hệ thống này trong thực tế mang lại hiệu quả cao

1.2 Giới thiệu về hệ thống FMS “Walli”

“WALLI” là tên của hệ thống FMS bao gồm một dãy những thiết bị tương thích lẫn nhau cụ thể như robot , máy CNC và những thiết bị ngoại vi khác như là băng tải thể hiện được những yêu cầu đòi hỏi của dây chuyền sản xuất tự động Dãy thiết bị tương ứng ở trên được thiết kế nhằm mục đích phục vụ lĩnh vực học tập nhưng tất cả chúng vẫn phù hợp với một dây chuyền công nghiệp nhẹ

“WALLI” sử dụng phần mềm có tên là “WALLI 3” hay còn gọi là “WALLI for window” nhằm để giám sát việc điều khiển cho những phần tử của Walli như là Robot , máy CNC , kể cả những phần tử ngoại vi và cũng có thể kết hợp các phần tử này lại với nhau để tạo thành tế bào sản xuất tự động hay còn gọi là “Work Cell” Phần mềm này chạy đơn giản như những phần mềm cài đặt khác và nó có thể mô phỏng tất cả các hoạt động của hệ thống thế nhưng việc điều khiển hay giám sát hoạt động của robot hay máy CNC cần phải sử dụng Card giao được lắp đặt trên máy tính PC Để tìm hiểu ứng dụng của phần mềm này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu cụ thể từng phần tử của hệ thống WALLI

1.3 Những phần tử trong hệ thống “Walli”

1.3.1 Phần tử băng tải

Hệ thống băng tải được thiết kế như là 1 đơn vị độc lập Nó có thể được sử dụng như là một đơn vị băng tải hoạt động độc lập hoặc có thể kết hợp với những thành phần khác tạo thành hệ thống FMS dưới sự điều khiển của phần mềm máy tính

Những yếu tố liên quan đến băng tải:

• Chiều dài cơ bản của băng tải là 500mm

• Bánh đai của băng tải có đường kính 22.6mm

• Tỉ số truyền từ động cơ ra bánh đai là 44.3 : 1

• Động cơ để vận hành băng tải là DC Servo có tích sẵn hộp giảm tốc bánh răng bên trong với tỉ số truyền là 1.25 : 1

• Dĩa encoder của motor DC servo có độ phân giải là 4 xung/ vòng

• Trên băng tải có sử dụng công tắc hành trình dạng nút nhấn

Trong hệ thống FMS thông qua tín hiệu từ robot , máy phay mà máy tính sẽ cung cấp những tín hiệu xung để làm cho băng tải chạy hay ngừng nhằm để điều khiển khoảng cách dịch chuyển của sản phẩm đặt trên băng tải

Hình 1.3 Hình dáng của phần tử băng tải

1.3.2 Phần tử Robot

1.3.2.1 Giới thiệu tổng quan về Robot

“Robotics” là một khái niệm phổ biến rất rộng lớn , tập trung chủ yếu trên hình thức

di chuyển giống như con người Bên cạnh đó khái niệm “Robotics” còn được hiểu gần như đồng nhất với khái niệm tự động hóa công nghiệp, khái niệm thứ hai này chỉ đúng một phần bởi hai lí do thứ nhất robot chỉ là một thành phần trong tự động hóa; thứ hai là do sự miêu tả robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều được phóng đại.Thực tế , những robot rất đa dạng về hình dáng cho nhiều mục đích khác nhau

Việc phát minh ra Robot và ứng dụng nó trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội cũng như trong công nghiệp hay nghiên cứu khoa học đã có từ lâu như : thiết bị biết đi 4 chân có chiều dài hơn 3m nặng 1.4 tấn do R.S Mosher thuộc hãng General Electric chế tạo năm 1968 hay robot Unimation đầu tiên được đưa vào sử dụng đầu tiên tại hãng General Motor năm

1962 , đặc biệt hơn là robot Shakey nhận dạng đối tượng bằng camerado đại học Standford thiết kế năm 1969…

Trước sự đa dạng phong phú như vậy chúng cần đi phân loại chúng và có rất nhiều cách phân loại khác nhau :

+ Dựa theo dạng hình học không gian hoạt động ta chia ra các loại robot : Robot tọa độ vuông góc , robot tọa độ trụ , robot tọa độ cầu , robot toàn khớp bản lề ( kể cả robot

“Scara” )

Hình 1.4 Robot tọa độ vuông góc

Hình 1.5 Robot tọa độ trụ  

Hình 1.9 Robot đường dẫn liên tục Hình 1.10 Robot gắp đặt sản phẩm

+ Dựa theo nguồn dẫn động ta có các dạng robot : robot sử dụng nguồn cấp điện ,

Ngoài những cách phân loại trên còn nhiều cách phân loại khác nữa tùy theo quan điểm nhà chế tạo

Cho dù phân loại như thế nào đi chăn nữa thì chính cấu tạo trên bản thân robot cùng với kiểu công việc mà nó thực sẽ quyết định phần mềm điều khiển và phần mềm máy tính cần thiết để cung cấp cho việc vận hành của nó Vì thế , chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu những robot cụ thể trong hệ thống FMS “Walli “

1.3.2.2  Các robot sử dụng trong hệ thống “Walli “

+ Cyphon” : là dạng robot sử dụng toàn khớp bản lề để mô phỏng hoạt động của cánh tay con người bằng cách sử dụng các trục quay quanh eo, vai , cổ tay và khuỷu tay Tay gắp sử dụng cơ cấu tác động bằng khí nén ; Robot này có hệ thống điều khiển số sử dụng những encoder phản hồi vị trí trên mỗi trục, mạch điều khiển gồm có một vi xử lí master quản lí chung toàn bộ hệ thống của robot và ba vi xử lí slave Hai vi xử lí đầu sử dụng để điều khiển các trục quay của eo , vai, cổ tay và khuỷu tay còn vi xử lí slave thứ ba thì đọc tín hiệu từ encoder gửi về nhằm phản hồi vị trí ; Phần công suất cung cấp cho robot là những motor bước vận hành nhờ mạch tích hợp giữa cầu driver và bộ điều khiển motor bước ghép lại với nhau thành từng đôi 1 cho mỗi motor bước

+ Serpent” : là dạng robot “Scara” với hai phiên bản là Serpent I và Serpent II , hai phiên bản này chỉ khác nhau chủ yếu là ở chiều dài của cánh tay , robot này có bốn trục và một tay kẹp Ưu điểm của dạng robot này là diện tích làm việc ít nhưng tầm vươn lại khá lớn và nhờ cấu hình dạng khớp bản lề với ba trục bố trí theo phương thẳng đứng sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc gắp – chi tiết theo phương thẳng đứng , khi đó bài toán quỹ đạo của robot này chỉ giải quyết ở hai phương ngang là X & Y Robot này đã có sẵn các driver motor dc servo trên mỗi trục của nó , hệ thống điều khiển mà robot sử dụng là hệ thống điều khiển số với một vi xử lí đơn mã hóa sự phản hồi vị trí của mỗi trục cũng như cho biết chiều quay của trục là theo chiều kim đồng hồ hay ngược chiều kim đồng hồ

1.3.2 Phần tử máy phay “Cyber Mill”

1.3.3.1 Tổng quan về máy phay CNC

Trong phương pháp gia công truyền thống, khi gia công một chi tiết nào đó hầu hết các thao tác trực tiếp và bằng tay với một qui trình công nghệ phức tạp, song độ chính xác không cao Với phương thức điều khiển này sẽ gặp rất nhiều khó khăn khi gia công các chi tiết, khuôn mẫu với bề mặt gia công phức tạp, yêu cầu kĩ thuật cao thì thời gian gia công khá lớn, tốn kém, độ chính xác gia công không cao, năng suất thấp

Với sự gia tăng về yêu cầu kĩ thuật, chất lượng sản phẩm, nâng cao tính cạnh tranh trong công nghiệp đòi hỏi qui trình xử lý gia công chế tạo trong công nghiệp phải có độ chính xác, độ tin cậy, độ ổn định và độ linh hoạt cao, thời gian gia công và chi phí thấp , việc thay đổi qui trình gia công là dễ dàng và có thể hoạt động kết hợp với robot để tạo thành các tế bào sản xuất hay còn gọi là “Work – cell”

Đầu những năm 50 không lực Hoa kỳ đặt hàng cho Đại học Công nghệ Massachusetts (Massachusetts Institute of Technology, MIT) của Hoa Kỳ nghiên cứu công nghệ điều khiển

máy công cụ bằng kĩ thuật số để sản xuất các chi tiết phức tạp từ khối liền Năm 1953 MIT công bố một loại máy công cụ được hỗ trợ với kỹ thuật điện tử được ra đời đó là máy công cụ được điều khiển theo chương trình số máy NC (Numerical Control) Là một sự thay đổi lớn làm cho năng suất và độ chính xác trong gia công gia tăng vượt bậc Vào năm 1959 có một cuộc triển lãm máy công cụ tại Paris, triển lãm những máy NC đầu tiên của Châu Âu Vào năm 1960 các hệ điều khiển số được chế tạo tương ứng với trình độ kỹ thuật của công nghệ bóng đèn điện tử và rơle, kích thước còn lớn, giá thành đắt, không thể dùng được trong những xưởng máy thông thường Máy NC trong thời kỳ này được sử dụng chủ yếu trong công nghiệp hàng không

Thế hệ máy NC đã đáp ứng được phần nào về công việc tự động hóa trong gia công và đáp ứng được nhu cầu gia công những bề mặt phức tạp Nhưng nhu cầu về chất lượng và năng suất và cải thiện bề mặt gia công để đạt đến mức độ tối ưu là một nhu cầu gia tăng không ngừng do đó với cùng sự phát triển của kỹ thuật máy tính một thế hệ máy công cụ được ra đời với những tính năng mới bù vào những thiếu sót của các thế hệ máy cũ trước đây và được điều khiển bằng máy tính đó là thế hệ máy công cụ được điều khiển bởi máy tính máy CNC (Computer Numerical Control) Đây là loại máy có thể hoạt động liên tục một cách tối ưu, vì máy luôn giám sát, điều khiển từng bộ phận như bôi trơn, khử khe hở, hệ thống an toàn, phát hiện sai số, máy có khả năng thực hiện chuyển động của nhiều trục có thể là 3 trục, 4 trục hoặc nhiều hơn, đồng thời máy có thể thay đổi dao một cách tự động là một công việc mà trước đây thực hiện mất nhiều thời gian, điều đó cũng đảm bảo việc gia công hoàn thiện bề mặt của một chi tiết Với loại máy CNC các vật mang thông tin sẽ đa dạng hơn và có dữ liệu lớn hơn hẳn (đĩa từ, đĩa compact…), đồng thời có độ tin cậy cao Thế hệ máy CNC được hình thành từ việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vào hệ NC, công việc này đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp trên máy Dữ liệu nạp vào, nội dung lưu trữ, thông báo về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình Máy CNC thường đắt gấp 5 lần một máy công cụ thường cùng cỡ, nhưng nó đã vượt xa các yêu cầu về kinh tế và tối ưu hoá quá trình gia công

Trong khi ở các nước công nghiệp phát triển, các loại máy NC/CNC đã trở nên thông