Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho máy phay tự động ứng dụng cho phòng thí nghiệm cơ khí tại trường đại học sao đỏ

Hệ thống các bài thực hành của ngành học này cũng chưa đáp ứng được nội dung của ngành học, tất cả các bài thực hành của ngành học lấy từ hệ thống các bài thực hành của 3 khoa trong trườ

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

- TRẦN QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY TỰ ĐỘNG - ỨNG DỤNG CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CƠ KHÍ

TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

Chuyên ngành : Đo lường và Các hệ thống điều khiển

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn này do em thực hiện là hoàn toàn trung thực, các kết quả đạt được trong luận văn là hoàn toàn chính xác Tài liệu tham khảo để thực hiện luận văn này em sử dụng được ghi trong bảng tài liệu tham khảo

Em xin chịu trách nhiệm trước những lời cam đoan trên!

Em xin trân trọng cám ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển vược bậc của khoa khọc và công nghệ, đặc biệt là

sự phát triển của ngành công nghệ thông tin và điện tử Sự phát triển của hai ngành

này đã làm xuất hiện một dòng các thiết bị, sản phẩm mới Dòng các thiết bị, sản

phẩm này là sự kết hợp của ba ngành Cơ khí, Điện tử và công nghệ thông tin Các

thiết bị, sản phẩm này ngày càng được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân

dụng Máy CNC và robot công nghiệp là hai sản phẩm điển hình của dòng sản phẩm

này Sự phát triển của dòng thiết bị sản phẩm này đòi hỏi phải có một ngành kỹ

thuật mới sinh ra để nghiên cứu, phát triển các dòng thiết bị sản phẩm này Xuất

phát từ nhu cầu thực tế đó mà ngành Cơ điện tử ra đời, từ khi mới ra đời Robot

công nghiệp, các máy CNC là sản phẩm điển hình của ngành này

Ở trường Đại học Sao Đỏ ngành công nghệ Cơ điện tử đã chính thức đưa vào

nội dung đào tạo.Tuy nhiên, hiện tại chưa có một phòng thí nghiệm, hệ thống xưởng

thực hành, thực tập riêng cho ngành công nghệ Cơ điện tử Hệ thống các bài thực

hành của ngành học này cũng chưa đáp ứng được nội dung của ngành học, tất cả

các bài thực hành của ngành học lấy từ hệ thống các bài thực hành của 3 khoa trong

trường, đó là: Khoa Cơ khí, khoa Điện, và khoa Điện tử Tin học.Với sản phẩm Máy

Phay tự động của đề tài này nếu được đưa vào hệ thống các bài thực hành của ngành

học sẽ giúp các sinh viên có được một mô hình trực quan lý tưởng, đồng thời đây

cũng là mô hình để các sinh viên thực hành các bài tập về vi xử lý, điều khiển các

động cơ bước, giao tiếp máy tính

Hiện nay nhà trường đã chính thức đưa ngành học công nghệ Cơ điện tử vào

đào tạo, tuy nhiên số lượng giáo viên được đào tạo về ngành này lại rất ít Phần lớn

giáo viên giảng dạy ngành này được chuyển từ các ngành khác sang Với phạm vi

của luận văn này tôi mong rằng sẽ tiếp cận được với các kiến thức mới nhằm đáp

ứng tốt hơn cho việc giảng dạy các môn học của ngành học mới

Vì vậy tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu thiết kế bộ

điều khiển cho máy phay tự động – ứng dụng cho phòng thí nghiệm Cơ khí tại

Trường Đại học Sao Đỏ’’

Formatted: Width: 8.27", Height:

11.69"

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi những sai sót và còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thày cô giáo và các đồng nghiệp

Tác giả xin chân thành cám ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật đo

và Tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là thầy giáo

TS Nguyễn Quốc Cường đã cho những chỉ dẫn quý báu và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành đề tài tốt nghiệp này

Xin cám ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp - những người đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả làm đề tài

Hà Nội, tháng 10 năm 2010

Tác giả

Trần Quang Trung

MỤC LỤC

Trang

Lời nói đầu 1

Mục lục .3

Chương 1: Giới thiệu về hệ thống máy phay 5

1.1 Sơ lược về các hệ thống máy phay hiện nay 5

1.2 Giới thiệu về hệ thống máy phay tại Trường đại học Sao Đỏ 5

1.2.1 Rôbốt công nghiệp 5

1.2.2.Máy phay 7

1.2.3 Băng tải và hệ thống cấp phôi tự động 8

1.3 Hệ thống điều khiển của máy phay 9

Chương 2: Phân tích và thiết kế bộ điều khiển hệ thống máy phay 10

2.1 Sơ đồ khối chức năng của bộ điều khiển hệ thống máy phay 10

2.2 Giới thiệu máy phay của hệ thống 11

2.2.1 Sơ đồ khối của máy phay 11

2.2.2 Nguyên lý, cấu trúc, hoạt động của máy phay 12

2.3 Thiết kế bộ điều khiển 13

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển máy phay 13

2.3.2 Lựa chọn linh kiện và thiết bị 14

2.3.2.1 Linh kiện 14

2.3.2.2 Thiết bị 22

2.3.3 Sơ đồ nguyên lý 24

2.3.4 Sơ đồ mạch in 25

Chương 3: Thiết kế chương trình 26

3.1 Chức năng của chương trình 26

3.2 Thiết kế chương trình 27

3.2.1 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính và điều khiển động cơ 27

3.2.2 Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán và xuất dữ liệu điều khiển trên máy tính 29

Chương 4: Kết quả và thử nghiệm 33

Formatted: Right

Formatted: Right

Formatted: Right, Indent: First line:

0"

Formatted: Right Deleted: ¶

4.1 Ảnh của hệ thống máy phay 33

4.2 Mô tả thí nghiệm 33

4.2.1 Thiết lập chương trình gia công cho chi tiết 34

4.2.2 Lựa chọn các thông số khởi động 36

4.3 Ảnh mẫu sản phẩm trước và sau khi gia công 38

4.3.1 Ảnh mẫu sản phẩm trước khi gia công 38

4.3.2 Ảnh mẫu sản phẩm sau khi gia công 39

4.4 Đánh giá kết quả thu được 39

Kết luận và hướng phát triển của luận văn 40

Tài liệu tham khảo 41

Phụ lục A 42

Phụ lục B 58

Formatted: Right

Formatted: Centered, Indent: First

line: 0"

Formatted: Right

Formatted: Centered

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG MÁY PHAY

1.1 Sơ lược về các hệ thống máy phay hiện nay

Hiện nay các máy phay được sử dụng để phục vụ cho việc thực tập tay nghề của học sinh – sinh viên nghành cơ khí, cơ điện tử chủ yếu là các máy phay như máy phay FWD32, Phay đứng, Phay ngang Bộ điều khiển của các máy phay này đều sử dụng mạch rơle công tắc tơ để điều khiển cho quá trình công nghệ, rơle nhiệt để bảo

vệ quá tải Do đó bộ điều khiển cồng kềnh, làm việc với độ tin cậy, độ chính xác không cao, hiệu suất thấp Mặt khác số lượng máy phay còn hạn chế do đó để phục

vụ cho học sinh thực tập với số đông là rất khó, các thiết bị này có độ chính xác về

cơ khí và khả năng tự động hoá là thấp; chủ yếu phục vụ cho học sinh - sinh viên nghành cơ khí Ngoài ra để giúp cho học sinh - sinh viên nghành cơ điện tử hiểu rõ được về các mạch điện tử, các cơ cấu, các thiết bị có khả năng lập trình được và các

hệ thống máy phay làm việc tự động với độ tin cậy và độ chính xác cao

1 2 Giới thiệu về hệ thống máy phay tại trường ĐH Sao Đỏ

Hệ thống các máy phay hiện có tại trường như máy phay FWD32, Phay đứng, Phay ngang được sử dụng để cho học sinh thực tập vào các bài tập như: phay mặt phẳng song song (vuông góc), phay bánh răng, phay lục lăng, phay đai ốc Hệ thống các máy phay này chủ yếu để phục vụ các bài tập với mức độ đơn giản, độ chính xác không cao

Mô hình hệ thống máy phay phục vụ cho phòng thí nghiệm cơ khí tại Trường Đại học Sao Đỏ gồm:

• Một rôbốt Công nghiệp

• Một Máy phay

• Hai băng tải tất cả điều được điều khiển thông qua máy tính

1.2.1 Rôbốt Công nghiệp:

Rôbốt công nghiệp được thiết kế gồm 4 khâu động được liên kết với nhau bằng các khớp quay Các khớp quay này điều được điều khiển bằng các động cơ bước, thông qua hộp số với tỷ số truyền 1:30 và bộ truyền đai răng Các hộp số được bố trí ở

phía thân robot và thông qua bộ truyền đai răng sẽ chuyền chuyển động lên các

171.

0

Hình1.1 Sơ đồ động của robot Công nghiệp

Hình1.2 Mô hình robot Công nghiệp

1.2.2 Máy Phay:

Máy phay được thiết kế bao gồm 3 trục thẳng Các trục này đều được truyền động bằng các vítme bi và động cơ bước Động cơ trục chính của máy phay được truyền động bằng động cơ AC, trục chính có 5 dải tốc độ Phần bàn máy của máy phay được bố trí 1 đồ gá tự động, đồ gá này được thiết kế để gá đặt và kẹp chặt các phôi

có dạng trụ tròn Máy phay có khả năng gia công được các bề mặt 2D của chi tiết

Hình1.3 Mô hình máy phay 3 trục

1.2.3 Băng tải và hệ thống cấp phôi tự động:

Băng tải được truyền động bằng đai dẹt, bản 100x2mm, độ dài 960mm Bao gồm một băng tải vận chuyển phôi và một băng tải vận chuyển chi tiết đã gia công

về kho chứa sản phẩm đã gia công Băng tải vận chuyển phôi và vận chuyển chi tiết được đẫn động bằng động cơ DC, phía cuối của băng tải vận chuyển phôi trang bị một cảm biển hồng ngoại để phát hiện phôi Hệ thống cấp phôi tự động được thiết

kế theo kiển hệ thống cấp phôi trọng lực, sử dụng một động cơ DC để gạt phôi, một cảm biển hồng ngoại làm nhiêm vụ giám sát quá trình cấp phôi, khi một phôi được

cấp các phôi còn lại theo trọng lực sẽ về đúng vị trí tiếp theo

Hình1 4 Mô hình hệ thống cấp phôi và băng tải vận chuyển phôi

1.3 Hệ thống điều khiển của máy phay:

Hệ thống các máy phay như đã nêu ở trên có bộ điều khiển sử dụng mạch rơle công tắc tơ để điều khiển cho các quá trình công nghệ, rơle nhiệt để bảo vệ quá tải, cầu chì bảo vệ ngắn mạch Do đó bộ điều khiển cồng kềnh, làm việc với độ tin cậy và

độ chính xác không cao, hiệu suất và khả năng tự động hoá là thấp Để khắc phục những hạn chế trên thì việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển mới là rất cần thiết Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng vi điều khiển AVR128 kết hợp với máy tính để điều khiển cho máy phay, kết hợp với rôbốt

và hai băng tải sử dụng kết quả sẵn có của đồng nghiệp tại trường để tạo thành hệ thống máy phay linh hoạt hơn

Hệ thống điều khiển mới của máy phay gồm hai bộ phận: Máy tính và mạch điều khiển hệ thống Máy tính sẽ thực hiện quản lý toàn bộ các thiết bị của hệ thống thông qua một phần mền điều khiển và truyền tính hiện điều khiển xuống mạch điều khiển qua cổng COM Mạch điều khiển hệ thống bao gồm các khối: Khối nguồn, khối điều khiển trung tâm, Khối mạch công suất điều khiển đông cơ Mạch điều khiển nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và biến các tín hiệu này thành các tín hiệu điều khiển trực tiếp điều khiển các động cơ trong hệ thống, đồng thời mạch điều khiển cũng truyền tín hiệu của các sensor và công tác hành trình lên máy tính Quá trình truyền nhận của mạch điều khiển và máy tính thông qua cổng COM của máy tính

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

MÁY PHAY 2.1 Sơ đồ khối , chức năng của bộ điều khiển hệ thống máy phay

Hình 2.1 sơ đồ khối chức năng của hệ thống máy phay

Máy tính: Thực hiện quản lý toàn bộ các thiết bị của hệ thống thông qua một

phần mền điều khiển.Truyền tín hiện điều khiển xuống mạch điều khiển qua cổng

COM và đồng thời cũng nhận các tín hiệu từ mạch điều khiển qua cổng COM

Khối điều khiển: gồm các khối như: khối nguồn, khối điều khiển trung tâm

và khối mạch công suất

+, Khối nguồn: Biến đổi điện áp xoay chiều 220v thành điện áp một chiều 5v

và 12v cung cấp cho mạch điều khiển

+, Khối điều khiển trung tâm: Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính để điều

khiển trực tiếp các động cơ trong hệ thống, đồng thời nó truyền tín hiệu từ các

sensor và các công tắc hành trình lên máy tính Quá trình truyền - nhận giữa máy

tính và khối điều khiển được thực hiện thông qua cổng COM của máy tính

+, Khối mạch công suất: Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và khối điều

khiển trung tâm, khuếch đại tín hiệu đảm bảo đủ công suất để điều khiển các động

Khối thu thập tín hiệu: gồm các sensor và các công tắc hành trình tại các

điểm cần thu thập tín hiệu

Rôbốt công nghiệp: Thực hiện hai nhiệm vụ chính:

+, Gắp phôi từ hệ thống băng tải cấp phôi và đặt phôi vào vị trí đồ gá tự động

của máy phay rồi quay về vị trí đứng yên ban đầu

+, Gắp chi tiết đã gia công xong rồi đặt vào hệ thống băng tải vận chuyển

đến kho chứa chi tiết sau đó quay về vị trí đứng yên ban đầu

Hệ thống vận chuyển cấp phôi: gồm hai băng tải được điều khiển bởi hai

động cơ DC, thực hiện nhiệm vụ vận chuyển phôi đến nơi đã định để rôbốt gắp phôi

và vận chuyển chi tiết sau khi gia công xong về kho chứa chi tiết

Máy phay: Thực hiện kẹp chặt chi tiết trên bàn gia công và gia công chi tiết

theo yêu cầu công nghệ

2.2 Giới thiệu máy phay của hệ thống

2.2.1 Sơ đồ khối của máy phay

Hình 2.2 sơ đồ khối của máy phay

DC

phôiAC

Formatted: Centered, Tabs: 1.57",

Left

Formatted: Centered Formatted: Font color: Red Formatted: Font color: Red Deleted: Hình vẽ ?????????

Deleted: ???????????????????????

+, ĐB1 là động cơ bước thứ 1được gắn với vítme bi, DC là động cơ 1 chiều truyền động cho bàn gá và kẹp chi tiết gia công, cả 2 động cơ này chuyển động 2 chiều theo phương của trục OX

+, ĐB2 là động cơ bước thứ 2 được gắn với vítme bi truyền động cho băng máy có thể di chuyển theo hai chiều theo phương của trục OY

+, ĐB3 là động cơ bước thứ 3 được gắn với vítme bi truyền động cho bàn xe dao có thể di chuyển theo 2 chiều theo phương của trục OZ

+, AC là động cơ xoay chiều 1 pha có 5 cấp tốc độ được gắn dao phay quay theo 1 chiều cố định

2.2.2 Nguyên lý, cấu trúc, hoạt động của máy phay

Khi phát hiện đã có phôi để gia công trên bàn gá chi tiết bộ điều khiển phát tín hiệu để điều khiển động cơ một chiều DC được gắn với bộ đồ gá trên bàn gá chuyển động tịnh tiến về phía phôi theo trục OX, khi chuyển động về phía phôi đồ

gá sẽ gạt vào công tắc hành trình được bố trí trên băng máy do đó động cơ ngừng hoạt động và quá trình gá, kẹp chi tiết kết thúc Đồng thời lúc này bộ điều khiển phát tín hiệu điều khiển động cơ bước ĐB1 chuyển động tịnh tiến theo chiều ngược chiều trục OX kéo cả băng máy chứa phôi - đồ gá phôi và cùng lúc này động cơ bước ĐB2 cũng được điều khiển để chuyển động theo chiều trục OY Hai chuyển động này được diễn ra đồng thời để đưa phôi vào đúng vị trí để dao phay chuẩn bị gia công chi tiết Khi phôi đã vào đúng vị trí gia công thì hai động cơ này được điều khiển dừng, động cơ xoay chiều AC được điều khiển để truyền động cho dao phay làm việc và động cơ bước ĐB3 được truyền động để đưa dao phay xuống gia công chi tiết theo chiều sâu cắt đã đặt trước

Lúc này máy phay làm việc và gia công chi tiết theo yêu cầu công nghệ Muốn máy phay gia công đúng theo yêu cầu công nghệ thì chương trình được viết trên máy tính sẽ tính toán được tốc độ ăn dao, chiều sâu cắt của dao, đường đi của dao một cách chính xác để từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp

Trong suốt quá trình gia công chi tiết thì hai động cơ bước ĐB1 và ĐB2 luôn làm việc để di chuyển hai băng máy nhằm đưa phôi chuyển động theo các toạ độ mà

ta đã tính toán, còn động cơ ĐB3 sẽ ngừng làm việc khi dao đã ăn vào chi tiết theo chiều sâu cắt đã đặt trước Nếu hai động cơ bước ĐB1 và ĐB2 chuyển động đi vượt quá băng máy thì một trong hai công tắc hành trình được bố trí trên đó sẽ tác động dừng hệ thống và ta sẽ phải khởi động lại quá trình ban đầu

Sau khi quá trình gia công chi tiết đã xong bộ điều khiển phát tín hiệu điều khiển động cơ bước ĐB3 làm việc để đưa dao phay ra khỏi chi tiết và đưa về vị trí ban đầu , khi về đến vị trí ban đầu thì cơ bước ĐB3 ngừng làm việc còn động cơ xoay chiều AC vẫn tiếp tục làm việc Đồng thời động cơ bước ĐB1 được điều khiển làm việc để truyền động tịnh tiến theo trục OX đưa chi tiết về vị trí ban đầu khi nhận phôi thì một công tắc hành trình sẽ tác động dừng động cơ ĐB1 Khi chi tiết

đã được đưa về đúng vị trí ban đầu thì động cơ DC làm việc chuyển động theo chiều ngược lại theo chiều lúc kẹp phôi để nhả chi tiết gia công và đưa đồ gá về vị trí ban đầu Quá trình máy phay làm việc kết thúc và nó sẽ lặp lại quy trình ban đầu khi có phôi mới được đưa đến

Tất cả quy trình làm việc của máy phay ở trên đều diễn ra một cách hoàn toàn tự động và theo chương trình được người lập trình viết Do đó để đạt được những yêu cầu nêu trên thì việc thiết kế bộ điều khiển cho máy phay đòi hỏi phải chính xác về chương trình điều khiển và các linh kiện điện tử, cơ cấu chấp hành phải làm việc tốt, chính xác, ổn định

2.3 Thiết kế bộ điều khiển

2.3.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển máy phay

Hình 2.3 sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển máy phay

2.3.2 Lựa chọn linh kiện và thiết bị

Việc lựa chọn linh kiện và thiết bị phục vụ cho việc thiết kế bộ điều khiển đóng vai

trò hết sức quan trọng Nó quyết định đến các chỉ tiêu về kỹ thuật như làm việc ổn định,

an toàn, độ tin cậy, khả năng sửa chữa và thay thế mới do đó nó quyết định đến chất

lượng của bộ điều khiển Nhưng việc lựa chọn các thiết bị như thế nào để nó vừa đáp

ứng được yêu cầu kỹ thuật, vừa đảm bảo giá thành mua, thay thế, bảo dưỡng các thiết bị

không tốn kém Đó là bài toán kinh tế – kỹ thuật mà ta cần phải giải và đưa ra kết quả

hợp lý

2.3.2.1 Linh kiện:

- Vi điều khiển:

Vi điều khiển AVR do hãng Atmel ( Hoa Kì ) sản xuất được gới thiệu lần đầu năm

1996 AVR có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm dòng Tiny AVR ( như AT tiny

13, AT tiny 22…) có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR

( chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình

AVR128

Máy phay

Công tắc hành trình

Nguồn một chiều

Mạch công suất

Formatted: Centered Formatted: Font color: Red Formatted: Font color: Red Deleted: Hình vẽ ???????????

và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ) Tốc độ của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác Sự khác nhau cơ bản giữa các dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau

Chip AVR ATmega128 do hãng Atmel Hoa Kỳ sản suất với những tính năng chính như:

+ ROM : 128 Kbytes

+ SRAM: 4Kbytes

+ EEPROM : 4Kbytes

+ 64 thanh ghi I/O

+ 160 thanh ghi vào ra mở rộng

+ 32 thanh ghi đa mục đích

+ 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bit

+ Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào

+ Hai khối USART lập trình được

+ Khối truyền nhận nối tiếp SPI

+ Khối giao tiếp nối tiếp 2 dây TWI

+ Điện thế : 4.5v - 5.5v

Cấu trúc cơ bản của vi điều khiển AVR được thể hiện ở hình dưới đây:

Hình 2.4 sơ đồ cấu trúc của vi điều khiển

- Sensor hồng ngoại:

Đây là loại sensor quang sử dụng thu phát ánh sáng gần vùng hồng ngoại

Bước sóng ánh sáng sử dụng trong các sensor này cỡ 880nm Loại sensor này

có thể sử dụng để phát hiện màu đen/trắng hoặc phát hiện vật cản Khả năng thực

hiện được tuỳ thuộc vào việc thiết kế mạch

Formatted: Centered

Formatted: Font color: Red

Deleted: ¶

Hình vẽ ????

Hiện nay, trên thị trường có bán các sensor hồng ngoại đã được tích hợp sẵn các đầu thu phát trên cùng một vỏ Loại sensor này thường chỉ có 4 dây nối trong đó hai dây nguồn nuôi và một dây tín hiệu Tín hiệu lối ra thường có mức logic 0 hoặc

+ Dây nối giắc dễ dàng cho bảo dưỡng thay thế

+ Bảo vệ ngắn mạch và nối ngược cực

Ứng dụng của sensor trong hệ thống là để phát hiện phôi được cấp trên băng tải, sơ

đồ nguyên lý mạch như dưới đây:

Q204 2N1208_4

R93

10K

VCC

- Nguồn nuôi vi điều khiển:

Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp và bình ổn điện áp cho chip Nguồn nuôi chíp là 5V trong khi đó ắc quy nguồn lại là 12V, hơn nữa nguồn ắc quy thường không ổn định, vì vậy cần phải thiết kế một mạch nguồn 5V- 500mA ổn định cho chíp

Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn nuôi cho vi điều khiển sử dụng một điốt thường để tạo nguồn một chiều, IC LM2576, điốt Shockley SL474A, cuộn cảm L và một số loại

tụ như hình vẽ :

C511 104

GND

D140 SL474A

ADJ

Vout Vin

C331 107 C341 107

L1

CAM

C321 107

C2001

C

- Khối giao tiếp với máy tính PC:

Trên bo mạch trung tâm còn trang bị khối nạp chương trình cho chíp và giao tiếp

giữa vi điều khiển với máy tính Khối này có nhiệm vụ kết nối chip với máy tính,

thông qua đó các thông số điề khiển máy phay của người dùng sẽ được nạp xuống

bộ điều khiển Ở đây tôi sử dụng cổng COM và MAX 232 tạo thành mạch như hình

U2

MAX232

1 4

2

12 9 11

13 8

14 7

C1+

C2+

C94 C

C91 C

GND

- Mạch công suất điều khiển các động cơ :

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất để điều khiển các động cơ bước

Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:

Tạo các xung với những tần số khác nhau

Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ

Đầu vào của mạch điều khiển là các xung.Thành phần của mạch là các bán

dẫn, vi mạch Kích thích các phần của động cơ theo thứ tự 1-2 -3- 4 do các tranzitor

công suất thực hiện Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay

theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại

Formatted: Font: Not Bold, Italic Formatted: Font: Italic

Deleted: nạp chương trình và

Deleted: chương trình Deleted: vào chíp

Deleted: +,

Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm

quay rotor Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều

khiển được như rơle, transitor công suất Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ

bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính Với động cơ nhỏ có dòng cỡ 500

mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở như : ULN2003,

ULN2803 ( Allegro Microsystem) DS2003 (National Semiconductor), MC1413 (

Motorola) Với các động cơ lớn có dòng > 0.5A các IC họ ULN không đáp ứng

được ta có thể dùng các Tranzitor trường(IRF) Một số loại IRF thông dụng:

IRF540 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 20A

IRF640 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 18A

IRF250 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 30A

Sơ đồ mạch nguyên lý công suất để điều khiển các động cơ bước ở đây tôi sử

dụng loại tranzitor ngược IRF540 kết hợp với các linh kiện dưới đây do Trung Quốc

sản xuất với từng loại linh kiện như:

Số lượn

g

Formatted Table

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất để điều khiển động cơ xoay chiều AC

Động cơ AC được cấp nguồn trực tiếp 220V và được nối qua tiếp điểm

thường hở của công tắc tơ Để điều khiển động cơ này chỉ cần có tín hiệu từ bộ điều

khiển gửi đến cuộn dây của công tắc tơ là động cơ làm việc Điều khiển động cơ

AC chỉ là điều khiển ON – OFF

Công tắc tơ được chon để lắp cho mạch điều khiển động cơ AC do Nhật sản xuất

hãng OmRon 12VDC -10A

Formatted: Font: Italic Formatted: Justified Formatted: Font: Not Italic

Formatted: Font: Not Italic

Formatted: Font color: Red Formatted: Font: Italic, Font color:

Deleted: ¶ (!!!!!!!!!!!!! Cần giải thích một số yêu cầu của mạch điều khiển động cơ AC : ở đây chắc chỉ cần điều khiển ON/OFF???)

Q200 C1815 DAN

R400 10k

12V_IN

LS3

RELAY SPDT

3 5 4 1 2

+ CPU: Intel PentiumR Dual-core E6600

+ Mainboard: Chipset Intel G41

+ Ram: DDR3 – 2GB

+ HDD: 100GB SATA

+ VGA: Intel GMAX4500HD

- Nguồn 1 chiều: 01 bộ nguồn của máy tính PC để bàn 350W để cấp nguồn

cho mạch công suất điều khiển các động cơ bước

- Máy phay: + 03 động cơ bước do hãng SHINANO KENSHI Nhật sản xuất

với các thông số như:

Mã hiệu Độ Điện áp Dòng điện Điện trở Điện cảm

Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín

hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động

góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị

trí cần thiết Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các

tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc

quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như 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 bước thì roto (phần cảm) của

động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước 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 (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

- Công tắc hành trình(06CT): Do Nhật sản xuất hãng OmRon 500VAC -10A

Formatted Table

2.3.3 Sơ đồ mạch nguyên lý: Deleted: - Công tắc tơ(02): Do Nhật

sản xuất hãng OmRon 12VAC -10A.¶

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 3.1 Chức năng của chương trình

Xuất phát từ những phân tích ở trên ta thấy rằng muốn cho hệ thống máy phay làm việc an toàn, tin cậy, đảm bảo độ chính xác, tính thẩm mỹ của chi tiết sau khi gia công thì phần linh kiện và thiết bị phải làm việc một cách chính xác, độ ổn định cao, thời gian trễ nhỏ Ngoài ra phần chương trình điều khiển là rất quan trọng, nếu

cơ cấu chấp hành làm việc tốt nhưng phần chương trình không tốt sẽ làm cho hệ thống làm việc không chính xác do đó sẽ dẫn tới gây lỗi sản phẩm và gây thiệt hại lớn về kinh tế Do đó việc thiết kế chương trình điều khiển đòi hỏi người viết phải giải quyết tốt các bài toán về gia công chi tiết, đảm bảo độ tin cậy của chương trình Với những phân tích ở trên thì chương trình cho hệ thống máy phay cần thực hiện những chức năng sau:

- Quản lý và giám sát được toàn bộ quá trình khởi động của hệ thống

- Quản lý và giám sát, điều khiển quá trình phát hiện chi tiết cần gia công

và ra lệnh thực hiện các hành động tiếp theo

- Quản lý và giám sát, điều khiển tốt quá trình điều khiển rôbốt thực hiện hành động gắp phôi từ băng tải cấp phôi di chuyển và đặt vào vị trí bàn

gá chi tiết

- Quản lý và giám sát, điều khiển tốt quá trình kẹp chặt phôi vào vị trí bàn

gá và di chuyển tới vị trí chuẩn bị gia công phay

- Quản lý và giám sát, điều khiển tốt quá trình thực hiện gia công phay chi tiết theo chương trình người viết định sẵn

- Quản lý và giám sát, điều khiển tốt quá trình di chuyển của băng máy đưa chi tiết sau khi gia công trở về vị trí nhận phôi ban đầu

- Quản lý và giám sát, điều khiển tốt quá trình rôbốt chuyển động gắp chi tiết sau khi gia công xong từ băng máy phay di chuyển và đặt chi tiết vào băng tải vận chuyển chi tiết về kho chứa sản phẩm

- Quản lý và giám sát, điều khiển được toàn bộ quá trình làm việc của hệ

thống từ khi gia công phôi đầu tiên đến khi kết thúc ca làm việc và dừng

hệ thống

3.2 Thiết kế chương trình

Để thực hiện tốt các chức năng chính nêu trên thì người thiết kế chương trình

đưa ra phương án thiết kế

- Thiết kế chương trình cho bộ vi điều khiển dựa trên sơ đồ cấu trúc với các môđun

như sau:

- MĐ1: là môđun giao tiếp giữa máy tính PC và vi điều khiển

- MĐ2: là môđun đọc các tín hiệu từ các sensor và các công tắc hành trình

- MĐ3: là môđun đưa các tín hiệu ra điều khiển các động cơ

- Thiết kế chương trình trên máy tính PC được viết để tạo ra một giao diện đồ hoạ ,

nó phép người sử dụng vẽ các đường gia công và chương trình sẽ tự động tính toán

đưa ra toạ độ các điểm cần gia công Sau đó toàn bộ dữ liệu này được lưu trên máy

tính và xuất xuống vi điều khiển thông qua môđun giao tiếp MĐ1

3.2 1 Lưu đồ thuật toán của vi điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính và điều

khiển động cơ

Máy tính

PC

Sensor và công tắc hành trình

Điều khiển động cơ

MĐ2

VĐK

Deleted: 2

Start

NhËn d÷ liÖu cæng Com

ChiÒu1 = chiªu1(j) Sèb−íc1 = TH1*256+TL1 TH0 = TH_time1(j) TL0 = TL_time1(j) ChiÒu2 = chiªu2(j) Sèb−íc2 = TH2*256+TL2 TH1 = TH_time2(j) TL1 = TL_time2(j) ChiÒu3 = chiªu3(j) Sèb−íc3 = TH3*256+TL3 TH0 = TH_time3(j) TL0 = TL_time3(j)

Giải thích sơ đồ

Vi điều khiển sẽ nhận dữ liệu từ cổng Com của máy tính rồi xử lý dữ liệu này để

điều khiển các động cơ tương ứng Cụ thể như sau:

Các byte liên quan về số bước sẽ được ghép lại, còn các byte liên quan tới thời gian

quay mỗi bước sẽ được gán vào giá trị byte cao và byte thấp của bộ định thời

Time1, Time3 của vi điều khiển Sau đó sẽ khởi tạo (init) và cho phép ngắt các bộ

định thời Trong chương trình chính sẽ kiểm tra xem cả 3 động cơ đã xong chưa nếu

chưa thì quay lại kiểm tra tiếp Trong chương trình con phục vụ ngắt sẽ làm nhiệm

vụ dịch chuyển động cơ quay một bước theo chiều(j) và giảm số bước đi 1 Nếu

động cơ nào làm việc xong thì chương trình sẽ cấm ngắt Timer tương ứng với động

cơ đó còn nếu cả ba động cơ đã xong thì quay lại nhận dữ liệu mới từ cổng Com

3.2 2 Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán và xuất dữ liệu điều khiển

trên máy tính

Deleted: 1

)1()()

Start

0)( >=

) ( 1 ) ( ) ( 1 _

j step j X j step

ChiÒu1(j)=0

) ( 1 ) ( ) ( 1 _

j step j X j step

0)( >=

∆Y j

ChiÒu2(j)=1

) ( 2 ) ( ) ( 2 _

j step j Y j step

ChiÒu2(j)=0

) ( 2 ) ( ) ( 2 _

j step j Y j step

0)( >=

) ( 3 ) ( ) ( 3

j step

j j

j step

j j

j step m j step time

Speed j step m

j step m j step time

Speed j step time

* ) ( 3 _ ) ( 1 _ ) ( 3 _

* ) ( 2 _ ) ( 1 _ ) ( 2 _

) ( 1 _

=

=

=

Speed j step m

j step m j step time

Speed j step m

j step m j step time

Speed j step time

* ) ( 3 _ ) ( 2 _ ) ( 3 _

* ) ( 1 _ ) ( 2 _ ) ( 1 _

) ( 2 _

=

=

=

Speed j step m

j step m j step time

Speed j step m

j step m j step time

Speed j step time

* ) ( 2 _ ) ( 3 _ ) ( 2 _

* ) ( 1 _ ) ( 3 _ ) ( 1 _

) ( 3 _

TH2(j) = round( m_step2(j)/256)¶ TL2(j) = rem(m_step2(j)/256)¶ TH_time2(j) = round(time_step2(j)/256)¶ TL_time2(j) = rem(time_step2(j)/256)¶ ChiÒu3(j) = chiÒu3(j)¶

TH3(j) = round( m_step3(j)/256)¶ TL3(j) = rem(m_step3(j)/256)¶ TH_time3(j) = round(time_step3(j)/256)¶ TL_time3(j) = rem(time_step3(j)/256)¶

Deleted: NhËn d÷ liÖu cæng Com

Giải thích sơ đồ

Từ toạ độ (x M,y M,z M) Là toạ độ của các điểm gia công, các tọa độ này được lấy từ

chương trình gia công chi tiết Để dao gia chuyển động từ điểm có toạ độ

(x M(j−1 ),y M(j−1 ),z M(j−1 )) đến (x M j),y M j),z M j)) thì mỗi trục X,Y,Z phải di chuyển một

khoảng là

)1()()

)1()()

)1()()(j =Z j −Z j−

Z

Căn cứ vào giá trị thay đổi của các biến khớp mà ta có thể biết được chiều quay

(chiều1(j), chiều2(j), chiều3(j)), số bước cần quay (m_step1(j), m_step2(j),

m_step3(j)), tương ứng với mỗi động cơ của ba khớp Khi biết được số bước cần

quay của các động cơ ta sẽ xác định được thời gian quay mỗi bước của các động cơ

tương ứng là time_step1(j), time_step2(j) và time_step3(j) Các giá trị số bước và

thời gian mỗi bước đôi khi lớn hơn 256 nên 1 byte 8 bit sẽ không đủ, vì vậy ta phải

chia mỗi giá trị này thành 2 byte tương ứng Kết quả là ta có được một khung dữ

liệu 15 byte về các thông số của các động cơ để truyền xuống thiết bị ngoại vi thông

qua cổng Com

Formatted: Font color: Red

Formatted: Portuguese (Brazil)

Formatted: Portuguese (Brazil)

Deleted: Cổng com “ là một thao tác

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THỬ NGHIỆM 4.1 Ảnh của hệ thống máy phay

Hình 4.1.Ảnh hệ thống máy phay

4.2 Mô tả thí nghiệm.

Thí nghiệm được thực hiện với phôi bằng gỗ dạng trụ tròn và tiến hành phay

theo chương trình tạo chữ T trên bề mặt phôi gỗ Trình tự được thực hiện như sau:

Rôbốt công nghiệp Máy phay

Băng tải

Formatted: Font color: Red

Formatted: Indent: First line: 0"

Deleted: Hình vẽ hiện thị phôi gia công Deleted: Hình vẽ hiện thị phôi gia công

Deleted: Hình vẽ hiện thị phôi gia công

Deleted: ¶ Chỉ ra tên từng thiết bị trong ảnh

Để khởi động hệ thống trước hết khởi động phần mềm điều khiển hệ thống trên máy tính

4.2.1 Thiết lập chương trình gia công cho chi tiết

Hình 4.2.Giao diện chính của phần mềm điều khiển hệ thống máy phay

Trên phần mền điều khiển hệ thống áp vào menu control CNC sau đó và kích đúp vào menu draw một của số sẽ hiện ra của sổ draw Trên của số này chương cho phép nhập tọa độ của các điểm gia công của các điểm gia công bằng

cách nhấp chuột trên hình vẽ phôi trong của sổ Trong của số này cũng cho phép chọn chiều sâu hạ dao của máy phay

Hình 4.3.Cửa sổ thiết kế chương trình gia công

Sau khi thực hiện việc chọn các điểm cần gia công để hiện thị đường chạy

dao của máy ấn vào phím 'Delete Data' để thực hiện xóa dữ liệu của chương trình

gia công trước đó, sau đó ấn phím 'Xem' sẽ hiện ra đường gia công của dao trên

phôi đồng thời dữ liệu mới của chương trình gia công được lưu lại trong thư mục

data của phần mềm Khi đã thiết lập chương trình gia công xong ấp vào phím "Exit'

sẽ thoát khỏi của sổ Draw và trở về với của sổ chính của chương trình

phôi gia công

Điểm gia công

Chiều cao

hạ dao

Deleted: iện

Hình 4.4.Đường ăn giao mô phỏng

4.2.2 Lựa chọn các thông số khởi động

Khi trở lại của sổ chính của chương trình chon số phôi cần gia công bằng việc điền vào textbox có nhãn "so phoi", tiếp theo ta chọn các thông số tấc độ chạy khong và tất độ ăn dao vào lần lượt các textbox có nhãn "toc do chay khong" va

"toc do chay dao" Tiếp theo ta ấp vào phím "Refresh" của của sổ chương trình sẽ cho phép chương trình tham chiếu đến dữ liệu mới của chương trình gia công Sau đó ấn phím "Apply" và phím"Run" hệ thống bắt đầu khởi động

công của dao

Hình 4.5.Lựa chọn các thông số khởi động hệ thống

Khi khởi động hệ thống phần mền sẽ nhận dữ liệu của chương trình gia công, các thông số công nghệ sau đó tính toán chuyển động chạy dao, các góc quay tại các khớp động của robot công nghiệp sau đó truyền kết quả tính toán xuống bộ điều khiển qua cổng COM của máy tính, đồng thời phần mền cũng nhận dữ liệu từ mạch điều khiển thông qua cổng COM, quá trình truyền nhận này diễn ra liên tục trong suốt quá trình làm việc của hệ thống

Khi kích hoạt chương trình điều khiển, động cơ gạt phôi của hệ thống cấp phôi tự động thực hiện quá trình gạt phôi, khi một phôi được đưa tới băng tải vận chuyển phôi, sensor hồng ngoại sẽ gửi tín hiệu tới hệ thống điều khiển để điều khiển dừng động cơ gạt phôi Phôi sau khi được đưa tới băng tải vận chuyển phôi, sẽ được vận chuyển về cuối của băng tải này, khi phôi đã vào đúng vị trí thì một sensor hồng ngoại sẽ gửi tín hiệu tới hệ thống điều khiển để thực hiện dừng băng tải cấp phôi và robot công nghiệp thực hiện quá trình gắp phôi và đặt phôi vào đồ gá tự động trên máy phay Sau khi đồ gá tự động thực hiện quá trình định vị và kẹp chặt phôi, máy phay thực hiện quá trình gia công theo chương trình đã được thiết lập trước Khi gia công xong bàn máy của máy phay di chuyển về vị trí nhận phôi ban đầu và thực hiện quá trình nhả phôi Khi quá trình nhả phôi kết thúc robot công nghiệp sẽ thực hiện quá trình gắp chi tiết đã gia công và đặt và băng tải vận chuyển chi tiết, băng

Chọn cổng kết nối

tải này sẽ vận chuyển phôi về kho chứa chi tiết Kết thúc gia công chi tiết, hệ thống

chờ gia công phôi đến tiếp theo

4.3 Ảnh mẫu sản phẩm trước và sau khi gia công

4.3.1 Ảnh mẫu sản phẩm trước khi gia công

Formatted: Centered