Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHUẤT ANH VŨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ OPEN CNC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY 3 TRỤC

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHUẤT ANH VŨ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ (OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY 3 TRỤC

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013

S KC 0 0 4 0 5 1

Trang 2

Trang 3

Trang 4

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Khuất Anh Vũ Giới tính:Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 10-12-1983 Nơi sinh: Tây Ninh

Quê quán: Đại Đồng - Thạch Thất – Hà Nội Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:027A Nguyễn Thái Học KP3 P3 Tx Tây Ninh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng:826583

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

Người hướng dẫn:Th.S Trần Chí Thiên

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

9/2007 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên

Trang 5

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trong bất

kỳ công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 5 năm 2013

Khuất Anh Vũ

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 5 năm 2013

Khuất Anh Vũ

Trang 8

1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 12

1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tượng nghiên cứu 15

1.2.1 Mục tiêu, khách thể 15

1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 15

2.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 15

1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu: 15

1.4 Phương pháp nghiên cứu 15

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 17

2.1 Giới thiệu bộ điều khiển có cấu trúc mở 17

2.1.1 Khái niệm về Bộ điều khiển có cấu trúc mở 17

2.1.2 Tầm quan trọng của bộ điều khiển cấu trúc mở 20

2.1.3 Ưu điểm của cấu trúc mở: 21

2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 23

2.1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước 23

2.1.4.1.1 DỰ ÁN OSACA ( Open Architeture for control within Automation Systems) 23

2.1.4.1.2 DỰ ÁN OSEC ( Open systems environments for Controllers) 24

2.1.4.1.3 DỰ ÁN OMAC (Open Modular Architecture Controller) 24

2.1.4.1.4 Ngoài ra các trường đại học cũng có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này 25

Trang 9

2

2.1.4.1.5 Các nghiên cứu trong nước 25

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27

3.1 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 27

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý và hệ thống 27

3.1.2 Kết cấu phần cứng máy phay CNC 29

3.1.2.1 Trục vitme bi 29

3.1.2.2 Ổ sống lăn 35

3.1.2 Phần điều khiển máy phay CNC 39

3.1.2.1 Hệ thống điều khiển số 40

3.1.2.1.1 Hệ thống điều khiển hở 41

3.1.2.1.2 Hệ thống điều khiển kín 42

3.1.2.1.3 Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số 43

3.1.2.2 Phần mềm CNC 44

3.1.2.2.1 Phần mềm điều khiển 44

3.1.2.2.2 Phần mềm ghép nối 45

3.1.2.2.3 Post Processor 46

3.1.2.2.4 Phần mềm ứng dụng 47

3.1.2.3 Động cơ bước 47

3.1.2.3.1 Khái niệm 47

Trang 10

3

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CNC 56

4.1 Các thông số kỹ thuật của máy phay CNC 56

4.1.1 Các thông số chính 56

4.2 Thiết kế phần cơ khí 56

4.2.1 Phương án thiết kế khung máy 56

4.3 Thiết kế phần điều khiển 61

4.3.1Phương án thiết kế mạch điều khiển 62

4.3.2Phương án thiết kế phần mềm điều khiển 64

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 67

5.1 Tính toán thiết kế kết cấu và hệ thống dẫn động của máy 67

5.1.1 Xác định lực kéo phần thân máy: 67

5.1.2 Tính toán động lực học và chọn động cơ cho từng trục 68

5.1.2.1 Tính toán cho trục X 68

Hình 5.2 Lực tác dụng lên trục X 68

5.1.2.4 Tính toán cho trục Z 73

5.2 Tính toán chọn sống lăn 74

5.3 Tính toán chọn bước trục vitme bi 76

5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục X 77

5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Y 77

Trang 11

4

5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Z 77

5.4 Thiết kế phần điều khiển 77

5.4.1Thiết kế mạch Breakout 78

5.4.2 Mạch Driver động cơ bước 79

5.5 Thiết kế Phần mềm điều khiển 79

5.5.1.2 Các giao diện của mach 3: 80

CHƯƠNG 6 CHẾ TẠO VÀ CHẠY KIỂM NGHIỆM 84

6.1 Chế tạo các bộ phận của máy 84

6.1.1 Chế tạo trục X và kết cấu nối trục của động cơ 84

6.1.2 Chế tạo trục Y và kết cấu nối trục của động cơ 85

6.1.2 Chế tạo trục Z và kết cấu nối trục của động cơ 87

6.1.3 Chế tạo mạch Breakout 88

6.1.4 Chế tạo mạch mạch driver 3 trục động cơ 90

6.1.5 Tủ điện điều khiển hoàn chỉnh 91

6.1.6 Phần mềm điều khiển 91

6.1.6 Máy hoàn chỉnh 98

6.1.4 Giao diện máy khi đang làm việc 100

6.2 Chạy kiểm nghiệm 100

CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103

Trang 12

5

7.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QỦA 103 7.2 KẾT LUẬN 104 7.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 104

Trang 13

6

DANH SÁCH CÁCH CHỮ VIẾT TẮT

NGUYÊN GỐC CHỮ VIẾT TẮT

- Intelligent Machining Systems IMS

- Open architecture controller OAC

- Numerical Control Markup Language NCML

- Adaptive control with optimisation ACO

- Adaptive control with constraints ACC

- Open System Architecture for Controls within Automation systems OSACA

- Open System Environment for Controllers OSEC

- Open Modular Architecture Controller OMAC

- Computer Numerical control CNC

- Automatic Programming Tool APT

- Computer- Aided Manufacturing CAM

- Computer-Aided Design CAD

- Personal Computer PC

- National Instruments NI

- Programmable Logic Controller PLC

- Application Programming Intreface API

Trang 14

7

- Recursive least square RLS

- Digital Differential Analyse DDA

- Measurement & Automation Explorer MAX

- Open Modular Architecture Controller) OMAC

- Analog to digital converters A/D

- Digital to analog converters D/A

Trang 15

8

DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Máy phay CNC 8

Hình 2.1: Những ưu điểm chính của cấu trúc mở máy CNC 14

Hình 2.2: Ba cách mở khác nhau của hệ thống điều khiển 14

Hình 2.3: Nguyên lý “Open CNC” kết hợp PC 17

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của máy phay CNC 20

Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển hệ thống 21

Hình 3.3: Quan hệ giữa lực và tốc độ của vitme 22

đai ốc thường và vitme đai ốc bi Hình 3.4: Trục vime bi 23

Hình 3.5: Kết cấu vitme bi 24

Hình 3.6 : Profil ren nửa tròn 24

Hình 3.7: Rãnh hồi bi kiểu ống 25

Hình 3.8: Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc 25

Hình 3.9: Hồi bi theo rãnh khoan đường ống 26

Hình 3.10: Chiều moment tác dụng lên sống lăn 27

Hình 3.11: Hệ thống điều khiển hở 30

Hình 3.12: Hệ thống điều khiển kín 31

Hình 3.13: Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển 32

Trang 16

9

Hình 3.14: Mối liên hệ giữa PMC với cụm CNC và máy 34

Hình 3.15: Cấu trúc Post Processor 35

Hình 3.16: Động cơ bước 36

Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo của động cơ bước 37

Hình 3.18: Động cơ bước đơn cực 38

Hình 3.19: Động cơ bước lưỡng cực 39

Hình 3.20: Động cơ bước nhiều pha 39 Hình 3.21: Động cơ bước kiểu từ trở 40 Hình 3.22: Động cơ bước kiểu lai 40

Hình 3.23: Sơ đồ điều khiển động cơ bước 41 Hình 4.1: Phương án 1 42 Hình 4.2: Thanh dẫn hướng 43 Hình 4.3: Cơ cấu dẫn hướng của các trục 43 Hình 4.4: Phương án 2 44 Hình 4.5: Sống lăn bi 45 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý phương án 1 46

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý phương án 2 47

Hình 4.8: Cấu trúc phần mềm điều khiển 48 Hình 5.1: Lực kéo phần thân máy 50

Trang 17

Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý của mạch driver 58

Hình 5.9: Phần giao diện menu toolpath 60

Trang 18

Hình 6.16: Giao diện của máy khi đang làm việc 75

Trang 19

12

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU Trong sự phát triển của thời đại hiện đại hóa và công nghiệp hóa ai ai cũng biết

và nghe nói đến nhiều về tự động hóa Trong ngành cơ khí cũng vậy cụm từ CNC( computer numerical controller) hầu như mọi người trong ngành đều biết Máy CNC là máy gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính ta có thể bắt gặp máy CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột dập và nhiều dạng máy công nghiệp hiện đại khác

Hình 1.1 Máy phay CNC

Máy CNC ra đời đã giải quyết được rất nhiều vấn đề sản xuất trong cơ khí, máy CNC nó có những ưu điểm nổi bật là năng suất cao có thể chế tạo ra những chi tiết có

Trang 20

13

độ chính xác cao Nhưng có những khuyết điểm là giá thành cao và chi phí để bảo trì bảo dưỡng thay thế thiết bị khó khăn, do hầu hết máy CNC, ngày nay, chủ yếu là độc quyền nên việc thay thế các thiết bị và phần cứng rất khó khăn và phụ thuộc rất nhiều vào nhà sản xuất

Chính vì lý do đó đề tài:“Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục” là cần thiết và được tiến hành với mục đích là:

Thiết kế máy phay CNC 3 trục với hệ điều khiển có thể thay thế và sửa chữa dễ dàng Bản Báo cáo khoa học tổng kết đề tài nghiên cứu ngoài chương mở đầu và kết luận đề nghị, gồm 5 chương phần nội dung có theo các phụ lục, trong đó:

- Chương 1: Giới thiệu phần mở đầu, trong chương này, tác giả đề cập đến tính

cần thiết và lý do chọn đề tài Từ đó đề ra nhiệm vụ, phạm vi và phương pháp nghiên cứu cho đề tài

- Chương 2: Trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong chương 2, tác giả

giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài

nước- Chương 3: Cơ sở lý thuyết, tập trung trình bày phần cơ sở lý thuyết phục vụ

cho quá trình tính toán ở chương 5, là phần thiết kế tính toán về cơ khí và phần điều khiển

- Chương 4: Nêu ý tưởng và phương án thiết kế Trong chương này, tác giả đề

cập đến các phương án chế tạo khung máy CNC từ đó chọn ra khung máy tối ưu và phù hợp nhất để chế tạo

- Chương 5: Tính toán và thiết kế máy và bộ điều khiển

Từ phương án thiết kế đã được chọn, tác giả tiến hành tính toán thiết kế từng chi tiết của máy như: Tính toán và chọn động cơ cho 3 trục, thiết kế bộ điều khiển và phần mềm cho máy phay CNC

Trang 21

14

- Chương 6: Chế tạo và kiểm nghiệm

- Chương kết luận và đề nghị

Phụ lục

Định dạng
Số trang	22
Dung lượng	7,59 MB