PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CNC 2D DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI

Máy CNC 2D được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cắt laser, khắc họa tiết trang trí, tạo mẫu nhanh… Luận văn tập trung vào phân tích, thiết kế máy CNC 2D truyền động bằng đai,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ – BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn quý Thầy/Cô hiện đang công tác và giảng dạy tại trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM, những người luôn tận tụy cống hiến sức lực và trí tuệ để truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập của chúng em

Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy Phạm Công Bằng, người đã cho chúng

em hiểu thế nào là Cơ điện tử, người đã tận tình chỉ dạy và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu không chỉ riêng trong học tập mà còn trong cuộc sống, và là người đã hướng dẫn, tạo mọi điều kiện tốt nhất cho chúng em trong quá trình thực hiện luận văn Những kiến thức quý báu có từ thầy sẽ là hành trang quan trọng cho chúng em bước vào cuộc sống

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy/Cô phản biện và quý Thầy/Cô trong Hội đồng

đã dành thời gian để đánh giá, góp ý và chấm Luận văn tốt nghiệp Những nhận xét của Thầy/Cô có ý nghĩa rất lớn đối với em, nhằm hoàn thiện đề tài và cũng là nhằm hoàn thiện bản thân em

Mình xin cảm ơn tập thể các bạn trong lớp CK09KSCD và các bạn trong nhóm thầy Phạm Công Bằng hướng dẫn đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ mình trong quá trình học tập ở trường và quá trình làm luận văn

Sau cùng, con bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, Em trai, những người đã luôn dõi theo con trong những năm tháng con học đại học và bên con những khi con gặp khó khăn, mọi người chính là động lực cho con nỗ lực trong học tập và vững bước trên đường đời sau này

Ngày nay máy CNC đã không còn là một khái niệm xa lạ trong ngành cơ khí Một trong những loại máy CNC được sử dụng tương đối phổ biến hiện này là máy CNC 2 trục hay còn gọi là máy CNC 2D Máy CNC 2D là loại máy CNC có bộ phận công tác chuyển động trong một mặt phẳng Máy CNC 2D được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cắt laser, khắc họa tiết trang trí, tạo mẫu nhanh… Luận văn tập trung vào phân tích, thiết kế máy CNC 2D truyền động bằng đai, đồng thời nghiên cứu giải thuật

và viết chương trình điều khiển bộ phận công tác di chuyển theo biên dạng của các đối tượng trong ảnh

Lời cảm ơn……… i

Tóm tắt luận văn……… ii

Mục lục……… iii

Danh sách hình vẽ……… vi

Danh sách bảng biểu……… ix

Chương 1: Tổng quan……… 1

1.1 Tổng quan……… 1

1.1.1 Tổng quan về máy CNC hai trục……… 1

1.1.2 Khả năng công nghệ……… 2

1.1.3 Phân loại máy CNC hai trục……… 5

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài……… 9

1.3 Tổ chức luận văn……… 10

Chương 2: Tính toán, thiết kế mô hình cơ khí……… 11

2.1 Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai……… 11

2.2 Phân tích, thiết kế các cụm chi tiết……… 12

2.2.1 Cụm khung……… 12

2.2.2 Cụm động cơ……… 13

2.2.3 Cụm pulley bị động……… 14

2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng……… 15

2.2.5 Cụm cơ cấu chấp hành……… 15

2.2.6 Cụm thanh trượt-con trượt……… 16

2.3 Tính toán, lựa chọn, kiểm bền một số chi tiết……… 17

2.3.1 Chọn động cơ……… 17

2.3.2 Chọn pulley răng……… 19

2.3.3 Chọn và kiểm bền trục của pulley bị động……… 21

2.4 Kết luận……… 21

Chương 3: Xây dựng hệ thống điện……… 22

3.1 Lựa chọn phương án điều khiển……… 22

3.1.1 Điều khiển động cơ AC servo bằng vi điều khiển……… 22

3.1.2 Điều khiển động cơ AC servo bằng PLC……… 23

3.2 Giới thiệu về động cơ AC servo……… 25

3.2.1 Sơ lược về động cơ AC servo……… 25

3.2.2 Sơ lược về encoder……… 26

3.2.3 Giới thiệu động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH……… 27

3.3 Giới thiệu driver……… 28

3.4 Giới thiệu về card điều khiển……… 30

3.5 Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các thiết bị……… 32

3.5.1 Sơ đồ nguyên lí mạch xuất tín hiệu điều khiển driver……… 33

3.5.2 Sơ đồ nguyên lí các mạch nhận tín hiệu……… 34

3.5.3 Sơ đồ đấu dây tổng thể của hệ thống điện……… 36

3.6 Kết luận……… 37

Chương 4: Phân tích và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy……… 38

4.1 Phân tích động học bàn máy……… 38

4.1.1 Xét sự phụ thuộc tọa độ y của cơ cấu chấp hành theo các góc quay… của động cơ……… 39

4.1.2 Xét sự phụ thuộc tọa độ x của cơ cấu chấp hành theo các góc quay… của động cơ……… 40

4.1.3 Phân tích động học thuận……… 40

4.1.4 Phân tích động học ngược……… 41

4.2 Giải thuật điều khiển bàn máy CNC 2D……… 41

4.2.1 Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm……… 42

4.2.2 Một số hàm nội suy cơ bản……… 44

4.2.3 Trình tự thiết lập các hàm chức năng……… 45

4.3 Phần mềm điều khiển bàn máy CNC 2D……… 46

4.3.1 Cửa số Main Control ……… 46

4.2.2 Cửa sổ Typical Applications ……… 47

4.4 Thực nghiệm……… 48

4.4.1 Thực nghiệm các chuyển động cơ bản……… 48

4.4.2 Xác định độ chính xác hoạt động của bàn máy……… 48

4.5 Kết luận……… 50

5.1 Nhu cầu thực tế……… 52

5.2 Giới thiệu định dạng file Bitmap……… 53

5.3 Một số phép toán được dùng trong xử lí ảnh……… 53

5.3.1 Phép toán dilation……… 53

5.3.2 Phép toán erosion……… 54

5.4 Các giải thuật xử lí ảnh……… 55

5.4.1 Trình tự điều khiển tổng thể……… 55

5.4.2 Giải thuật tách biên……… 56

5.4.3 Giải thuật lấy tọa độ các điểm nằm trên biên đối tượng……… 58

5.5 Chương trình điều khiển……… 59

5.6 Kết quả thực nghiệm……… 61

5.7 Kết luận……… 62

Chương 6: Tổng kết và định hướng phát triển đề tài……… 63

6.1 Tổng kết……… 63

6.2 Định hướng phát triển đề tài……… 64

Hình 1.1: Máy CNC - Router - 1212……… 1

Hình 1.2: Máy cắt plasma Otago Sheetmetal……… 2

Hình 1.3: Máy cắt tia nước NC 3520S 5-a……… 2

Hình 1.4: Máy cắt laser HZE-M300……… 3

Hình 1.5: Họa tiết được tạo bởi máy cắt laser hai trục……… 3

Hình 1.6: Một số loại vật liệu thường được gia công bởi máy CNC hai trục……… 4

Hình 1.7: Một số sản phẩm được tạo bởi máy CNC laser hai trục……… 4

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 1……… 5

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2……… 6

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 3……… 6

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 4……… 7

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai……… 11

Hình 2.2: Các kích thước của cụm khung……… 12

Hình 2.3: Sơ đồ lắp của cụm khung……… 12

Hình 2.4: Mô hình cụm khung……… 13

Hình 2.5: Cụm động cơ……… 13

Hình 2.6: Cụm pulley bị động……… 14

Hình 2.7: Cụm pulley dẫn hướng……… 15

Hình 2.8: Cụm cơ cấu chấp hành……… 16

Hình 2.9: Cụm cơ cấu chấp hành……… 16

Hình 2.10: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai……… 17

Hình 2.11: Sơ đồ phân bố tải trọng bàn máy……… 18

Hình 2.12: Sơ đồ phân tích lực……… 18

Hình 2.13: Pulley răng A 6A35M025DF1006……… 20

Hình 2.14: Lực và momen uốn tác dụng lên trục của cụm pulley bị động………… 21

Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng vi điều khiển……… 22

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng PLC……… 23

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng card……… 24

Hình 3.4: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống……… 24

Hình 3.5: Động cơ AC servo……… 25

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của encoder……… 26

Hình 3.8: Dạng encoder tương đối được sử dụng trong thực tế……… 27

Hình 3.9: Động cơ AC servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH……… 27

Hình 3.10: Đường đặc tính cơ của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH……… 28

Hình 3.11: Driver cùng các khối chức năng……… 29

Hình 3.12: Card điều khiển PCI-8164……… 30

Hình 3.13: Các cụm chức năng của card PCI-8164……… 31

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lí kết nối giữa các thiết bị……… 32

Hình 3.15: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 1 và driver 33

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 2 và driver 34

Hình 3.17: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 3 và driver 34

Hình 3.18: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân thuộc nhóm 4 và driver 35

Hình 3.19: Sơ đồ nguyên lí mạch giao tiếp giữa các chân nhóm 5 và các cảm biến 36

Hình 3.20: Sơ đồ đấu dây của hệ thống điện để điều khiển một động cơ………… 36

Hình 4.1: Sơ đồ phân tích động học của bàn máy……… 38

Hình 4.2: Bàn máy CNC 2D version 1.0……… 42

Hình 4.3: Minh họa bộ phận công tác di chuyển từ điểm A đến điểm B………… 42

Hình 4.4: Giải thuật di chuyển từ điểm đến điểm……… 43

Hình 4.5: Trình tự thiết lập các hàm chức năng……… 45

Hình 4.6: Cửa sổ Main Control……… 47

Hình 4.7: Cửa sổ Base Move……… 47

Hình 4.8: Kết quả thực nghiệm nội suy đường thẳng……… 48

Hình 4.9: Kết quả thực nghiệm nội suy đường tròn……… 48

Hình 4.10: Các đoạn thẳng được dùng để xác định sai số……… 49

Hình 4.11: Các đường tròn dùng để xác định độ lặp lại……… 49

Hình 5.1: Phép toán dilation……… 53

Hình 5.2: Phép toán erosion……… 54

Hình 5.3: Trình tự điều khiển tổng thể……… 55

Hình 5.4: Giải thuật tách biên đối tượng……… 57

Hình 5.5: Kết quả offset trên đối tượng phức tạp……… 58

Hình 5.7: Giải thuật lấy tọa độ các điểm nằm trên biên đối tượng……… 59

Hình 5.8: Tab Preprocessing của ứng dụng Image Drawing……… 61

Hình 5.9: Tab Simulation của ứng dụng Image Drawing……… 61

Hình 5.10: Kết thực nghiệm vẽ quân cờ……… 62

Hình 5.11: Kết quả thực nghiệm vẽ bông hoa……… 62

Hình 5.12: Kết quả thực nghiệm vẽ logo Bách Khoa……… 62

Bảng 1.1: Bảng đánh giá các đặc điểm của một số dạng máy CNC hai trục……… 7

Bảng 2.1: Một số thông số của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH………… 19

Bảng 3.1: Một số thông số kĩ thuật của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH… 27 Bảng 3.2: Một số thông số kĩ thuật của driver……… 28

Bảng 3.3: Nhiệm vụ của các cụm chức năng của driver……… 29

Bảng 3.4: Một số thông số kĩ thuật của card điều khiển……… 30

Bảng 3.5: Nhiệm vụ các cụm chức năng của card PCI-8164……… 31

Bảng 3.6: Chức năng một số chân tiêu biểu của một trục trong cụm CN2………… 32

Bảng 4.1: Các dạng nội suy được hỗ trợ trong card SMC-4DF-PCI……… 44

Bảng 4.2: Kết quả đo đạc các đoạn thẳng……… 49

Bảng 4.3: Kết quả đo đạc các đường tròn……… 50

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan

1.1.1 Tổng quan về máy CNC hai trục

Ngày nay, máy CNC (Computer Numerical Control) được dùng phổ biến trong cơ khí bởi những tính năng ưu việt so với các máy móc truyền thống Máy CNC thường được phân loại theo số khả năng di chuyển trong không gian, hay còn được gọi là số trục Máy CNC có số trục càng nhiều thì càng có khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp, chính xác hơn Thông thường số trục của máy CNC từ 2 đến 5

Máy CNC hai trục, hay còn gọi là máy CNC hai bậc tự do, tuy có kết cấu đơn giản

và khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp trong không gian hạn chế hơn rất nhiều

so với các máy CNC có số trục nhiều hơn hai, nhưng lại được sử dụng rất phổ biến trong thực tế Hình 1.1 thể hiện một dạng máy CNC hai trục thường dùng trong sản xuất

Hình 1.1: Máy CNC - Router - 1212 [1]

Máy CNC hai trục hoạt động nhờ vào sự kết hợp chuyển động của các động cơ, nhằm tạo ra các quỹ đạo mong muốn trên mặt phẳng Máy có thể gắn nhiều loại đầu công tác khác nhau để thực hiện các nhiệm vụ như cắt sản phẩm, khắc họa tiết 2D, gia công mạch in…

So với những máy CNC có số trục nhiều hơn hai, máy CNC hai trục có một số ưu điểm sau đây:

 Cấu tạo đơn giản

Hình 1.2: Máy cắt plasma Otago Sheetmetal [2]

Hình 1.3: Máy cắt tia nước NC 3520S 5-a [3]

Hình 1.4: Máy cắt laser HZE-M300 [4]

Với sự trợ giúp của máy tính, máy CNC hai trục có khả năng tạo ra những chuyển động tương đối phức tạp Hình 1.5 thể hiện khả năng công nghệ của máy CNC hai trục khi gia công họa tiết trên tấm kim loại

Hình 1.5: Họa tiết được tạo bởi máy cắt laser hai trục [5, 6]

Không chỉ thể hiện khả năng cắt gọt kim loại, máy CNC hai trục còn có thể gia công nhiều loại vật liệu như gỗ, thủy tinh, vải, da, giấy…ở dạng phẳng (hình 1.6)

Hình 1.6: Một số loại vật liệu thường được gia công bởi máy CNC hai trục [7, 8]

Ngoài khả năng tạo ra các sản phẩm 2D, máy CNC hai trục còn có thể ứng dụng

để tạo hình các sản phẩm 3D như hình 1.7

Hình 1.7: Một số sản phẩm được tạo bởi máy CNC laser hai trục [9, 10]

Khi gia công chi tiết 3D, các máy CNC có số trục nhiều hơn hai thường tạo hình chi tiết một cách trực tiếp và hầu như hình dạng sản phẩm giống như hình dạng chi tiết

được tạo bởi máy CNC Đối với các máy CNC hai trục thì ban đầu biên dạng 2D sẽ được tạo ra, làm cơ sở để tạo hình sản phẩm 3D hoàn chỉnh thông qua các nguyên công uốn, gò, hàn…, và hình dạng sản phẩm 3D so với biên dạng 2D được tạo ra bởi máy CNC khác nhau đáng kể

1.1.3 Phân loại máy CNC 2 trục

Căn cứ theo kết cấu truyền động mà máy CNC hai trục được chia ra làm một số dạng sau đây

 Máy CNC dạng trục phụ thuộc truyền động bằng vít me - đai ốc (dạng 1)

Máy CNC hai trục dạng 1 truyền động bằng cơ cấu vít me - đai ốc, có bàn trượt ngang (5), trục trượt ngang (6), cơ cấu vít me - đai ốc (7), và động cơ (8) nằm trên bàn

đỡ (4) di chuyển bởi động cơ (1) cùng các cơ cấu truyền động của nó Chính vì vậy việc tính toán bền cho các chi tiết phải rất cẩn thận nhằm đảm bảo độ chính xác của bàn máy, cũng như độ bền của các chi tiết chịu lực Sơ đồ nguyên lí của máy CNC hai trục dạng

1 được thể hiện trên hình 1.8

M

M

1 2 3

7 8

Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 1

 Máy CNC dạng trục phụ thuộc truyền động bằng đai (dạng 2)

Trong các máy CNC dạng trục phụ thuộc, ngoài cách dùng cơ cấu vít me - đai ốc thì đai răng (2, 7) cũng được dùng để truyền động So với cách dùng vít me - đai ốc thì

1- Động cơ truyền động dọc 2- Trục trượt dọc

3- Cơ cấu vít me - đai ốc truyền động dọc 4- Bàn trượt dọc 5- Bàn trượt ngang 6- Trục trượt ngang 7- Cơ cấu vít me - đai ốc truyền động ngang 8- Động cơ truyền động ngang

cách dùng đai răng sẽ kém chính xác hơn, tuy nhiên giá thành sẽ rẻ hơn đáng kể Hình 1.9 thể hiện sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2

Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 2

 Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng vít me - đai ốc (dạng 3)

M

M

1 2 3

6

Hình 1.10: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 3

Máy CNC hai trục dạng 3 có hai trục nằm độc lập, một trục đóng vai trò di chuyển bàn máy, trục còn lại di chuyển bộ phận công tác theo hai hướng vuông góc với nhau

1- Động cơ truyền động dọc 2- Bộ truyền đai răng dọc 3- Trục trượt dọc

4- Bàn trượt dọc 5- Bàn trượt ngang 6- Trục trượt ngang 7- Bộ truyền đai răng ngang 8- Động cơ truyền động ngang

1- Động cơ truyền động dọc 2- Trục trượt dọc

3- Cơ cấu vít me - đai ốc truyền động dọc 4- Bàn gá chi tiết 5- Đầu công tác 6- Động cơ truyền động ngang 7- Trục trượt ngang

8- Cơ cấu vít me - đai ốc truyền động ngang

Trong hình 1.10, động cơ (1), trục trượt (2), cùng với cơ cấu vít me - đai ốc (3) di chuyển bàn gá chi tiết (4) tạo thành chuyển động dọc của bàn máy Động cơ (6), trục trượt (7), cùng với cơ cấu vít me - đai ốc (8) di chuyển đầu công tác (5) tạo thành chuyển động ngang của bàn máy máy

 Máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng đai (dạng 4)

Khác với những máy CNC đã đề cập, máy CNC dạng trục độc lập truyền động bằng đai, hay còn gọi là bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai, có vị trí của bộ phận công tác được điều khiển kết hợp đồng thời bởi hai động cơ (6, 8) thông qua một dây đai duy nhất (3) Sơ đồ nguyên lí của dạng máy CNC này được đề cập ở hình 1.11

4

5

6 7

8

M M

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lí máy CNC hai trục dạng 4

Bảng đánh giá các đặc tính làm việc của một số dạng máy CNC hai trục được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Bảng đánh giá các đặc điểm của một số dạng máy CNC hai trục

Dạng 1 Dạng 2 Dạng 3 Dạng 4 Kết cấu (×2)

6- Động cơ 1 7- Cụm con trượt - thanh trượt ngang 8- Động cơ 2

Khả năng mở rộng vùng làm việc (×2)

1- Phải thay đổi 50% các chi tiết

2- Phải thay đổi 30% các chi tiết

3- Phải thay đổi 10% các chi tiết

1.2 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài

Máy CNC 2D truyền động bằng đai vẫn còn khá mới mẻ, trong khi các dạng máy CNC khác đã được nghiên cứu khá toàn diện, kĩ càng Mặt khác, như những phân tích

ở trên thì dạng máy CNC này có những điểm mạnh nhất định mà các máy CNC truyền thống khác khó có được, đó là kết cấu đơn giản, vùng làm việc linh hoạt và có khả năng thay đổi dễ dàng, giá thành rẻ, thời gian triển khai nhanh chóng Nhờ đó bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực không yêu cầu độ chính xác cao như cắt laser, cắt plasma, robot họa sĩ… Chính vì vậy, việc phân tích, thiết kế, chế tạo bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai sẽ có ý nghĩa thực tiễn to lớn Đề tài có mục tiêu, nhiệm vụ, và phạm vi cụ thể như sau:

 Mục tiêu đề tài:

Phân tích và thiết kế hệ thống CNC 2D dẫn động bằng đai

 Nhiệm vụ đề tài:

Để đạt được mục tiêu đã đặt ra, các công việc dưới đây cần phải được thực hiện

 Phân tích, thiết kế, chế tạo bàn máy

- Từ yêu cầu ban đầu, sơ đồ nguyên lí của bàn máy sẽ được tạo ra nhằm làm

cơ sở cho công việc thiết kế bàn máy

- Với sơ đồ nguyên lí đã có, tiến hành thiết kế mô hình cơ khí của bàn máy ở dạng bản vẽ 3D bằng phần mềm SolidWorks

- Xây dựng hệ thống điện điều khiển bàn máy

- Chế tạo mô hình bàn máy

 Phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D

- Từ sơ đồ nguyên lí, quá trình phân tích động học được tiến hành nhằm tìm ra các quy luật chuyển động của bàn máy, mà cụ thể là các phương trình động học thuận và phương trình động học ngược Khi có được các phương trình này, việc điều khiển đầu công tác đến một vị trí cho trước, hoặc xác định vị trí hiện tại của đầu công tác sẽ được thực hiện nhanh chóng

- Xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy

 Xây dựng chương trình điều khiển bàn máy với giao diện đồ họa GUI (Graphical User Interface)

Giao diện GUI hiện nay được sử dụng phổ biến bởi rất nhiều ưu điểm, nổi bật là khả năng tương tác cao và trực quan với người dùng, có thể tạo ra được những ứng dụng rất phức tạp, dễ dàng nâng cấp và phát triển các ứng dụng Do đó,

đề tài chọn GUI làm giao diện tương tác với người dùng, nhằm tận dụng những thế mạnh của giao diện GUI Công việc cụ thể bao gồm:

- Thiết kế giao diện đồ họa

- Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm Visual C#

 Đánh giá sai số dịch chuyển của bộ phận công tác

Trên cơ sở bàn máy đã chế tạo, tiến hành đánh giá sai số dịch chuyển của bộ phận công tác Phương pháp thực hiện là dùng bộ phận công tác vẽ những đường thẳng theo các phương khác nhau trên một tờ giấy, sau đó scan hình vẽ trên giấy giấy để thu được file ảnh trên máy tính, tiến hành đo đạc trên máy tính sẽ thu được

độ dài thực của các đoạn thẳng, từ đó suy ra sai số dịch chuyển của bộ phận công tác

 Phạm vi đề tài:

Vì thời gian làm luận văn có hạn, do đó phạm vi đề tài được giới hạn lại như sau

 Bộ phận công tác có khả năng chuyển động trên mặt phẳng với độ chính xác dịch chuyển là 0,1 mm

 Vùng không gian làm việc của bộ phận công tác khoảng 350 mm × 250 mm

1.3 Tổ chức luận văn

Luận văn được tổ chức theo cấu trúc sau:

Chương 2 tính toán và thiết kế mô hình cơ khí bàn máy

Chương 3 xây dựng hệ thống điện điều khiển hoạt động của bàn máy

Chương 4 phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy

Chương 5xây dựng chương trình ứng dụng vẽ biên

Chương 6 tổng kết và nêu ra hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ

Kết cấu cơ khí đóng vai trò rất quan trọng, không những ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số hoạt động của bàn máy mà còn là cơ sở để xây dựng hệ thống điện điều khiển bàn máy Công việc thiết kế cơ khí của bàn máy được thực hiện qua nhiều bước khác nhau, bao gồm lập sơ đồ nguyên lí mô tả hoạt động bàn máy, tính toán và lựa chọn các chi tiết cơ khí, thiết kế mô hình 3D, kiểm bền những chi tiết quan trọng Bên cạnh

đó, các bước trên phải đảm bảo được là mô hình bàn máy phải thỏa mãn được các yêu cầu đã đặt ra ban đầu

2.1 Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lí bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai

Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lí của bàn máy Bàn máy gồm hai động cơ (10) điều khiển vị trí của cơ cấu chấp hành (2) thông qua hệ thống truyền động là dây đai (6), các pulley (5, 7, 11), các thanh trượt (4, 9) và con trượt (1, 8)

Để dễ dàng cho việc phân tích cấu trúc, bàn máy được chia thành các cụm chi tiết như sau:

Hình 2.3: Sơ đồ lắp của cụm khung

3- Ke góc 3030

Hình 2.4: Mô hình cụm khung

Cụm khung được làm bằng các thanh nhôm định hình, bao gồm hai thanh tiết diện

30 mm × 30 mm, dài 900 mm (5) và hai thanh tiết diện 30 mm × 60 mm, dài 560 mm (1) Các thanh nhôm được ghép với nhau bởi các miếng ke góc (3) thông qua mối ghép

bu lông Mô hình lắp ráp của cụm khung được thể hiện trên hình 2.3, mô hình hoàn chỉnh của cụm khung được thể hiện trên hình 2.4

2.2.2 Cụm động cơ

1

2345

Cụm động cơ tạo động lực và điều khiển bàn máy hoạt động theo ý muốn Cụm động cơ được gắn chặt trên cụm khung, vừa có tác dụng cố định động cơ, lại vừa tăng cường độ cứng vững của cụm khung

Cụm động cơ gồm có động cơ (1) nằm trên hai tấm nhôm (2, 5), giữa hai tấm nhôm

có các ống đỡ rỗng (4) nhằm thay đổi độ cao của pulley chủ động (3) so với pulley dẫn hướng và pulley bị động Mô hình của cụm động cơ được thể hiện trên hình 2.5

123

có rất nhiều lỗ để lắp đặt các đầu công tác nhằm thực hiện các nhiệm vụ khác nhau

3- Pulley dẫn hướng

1 2 3 4

Hình 2.8: Cụm cơ cấu chấp hành 2.2.6 Cụm thanh trượt – con trượt

Cụm thanh trượt - con trượt gồm hai thanh trượt - con trượt dọc (số hiệu

SSXR28-900, thư viện Misumi) để tạo ra chuyển động theo trục Y của bàn máy, và một thanh trượt - con trượt ngang (số hiệu SEBL16-560, thư viện Misumi) để tạo ra chuyển động theo trục X của bàn máy (hình 2.9) Kết hợp hai phương chuyển động X, Y sẽ tạo thành chuyển động tổng hợp trong mặt phẳng của bộ phận công tác

Qua quá trình thiết kế thì mô hình cơ khí của bàn máy ở dạng 3D được hình thành như hình 2.10

Hình 2.10: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai

2.3 Tính toán, lựa chọn, kiểm bền một số chi tiết

Bàn máy có thể thực hiện những chuyển động phức tạp trong mặt phẳng, tuy nhiên, tất cả chuyển động đó đều có thể được quy về thành chuyển động theo hai phương X, Y vuông góc với nhau, được thực hiện bởi hệ thống thanh trượt - con trượt ngang và thanh trượt - con trượt dọc Trong quá trình hoạt động, ngoài việc di chuyển bản thân, các con trượt còn phải mang theo những cơ cấu khác như cụm pulley dẫn hướng, cụm cơ cấu chấp hành… Sơ đồ phân bố tải trọng của bàn máy được thể hiện trên hình 2.11

Để di chuyển các tải cần có các lực tương ứng Trên sơ đồ phân tích lực hình 2.12,

1

F , F là các lực do động cơ sinh ra để di chuyển các tải lần lượt theo phương X với 2

vận tốc v và theo phương Y với vận tốc 1 v 2

m1 m2 m3

XY

v

α

Hình 2.12: Sơ đồ phân tích lực

F 1 là lực động cơ sinh ra để chống lại lực ma sát nhằm di chuyển tải m 3 theo phương

X Giá trị của lực F1 được tính theo công thức sau:

F  m g  = 1,5.9,81.0,1 = 1,47 (N) Với ttlà hệ số ma sát giữa con trượt và thanh trượt [13]

Lực F 2 là lực do động cơ sinh ra để chống lại trọng lực nhằm di chuyển tải m 1,

m 2 , m 3 theo phương Y Giá trị của lực F 2 được tính theo công thức sau:

Nếu xét đến hệ số tải động K tđ = 2,5 và hệ số dự trữ K dt = 2:

P’ max = P max K tđ K dt = 31,64.2,5.2 = 158,2 (W) Hiệu suất hoạt động của hệ thống:

H = H đai H pulley H ma sát = 0,92.0,986.0,9 = 0,73 Công suất để hệ thống hoạt động:

ax

' 158, 2

2170,73

m tt

P P

H

Nhằm đảm bảo công suất, độ chính xác, cũng như khả năng làm việc ở tốc độ cao, động cơ servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH của hãng Kinco Automation Limited được chọn Một số thông số cơ bản của động cơ được liệt kê trong bảng 2.1

Bảng 2.1: Một số thông số của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH

Encoder của động cơ có độ phân giải 2500 PPR, nếu sử dụng ở chế độ nhân xung

×4 thì góc quay nhỏ nhất có thể đạt được của động cơ là:

0

0

360

0,0362500.4

2.3.2 Chọn pulley răng

Bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai có bốn pulley răng giống nhau, bao gồm hai pulley răng chủ động và hai pulley răng bị động

Để đạt được độ chính xác của bàn máy là 0,1 mm, với góc quay nhỏ nhất của động

cơ là α, đường kính pulley răng cần thỏa mãn:

0,12

d

l 

318,30,036.2

Chọn m = 1,75 mm theo bảng tiêu chuẩn module [20]

Từ m = 1, 75 mm, dựa theo bảng 4.11[20] chọn bề rộng đai b = 10 mm

Căn cứ vào các thông số đã tính toán, chọn pulley răng có số hiệu A

6A35M025DF1006 của hãng SDP/SI [14], có z = 25 răng, đường kính vòng chia bằng

t

T F

Hình 2.13: Pulley răng A 6A35M025DF1006

Theo cách bố trí các cụm như trên sơ đồ nguyên lí của bàn máy CNC 2D truyền động bằng đai (hình 2.1) thì góc ôm đai của bốn pulley răng đều là 180⁰

Từ đó suy ra số răng ăn khớp đồng thời trên mỗi pulley răng:

2.3.3 Chọn và kiểm bền trục của cụm pulley bị động

Chi tiết chịu ứng suất lớn nhất trong bàn máy là trục của cụm pulley bị động Sơ

đồ đơn giản hóa cụm pulley bị động được biểu diễn như hình 2.14 a

Hình 2.14: Lực và momen uốn tác dụng lên trục của cụm pulley bị động

Momen uốn do lực F rmax tạo ra:

Biểu đồ momen uốn được thể hiện trên hình 2.14 b

Trục được chọn làm bằng vật liệu thép C20, có   min 400 (N/mm2) Từ đây có thể tính được đường kính trục tối thiểu để trục bền

CHƯƠNG 3

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỆN

Mô hình cơ khí rất quan trọng tuy nhiên cũng có một yếu tố quan trọng không kém, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và độ ổn định hoạt động của bàn máy, đó là hệ thống điện Trên cơ sở mô hình cơ khí đã được thiết kế, chương 3 tiến hành xây dựng hệ thống điện điều khiển hoạt động của bàn máy Các công việc cần thực hiện bao gồm lựa chọn phương án điều khiển, tìm hiểu các thành phần trong phương án được chọn và xây dựng

hệ thống điện

3.1 Lựa chọn phương án điều khiển

Trong thực tế có rất nhiều phương pháp điều khiển động cơ AC servo khác nhau, phổ biến nhất là dùng vi điều khiển, card điều khiển, hoặc PLC (Programmable Logic Controller) Mỗi phương pháp đều có những đặc điểm riêng và tùy từng trường hợp sẽ được áp dụng sao cho phù hợp

Với bàn máy CNC 2D, phương pháp điều khiển được chọn phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

 Có khả năng tương tác cao với người dùng

 Thời gian triển khai nhanh

 Linh hoạt trong việc phát triển các ứng dụng

3.1.1 Điều khiển động cơ AC servo bằng vi điều khiển

Phương pháp điều khiển động cơ AC servo bằng vi điều khiển đã có từ rất lâu và hiện nay vẫn được dùng rộng rãi Trong sơ đồ hình 3.1, driver nhận tín hiệu từ mạch vi điều khiển (Microcontroller circuit) để điều khiển động cơ AC servo Tín hiệu phản hồi

từ AC servo được gửi trực tiếp về driver nhằm điều chỉnh sai số

Phương pháp dùng vi điều khiển thường được áp dụng trong sản xuất loạt lớn và

ổn định bởi tính kinh tế cao Tuy nhiên, việc thiết kế mạch điều khiển dùng vi điều khiển

sẽ mất rất nhiều thời gian, nhất là trong trường hợp cần đồng bộ nhiều động cơ

3.1.2 Điều khiển động cơ AC servo bằng PLC

PLC hiện nay được sử dụng rất phổ biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt

là trong công nghiệp bởi độ bền và độ tin cậy rất cao Một trong những ứng dụng thường gặp của PLC đó là điều khiển động cơ

Driver

PLC

DigitalOperator

Encoder cable

Motor cable

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng PLC [16]

Ở sơ đồ hình 3.2, PLC xuất các xung tín hiệu đến driver, dùng driver để điều khiển

AC servo thông qua motor cable Tín hiệu vị trí, vận tốc từ encoder của AC servo được phản hồi về driver thông qua các dây encoder cable nhằm hiệu chỉnh sai số Digital Operator dùng để thiết lập các tham số và điều khiển driver, đồng thời hiển thị các thông

số hoạt động của hệ thống

Phương pháp dùng PLC điều khiển động cơ AC servo đặc biệt phù hợp với sản xuất công nghiệp bởi độ tin cậy cao, khả năng triển khai nhanh, có thể sản xuất với số lượng bất kì bởi tất cả các thành phần của hệ thống đều được chuẩn hóa và được tìm mua dễ dàng trên thị trường

3.1.3 Điều khiển động cơ AC servo bằng card điều khiển

Card điều khiển cùng với máy tính là một bộ điều khiển PC-based controller Card giao tiếp với máy tính thông qua cổng PCI trên mainboard của máy tính

Computer Card PCI Driver AC servo

Encoder cableMotor cable

Hình 3.3: Sơ đồ hệ thống điều khiển AC servo dùng card

Trong hệ thống dùng card điều khiển ở hình 3.3, sau khi nhận lệnh từ máy tính card xuất các xung điều khiển đến driver, thông qua đó điều khiển AC servo Tín hiệu phản hồi từ động cơ được gửi tới driver thông qua đường encoder cable

Các hệ thống dùng card điều khiển ngày càng được dùng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực bởi khả năng tương tác cao với người dùng thông qua giao diện GUI, thời gian triển khai nhanh, đồng thời giảm nhiều công sức cho việc thiết kế mạch, nhất là trong trường hợp đồng bộ nhiều động cơ

Như vậy, với yêu cầu về sự linh hoạt trong quá trình phát triển các ứng dụng, thời gian triển khai nhanh, và nhất là khả năng tương tác cao với người dùng thì phương án dùng card để điều khiển hoạt động của AC servo được lựa chọn

Với phương án dùng card điều khiển, sơ đồ nguyên lí mô tả mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống, bao gồm máy tính, card điều khiển, driver và động cơ được thể hiện trên hình 3.4

Driver Bàn máy

Hình 3.4: Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống

Những phần tiếp theo sẽ đi sâu hơn vào tìm hiểu các thành phần của hệ thống điều khiển dùng card, cũng như ghép nối các thành phần lại để tạo thành hệ thống hoàn chỉnh

3.2 Giới thiệu về động cơ

Các phần dưới đây sẽ đưa ra một cái nhìn tổng thể về động cơ AC servo, encoder

và giới thiệu về động cơ AC servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH, loại động cơ được

sử dụng trong bàn máy CNC 2D

3.2.1 Sơ lược về động cơ AC servo

Động cơ servo là loại động cơ được thiết kế để dùng trong các hệ thống vòng kín, đòi hỏi độ chính xác và độ ổn định cao Tín hiệu đầu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ hoạt động, các thông tin về vị trí, vận tốc của động cơ được hồi tiếp về mạch này Nếu vì lí do nào đó mà động cơ không thể đến được vị trí như mong đợi, thông qua hồi tiếp mà mạch điều khiển sẽ biết được và điều chỉnh sai lệch, sao cho động cơ đến được vị trí chính xác

Động cơ servo gồm có hai loại: AC servo và DC servo Cấu tạo của động cơ AC servo tương đối giống với động cơ AC thông thường, chỉ khác là động cơ AC servo có thêm encoder để lấy tín hiệu phản hồi đưa về mạch điều khiển

Hình 3.5 thể hiện cấu trúc bên trong của một loại AC servo Chuyển động quay của động cơ được tạo ra bởi sự tương tác từ trường giữa rotor (1) và stator (4) Đĩa encoder được gắn chặt với trục (2) của rotor, do đó, thông qua encoder mà bộ điều khiển

có thể biết được chính xác vị trí chính xác của trục động cơ

4- Stator 5- Encoder 6- Dây encoder 7- Dây nguồn

3.2.2 Sơ lược về encoder

Động cơ servo có thể hoạt động chính xác được là nhờ encoder giúp xác định vị trí, vận tốc quay của trục động cơ, từ đó góp phần điều khiển động cơ theo ý muốn Encoder thực chất là một loại cảm biến vị trí dùng để quản lí góc quay Encoder gồm cơ hai loại: encoder tương đối (incremental encoder) và encoder tuyệt đối (absolute encoder) Hình 3.6 thể hiện hình dạng của hai loại encoder đã nêu

a Encoder tuyệt đối b Encoder tương đối

Hình 3.6: Các loại encoder [16]

Các loại encoder đều dựa trên nguyên lí sau Encoder có một đĩa tròn được đục lỗ,

và đĩa tròn này gắn cố định, đồng trục với trục cần xác định vị trí Ở một bên của đĩa có các đèn LED chiếu lên bề mặt đĩa Khi đèn chiếu đúng lỗ trên bề mặt đĩa thì có ánh sáng

đi qua đĩa, và ngược lại, khi đèn chiếu đúng phần đĩa không có lỗ thì sẽ không có ánh sáng đi qua đĩa Phía bên còn lại so với đĩa có đặt các mắt thu, nhờ đó mà tín hiệu ánh sáng sẽ được chuyển thành tín hiệu điện Hình 3.7 thể hiện sơ đồ nguyên lí hoạt động của encoder

Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của encoder [16]

Hình 3.8: Dạng encoder tương đối được sử dụng trong thực tế [16]

Hình 3.6 b mô tả cấu trúc của đĩa encoder tương đối, trong đó, vòng lỗ ngoài cùng của encoder được dùng để đếm số xung, vòng lỗ thứ hai được dùng để xác định chiều quay của đĩa, lỗ trong cùng dùng để định vị Trên thực tế, để đơn giản các hãng sản xuất thường dùng dạng đĩa như hình 3.8, trong đó thay vì dùng tới ba vòng lỗ thì các đĩa chỉ dùng hai vòng lỗ cùng với hai đèn phát tín hiệu đặt lệch nhau

3.2.3 Giới thiệu động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH

Như đã trình bày ở chương 2, động cơ được chọn là động cơ AC servo SMH 0040-30AAK-3LKH của hãng Kinco Automation Limited Hình 3.9 biểu diễn mô hình thực tế của động cơ được sử dụng

60S-Hình 3.9: Động cơ AC servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH [17]

Bảng 3.1 liệt kê một số thông số kĩ thuật của động cơ SMH 3LKH

60S-0040-30AAK-Bảng 3.1: Một số thông số kĩ thuật của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH [18]

Tải trọng hướng kính của động cơ (N) 180

Tải trọng hướng trục của động cơ (N) 90

Moment quán tính (Kg.cm2) 0,51

Đường đặc tính cơ của động cơ SMH 60S-0040-30AAK-3LKH được thể hiện trên hình 3.10 Theo như đường đặc tính, khi tốc độ động cơ nằm trong khoảng 0-3000 rpm thì moment động cơ tạo ra thay đổi không nhiều Tuy nhiên, khi tốc độ động cơ lớn hơn

3000 rpm thì moment giảm nhanh, do đó khoảng hoạt động tốt nhất của động cơ là

Dòng tải (A) 3,1

Tín hiệu encoder Tương đối (incremental encoder)

Các chế độ điều khiển 3 (Position mode, Speed mode, Torque mode)

Hình 3.11 thể hiện các cụm chức năng của driver SMH 60S-0040-30AAK-3LKH Các cụm chức năng này có nhiệm vụ chính là giao tiếp với card PCI, cấp nguồn và điều khiển động cơ

Hình 3.11: Driver cùng các khối chức năng [18]

Nhiệm vụ cụ thể của các cụm chức năng được liệt kê ở bảng 3.3

Bảng 3.3: Nhiệm vụ của các cụm chức năng của driver [18]

Cụm X1

Cột A

Nhận nguồn ngoài 24 VDC Chứa 7 ngõ vào số

Điều khiển hoạt động của động cơ Cột B

Chứa 2 ngõ vào analog Chứa 4 ngõ ra 100 mA Điều khiển phanh hãm động cơ Cụm đèn LED Hiển thị trạng thái hoạt động/lỗi của driver

Cụm nút nhấn Thiết lập các thông số cho driver

Cụm encoder out Xuất tín hiệu encoder lên card điều khiển

Cụm encoder in Nhận tín hiệu encoder từ động cơ

Cấp nguồn cho phanh hãm động cơ

1- Cụm X1 2- Cụm đèn LED 3- Cụm nút nhấn 4- Cụm encoder out 5- Cụm encoder in 6- Cụm X2

3.4 Giới thiệu về card điều khiển

Card điều khiển được dùng trong bàn máy là card PCI-8164 của hãng Adlink Technology Incorporation (hình 3.12) Một số thông số của card được liệt kê ở bảng 3.4

Bảng 3.4: Một số thông số kĩ thuật của card điều khiển [19]

Hình 3.12: Card điều khiển PCI-8164 [19]

Card PCI-8164 giao tiếp với máy tính thông qua cổng PCI trên mainboard và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua cụm CN2

Card PCI-8164 có khả năng điều khiển động cơ servo và động cơ step Card hỗ trợ nội suy đường tròn trong mặt phẳng và đường thẳng trong không gian Mỗi một card có khả năng điều khiển 4 trục đồng thời, và trong một hệ thống có thể ghép tới 12 card để điều khiển 48 trục Ngoài ra, trên mỗi trục còn hỗ trợ các ngắt, bộ đếm (counter), các ngõ tín hiệu vào/ra… nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng

Hình 3.13 thể hiện sơ đồ các cụm chức năng của card PCI-8164 Mỗi cụm chức năng của card có nhiệm vụ được nêu trong bảng 3.5