Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chương trình số đã cho ra đời các hệ thống máy công cụ CNC mở ra bước phát triển mới cho gia công cơ khí, c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguyễn hữu định

Nghiên cứu Thiết kế máy đột dập cnc

Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ngành: công nghệ cơ khí

hướng dẫn khoa học: pgs.ts phạm văn nghệ

HÀ NỘI - 2010

Lời cảm ơn

Trước tiên tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS TS PHạM

trình làm luận văn

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

Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010

Nguyễn Hữu Định

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan r»ng nh÷ng néi dung trong luËn v¨n nµy lµ trung thùc

vµ lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña t«i

Hµ néi, ngµy 20 th¸ng 10 n¨m 2010

NguyÔn H÷u §Þnh

Lời nói đầu

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

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

động nhất là trong môi trường độc hại, thay thế các động tác đơn thuần, lặp lại của con người

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

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

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

- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu

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

- Tiết kiệm năng lượng: PLC tiêu thụ năng lượng ở mức rất thấp, ít hơn

tất cả các máy tính thông thường

- Giá thành thấp: Một PLC giá tương đương cỡ 5 đến 10 rơ le, nhưng nó

có khả năng thay thế hàng trăm rơ le

- Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Các vỏ của PLC được

làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ,

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

- Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống

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

- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ

đồ thang, tương tự như sơ đồ đấu dây của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của PLC có thể thay đổi

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

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

tổng hợp được một khối lượng kiến thức nhất định Nghiên cứu thiết kế máy

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

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

Rất mong được sự góp ý của thầy, cô và các bạn!

Tôi xin trân thành cảm ơn !

MỤC lục

Chương1: Nghiên cứu lý thuyết cơ bản về máy công cụ

điều khiển theo chương trình số

16

1.1.1 Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ máy công cụ điều khiển

theo chương trình số 16

1.1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC 18

1.1.3 Kết luận và yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với máy công cụ CNC 20

1.2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc 21 Sơ đồ hệ thống 21

1.2.1 Phân tích hệ điều khiển 21

1.2.1.1 Khối máy tính 21

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS232 21

1.2.1.3 Khối mạch MCU……… 21

1.2.1.4 Khối mạch logic và mạch công suất 21

1.2.1.5 Khối cảm biến 21

1.2.2 Khối máy tính……… 22

1.2.3.1 Giới thiệu về các giao tiếp 27

1.2.5.4 Hoạt động Timer của 8051 và các thanh ghi SFR của Timer 44

1.3.1

Chương 3: phân tích tính toán thông số kỹ thuật của

hệ thống thay chày cối

75

Chương 4: Hệ thống điều khiển máy đột dập

90

4.2 Thông số của các thiết bị trong hệ thống truyền động và điều

4.4 FM Stepdriver 95

4.6 KÕt nèi modul ®iÒu khiÓn vÞ trÝ EM253 víi c«ng t¾c hµnh tr×nh

giíi h¹n vÞ trÝ

98

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

Bộ nhớ chỉ đọc : Bộ nhớ điện tử mà nội dung của nó cho phép người sử dụng đọc thường xuyên nhưng không thay đổi được

Bộ nhớ đọc – viết : Bộ nhớ điện tử mà người sử dụng có thể thường xuyên đưa vào hay gọi ra các thông tin bất kỳ

bày các kí tự số và chữ cái

một tinh thể bán dẫn đơn chứ (chip)

MOSFET

Metal Ocid

Semiconductor Field

Efect Transitor

Tranzito trường silic oxit kim loại

read-only memory

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

Danh mục các bảng, các hình vẽ đồ thị

Số bảng, hình

Hình 1.1 Sơ đồ xử lý thông tin trong máy công cụ điều khiển số

a- Đường tác dụng kín; b- Đường tác dụng hở

Hình 2.7 Vòng lặp phản hồi vị trí

Hình 2.8 Thiết bị thu tín hiệu phản hồi

Hình 3.11 Hệ thống điều khiển trục chính

Hình 3.16 Đồ thị biểu diễn năng lượng tiêu hao

Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn năng lượng tiêu hao giữa chế độ chờ và trong

khi vận hành Hình 3.18 Vị trí điều khiển trục chính

Hình 4.13 Sơ đồ kết nối FM Stepdriver với động cơ bước

Hình 4.14 Sơ đồ kết nối EM253 với công tác hành trình giới hạn vị trí

phần mở đầu

I lý do chọn đề tài

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

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

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

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

Trong rất nhiều các loại máy CNC để phục vụ cho ngành công nghiệp

chế tạo máy thì tôi quyết định chọn đề tài “ Nghiên cứu thiết kế máy đột dập

CNC”

ii mục tiêu nghiên cứu

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

iii đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sản phẩm, các cụm chi tiết của máy, vận hành và tháo lắp

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

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

tế về sau

iv ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

ý nghĩa khoa học

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

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

ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn như sau:

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

tiêu sản xuất đặt ra

- Cung cấp giải pháp truyền động, đo lường và hệ thống bàn đỡ

phôi hiệu quả nhất

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

tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất

- Giảm được chi phí đầu tư cho doanh nghiệp mà vẫn đảm bảo

được năng suất và chất lượng sản phẩm

Chương 1:

Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về máy công cụ

điều khiển theo chương trình số

1 1 tổng quan về máy CNC

1.1 1 Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ máy công cụ điều khiển theo chương

trình số

Máy điều khiển theo chương trình số gồm hai khối chính là máy công cụ thực

hiện chức năng gia công cơ và hệ thống điều khiển số Quá trình phát triển của bộ

phận điều khiển số đã tạo ra những thế hệ máy công cụ ngày càng phát triển

• NC (Numerical Control)

Điều khiển máy công cụ theo chương trình số, thông tin được ghi lại trong

chương trình điều khiển bằng ký tự là con số, chữ cái hay các ký tự đặc trưng khác

Vật mang tin đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số, nó chứa đựng

những thông tin hình học và công nghệ của quá trình gia công ở dạng mã hoá Vật

mang tin truyền thông tin điều khiển của chương trình làm việc, bởi vậy cần có mật

độ thông tin lớn đảm bảo mang được lượng thông tin cực đại mà tốn ít năng lượng

nhất

Đầu tiên máy NC dùng băng đục lỗ có dung lượng 15 bit/cm2 Với dung lượng

này lượng thông tin chưa đáp ứng được, ngoài ra còn có một số điểm yếu như độ bền

kém, dễ hư hỏng, hạn chế về độ tin cậy, khi cần sửa chữa hay thay đổi phải làm lại

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

bằng băng từ với dung lượng1250 bit/cm2 Băng từ có dung lượng khá lớn nhưng lại

dễ nhiễm bẩn và dễ bị xoá Nhìn chung hệ thống điều khiển các khối chức năng vẫn

dùng các mạch logic nối cứng trong từng block Chúng phải liên hệ trực tiếp với các

kết cấu điều khiển tương tự như van từ, role, công tắc ngắt Phần điều khiển còn

tách rời với xử lý do đó kích thước máy cồng kềnh, độ tin cậy thấp do còn ảnh

hưởng của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, rung động cơ học ) Dần dần hệ thống điều

khiển NC được thay thế bằng hệ thống điều khiển CNC

• CNC (Computerize Numerical Control)

Hệ thống điều khiển số với sự cài đặt nội tại cụm vi xử lý (àp) trực tiếp vận

hành xử lý số và điều khiển Với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin và máy

tính, hệ thống máy CNC ra đời trên cơ sở máy NC Sự tiến bộ của CNC là có sự can

thiệp trực tiếp của cụm vi xử lý mà không dùng liên hệ logic ghép cứng như NC

Các chức năng điều khiển và quá trình xử lý tính toán được các cụm vi tính toán

đảm nhiệm từng phần hoặc toàn bộ Một chương trình hệ thống CNC được cài đặt

sẵn trong máy tính, thông qua các phần mềm hệ thống như chương trình giải mã hệ

điều hành Chương trình mà các chức năng CNC riêng lẻ sẽ được thực hiện Vật

mang tin trong thế hệ máy CNC có thể là đĩa từ, đĩa compact hay sử dụng các bộ

nhớ của máy vi tính ngoại vi

• DNC (Direct Numerical Conrtol)

Hệ thống điều khiển số phân phối từ một máy tính duy trì dữ liệu các chương

trình NC và phân phối chúng tới từng máy công cụ riêng lẻ trong nhóm máy CNC để

đáp ứng nhu cầu của các đơn vị điều khiển máy thông qua một mạng liên kết giao

tiếp cục bộ Hệ thống điều khiển DNC là một máy tính điều khiển lưu trữ và lập các

chương trình hoạt động, nó như thư viện chương trình cung cấp thông tin cho nhiều

máy CNC riêng biệt Hệ thống này có ưu điểm là truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát

huy tốt khả năng của máy công cụ điều khiển số Nhược điểm là toàn bộ hoạt động

của hệ thống phụ thuộc vào tình trạng làm việc của trung tâm điều khiển Mọi trục

trặc của máy tính chủ đều kéo theo sự ngưng trệ của cả hệ thống

• FMS (Flexible Manufacturing System)

Hệ thống gia công linh hoạt, có khả năng gia công các chi tiết khác nhau trong

một họ chi tiết với số lượng và thứ tự gia công tuỳ ý, dù trong điều khiển gia công

nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế Mọi hệ thống gia công linh hoạt gồm có một hoặc

nhiều trung tâm gia công CNC, các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ, máy

tính của hệ điều khiển trung tâm là thiết bị chỉ huy Đối với hệ thống gia công linh

hoạt làm việc tự động không cần người vận hành cần phải thêm các thiết bị theo dõi

và đo lường tự động trên máy

Trong phạm vi đề án dưới đây chỉ xin trình bày những vấn đề đi sâu nghiên

cứu về máy công cụ CNC Hệ máy bây giờ có màn hình hiển thị có độ phân giải cao,

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

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

cụ, những thiết bị cồng kềnh được thay thế bởi những mạch vi điện tử có kích thước

nhỏ gọn và công năng tác dụng lớn gắn liền trong cấu trúc của máy

1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC

Điều khiển theo chương trình số là phương pháp tự động điều hành máy công

cụ thông qua các dữ liệu ở dạng mã “Chữ cái + con số và các ký tự đặc trưng” Đó là

con đường can thiệp sâu và trực tiếp của các quá trình xử lý thông tin trong hoạt

động sản xuất trên cơ sở ứng dụng tin học Đây là phương pháp tự động hoá các

chức năng của máy với tính linh hoạt cao thể hiện ở sự thích ứng dễ dàng với các

việc gia công khác nhau

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

chương trình gia công được thiết lập gồm từng bước chương trình kế tiếp nhau Chương trình được số hoá và ghi vào vật mang tin bởi một “Cốt mã” tương thích,

quá trình trên được gọi là xử lý số ngoài máy tiếp theo là quá trình số bên trong Các

dữ liệu ghi trên vật mang tin được bộ đọc tiếp nhận phân phối các hệ lệnh (tạo hình

và công nghệ) đến các bộ xử lý tương ứng sau quá trình nội suy thông tin được

chuyển đổi sang tín hiệu tương tự, đóng vai trò là giá trị cần của vị trí bàn máy

(trong hệ lệnh về hướng chuyển dịch)

Kết quả so sánh giá trị “Cần- Thực” đưa ra lượng sai khác ∆cC và trở thành tín

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

khi chênh lệch gặp giá trị “Cần- Thực” bằng 0, lúc đó vị trí các cơ cấu chấp hành

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

động ngừng lại

a- Đường tác dụng kín b- Đường tác dụng hở

Hình1.1 : Sơ đồ xử lý thông tin trong máy công cụ điều khiển số

Quá trình trên thực hiện theo nguyên tắc đường tác dụng kín (thể hiện trên

hình 1.2.a) Hệ điều khiển số còn điều khiển theo nguyên tắc đường tác dụng hở,

trong đó nguồn truyền động chủ yếu dùng động cơ bước ở đây thông tin được

chuyển thẳng đến hệ tuyền động thông qua cụm điều khiển, đóng vai trò là giá trị

cần khi kết thúc chuyển động được ngay kết quả không cần so sánh với giá trị thực

Bản vẽLập trình

Đối với hệ lệnh đóng ngắt quá trình cũng diễn ra tương tự, chúng được ghi nhớ và

truyền đạt đến các khâu điều chỉnh với chu kỳ làm việc thích hợp

1.3 Kết luận và yêu cầu cơ bản đối với máy công cụ CNC

Máy công cụ điều khiển theo chương trình số là bước phát triển lớn trong lĩnh

vực tự động hoá ngành chế tạo máy, nó tạo ra những khả năng đặc biệt và có những

ưu điểm vượt trội so với máy công cụ vạn năng thông thường Máy cho phép cắt với

tốc độ lớn, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động nên năng suất rất

cao Tính linh hoạt của máy thể hiện rõ trên cơ sở việc thay đồi đơn giản và có thể

thực hiện ở máy Máy gia công với độ chính xác cao do nguyên tắc điều khiển theo

chương trình số đảm bảo độ chính xác lặp lại, đặc biệt máy có khả năng khai thác

tối đa các chế độ cắt tối ưu cũng như các ứng dụng tiên tiến của kỹ thuật kiểm tra

tích cực

Với những trung tâm gia công CNC tính tập trung nguyên công rất cao, có

thể gia công một số lượng lớn các bề mặt chi tiết mà không phải thay đổi vị trí hoặc

gá đặt

Để đảm bảo phát huy các ưu điểm trên, máy công cụ CNC phải có độ cứng

vững cao và độ tin cậy cao, truyền được mô men cắt và các vị trí số điều khiển tới cơ

cấu công tác một cách nhanh chóng chính xác vơí năng lượng tiêu hao ít nhất Do

vậy kết cấu của máy phải có những yêu cầu sau:

• Hệ thống truyền động chạy dao phải có những khe hở nhỏ nhất tới mức có

thể Muốn vậy xích chạy dao phải càng ngắn càng tốt Dùng những cơ cấu truyền

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

hở trong bộ truyền

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

độ rộng, truyền được tải trộng lớn và giảm mô men quán tính chi tiết chuyển động

1.2 nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc

* Thu thập dữ liệu gia công từ người vận hành

* Lưu trữ, xử lí dữ liệu và nội suy

* Truyền dữ liệu ra giao tiếp nối tiếp RS 232

* Mô phỏng chuyển động của bàn máy và đầu búa

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

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS 232:

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

máy tính thành mức logic của MCU

2 Động cơ Bước (X , Y)

1.2.1.3 Khối MCU:

MCU : Micro Controller Unit Khối điều khiển chính

Nhiệm vụ:

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

* Tùy theo dữ liệu gia công MCU điều khiển khối mạch logic và mạch công

suất thực thi đúng theo dữ liệu gia công

* Đọc dữ liệu số từ sensor trong quá trình gia công thì đọc dữ liệu từ các

sensor để biết vị trí của bàn máy của đầu búa và từ đó điều khiển đầu búa, bàn máy

chạy, nhả hay phanh

*Truyền dữ liệu phản hồi về máy tính để kiểm tra, xử lí để phối hợp nhịp

nhàng các chuyển động của máy

1.2.1.4 Khối mạch logic và mạch công suất:

Nhiệm vụ:

* Chịu điều khiển của khối MCU

* Điều khiển 2 động cơ bước quay số bước góc xác định

1.2.1.5 Khối cảm biến:

* Sensor:

Xác định vị trí của trục X, trục Y, hành trình của đầu búa Truyền vào MCU,

MCU truyền vào máy tính để xử lí

1.2.2 Khối máy tính:

1.2.21 Giới thiệu:

Khối máy tính đươc lập trình bằng Visual Basic 6.0 trong bộ Visual Studio 6.0

của Microsoft VB là một ngôn ngữ bậc cao, mạnh, đa phương diện, được sử dụng

rất rộng dãi từ hệ quản trị cơ sỏ dữ liệu, các ứng dụng của Internet, các hệ nhúng

hay ngay cả trong điều khiển nó cũng tỏ ra có thế mạnh

1.2.2.2 Ưu điểm của VB :

- Có thể tạo được giao diện window một cách đơn giản, nhanh chóng

- Đặc biệt là cấu trúc câu lệnh của VB rất gần với ngôn ngữ con người nên khi lập

trình các thuật toán được giải quyết khá dễ dàng

Do ngôn ngữ này khá phổ biến,cấu trúc lệnh đơn giản, thủ thuật lập trình có thể

tham khảo ở rất nhiều tài liệu và giới hạn về thời gian của đề tài cho nên xin không

giới thiệu về Visual Basic mà xin đưa ra các thuật toán của khối máy tính

1.2.2.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán:

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

dX được nhập vào từ giao diện

- α là góc giữa đường thẳng chứa các điểm cần gia công với trục X- được nhập

tư giao diện

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

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

lưu trữ Data(n) … Data(n+5)

- Các biến DeltaX và DeltaY lưu giá trị là khoảng cách giữa các điểm cần gia

công theo phương X và Y

- Do động cơ bước mỗi bước là 0,90 nên quay 1 vòng 360 độ mất 400 bước

- T là bước vít (mm) với đường kính vít me là 12 mm theo tiêu chuẩn T = 4 mm

- Một số nguyên Integer được lưu trữ bằng 16 byte Dữ liệu truyền chỉ được 8

byte một lần Số xung được lưu trong Data(n) phải được chia đôi ra làm byte thấp và

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

Data(n) cho 256 = 28 (1 byte= 8 bit) lấy phần nguyên bỏ phần dư Lấy byte thấp

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

1.2.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính:

Nội suy điểm:

Lấy chiềuDeltaX >0

Đọc dữ liệu từ giao diện

Đếm=1DeltaX=Xđiểmkế –XbànmáyDeltaY=Yđiểmkế –Ybànmáy

Néi suy ®−êng th¼ng:

LÊy byte caoData(n+1) =| DeltaX|*400\(T*256)

LÊy byte thÊpData(n+2)= Int(| DeltaX|*400 /(T) –Data(n+1)*28)

TruyÒn Data(0) Data(n) ra COM1

Néi suy ®iÓm

®iÓm ®Çu tiªn

§óngSai

Hình1.5 : Sơ đồ thuật toán nội suy mảng

Nội suy điểm đầu tiên

Đếm y=0

Đếm x=0 Tăng y=y+1

Tăng x=x+1

DeltaX= dXDeltaY= dY

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

ChiềuX: Data(x)=x%2Byte cao: Data(x+1) = (DeltaX*400)\(T*28) Byte thấp:Data(x+2) = (DeltaX*400)\(T)-Data(x+1)*28

Data(6*y +1) = 0 Data(6*y +2) = 0Data(6*y +3) = 0 Data(6*y +4) = 1 Data(6*y +1) = (DeltaY*400)\(T*28) Data(6*y +1) =(DeltaY*400)\(T)-Data(x+1)*28

y = số

điểm dọc

x = số

điểm ngang

Truyền ra cổng COM

1.2.3 Khối giao tiếp với máy tính:

1.2.3.1 Giới thiệu về các giao tiếp:

* Việc giao tiếp giữa máy tính và MCU có thể dùng nhiều phương pháp Như

dùng cổng song song, giao tiếp USB, cổng nối tiếp

* Dùng cổng song song thì 8 bit truyền 1 lúc nhưng chỉ dùng với khoảng cách

ngắn do dễ bị nhiễu hơn nữa cáp truyền phải dùng nhiều dây Trong khi truyền bằng

cổng nối tiếp thì không bị nhiễu, khoảng cách truyền xa, cáp nhỏ gọn

* Đối với giao tiếp qua cổng nối tiếp (cổng COM) thì giao diện RS232 là phổ

biến và thường dùng cổng COM 1 Giao tiếp bằng cổng nối tiếp thì dữ liệu được

truyền từng bit nối tiếp nhau trên một đường truyền dẫn Dữ liệu được truyền

dưới dạng mã ASCII

1.2.3.2 Giới thiệu về cổng COM:

Các chân của cổng COM như sau:

RI

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

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

Data Set Ready Request to Send Clear to Send Ring Indicator

Việc truyền và nhận dữ liệu thông qua hai chân TxD và RxD Các chân còn lại

của cổng COM không phải ứng dụng nào cũng dùng đến Tín hiệu số từ cổng COM

ở mức +12 V và -12V không tương thích với điện áp TTL (0V và 5V) cho các IC ở

các mạch điện tử do đó phải dùng IC MAX 232 của hãng MAXIM để chuyển đổi

Giao diện nối tiếp này có thể đạt được khoảng cách 20m

T1IN T2IN

5V

+ C4 10uF/50V

Noi voi khoi MCU

+

C3 10uF/50V

Khoi giao tiep Serial RS232

C6 104

TxD

+ C2 10uF/50V

4 8

3 7

2 6

1

1.2.4 KhốI ĐộNG CƠ & MạCH CÔNG SUấT

Trong các hệ điều khiển thực tế thường dùng hai loại động cơ bước và động cơ

Servo Máy đột dập CNC CP1250 của hãng TAIFT ĐàI Loan sử dụng động cơ

Servo, do tính chất và mạch điều khiển đắt tiền và hạn chế tính thực tế của đề tài cho

nên khi thiết kế hệ điều khiển ta dùng động cơ bước Hơn nữa, động cơ bước có rất

nhiều ưu điểm: động cơ bước điều khiển đơn giản, có thể được dùng trong hệ thống

điều khiển vòng hở Khi không bị quá tải, động cơ bước đảm bảo điều khiển chính

xác vị trí

1.2.4.1 Giới thiệu về động cơ bước

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

hiệu điều khiển dưới dạng các xung kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay

các và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết Động cơ 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

Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các góc bước trong khoảng 0,45 o

ữ 15 o tùy theo mục đích sử dụng Trong đó thông dụng nhất là loại động cơ bước

có góc bước 1,8 o(ứng với 200 bước trong một vòng quay 360 o )

1.2.4.2 Lợi ích của việc dùng động cơ bước:

* Không có chổi than: không gây ra hiện tượng đánh lửa ở chổi than nên không

gây nhiễu do tải và an toàn trong các môi trường nhạy cảm

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

do sự hãm lại của từ trường rotor

* Dùng trong hệ điều khiển hở: đây là lợi thế nhất của động cơ bước, không cần

phản hồi vì ví trí của động cơ do ta điều khiển

* Độc lập với tải: trong vùng tải mà động cơ bước chịu được thì đặc tính của động

cơ không phụ thuộc vào tải, tốc độ quay, số bước ặ vị trí không bị ảnh hưởng

Trong trường hợp quá tải thì động cơ bị trượt

1.2.4.3 Cấu tạo và phân loại động cơ bước

Phân loại động cơ bước:

• Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu

• Động cơ bước kiểu từ trở

• Động cơ bước hỗn hợp của hai loại trên

Cấu tạo của các loại động cơ bước:

• Loại có rotor là nam châm vĩnh cửu

Động cơ này có góc bước thay đổi từ 0,90 ữ 450 trong chế độ điều khiển bước đủ,

tốc độ vừa phải nhưng có momen khá lớn, mômen hãm từ 0,5 ữ 25 Ncm, tần số

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

Hình1.8 : Cấu tạo lõi động cơ bước

Động cơ đơn cực: cấu tạo có 6 đầu ra như hình vẽ Các đầu 1 và 2 được nối với +

nguồn, các đầu còn lại là các pha điều khiển tùy nó âm hay dương thì động cơ sẽ

quay tương ứng

Tín hiệu điều khiển như sau:

Điều khiển đủ bước: Điều khiển 1 pha

Vector 1a 1000100010001000100010001 Vector 1b 0010001000100010001000100 Vector 2a 0100010001000100010001000

Vector 2b 0001000100010001000100010 Hoặc: Điều khiển 2 pha

Vector 1a 1100110011001100110011001 Vector 1b 0011001100110011001100110 Vector 2a 0110011001100110011001100 Vector 2b 1001100110011001100110011

Điều khiển nửa bước Vector 1a 11000001110000011100000111 Vector 1b 00011100000111000001110000 Vector 2a 01110000011100000111000001 Vector 2b 00000111000001110000011100

Động cơ lưỡng cực: có 4 đầu ra, ít đầu ra nhưng điều khiển hơi phức tạp do phải

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

giới hạn từ 1,80 ữ 300 trong chế độ điều khiển bước đủ, mômen hãm từ 1 ữ 50 Ncm,

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

Có 3 cuộn dây được đấu chung một đầu lên nguồn Ba đầu còn lại là 3 pha điều

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

đối diện nhau Khi cho cực 1 thông đất rotor sẽ quay để thẳng góc với cực 1 của

Stator như hình vẽ Cắt điện cuộn 1, cho cuộn 2 thông đất rotor sẽ quay tiếp răng

sau (Y) thẳng với cực hai Như vậy là rotor sẽ quay tùy thuộc vào các pha điều

khiển

Tín hiệu điều khiển như sau :

Vector điều khiển 1 1001001001001001001001001

Vector điều khiển 2 0100100100100100100100100

Vector điểu khiển 3 0010010010010010010010010

• Động cơ bước kiểu hỗn hợp

* Có góc bước thay đổi trong khoảng 0,450 ữ 50 trong chế độ bước đủ, mômen hãm

từ 3 ữ 1000 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 40 khz Trong các loại động cơ bước

kể trên thì động cơ bước hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này

kết hợp các ưu điểm của hai loại động cơ trên Động cơ hỗn hợp có tần số bước và

độ phân giải cao, có mômen quay và mômen hãm lớn Trong thực tế người ta chế

tạo động cơ bước từ trở thay đổi có nhiều tầng, kết cấu của loại này như hình vẽ

* Phần Stato được cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay

đổi Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn

thành 4 cuộn dây hoặc được quấn thành 2 cuộn dây đặt xen kẻ nhau để hình thành

lên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và

cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

1.2.4.4 Mạch điều khiển 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 này là các xung Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi

mạch Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor

công suất T1 đến T4 thực hiện Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có

thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại

Hình1.9 : Mạch điều khiển động cơ bước

Sơ đồ nguyên lí điều khiển - động cơ bước kiểu từ trở

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

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

điều khiển được như rơle, transitor, thiristor miễn là thiết bị đó đáp ứng được mức

điện áp, dòng và tần số yêu cầu Tín hiệu điều khiển được đưa ra từ vi điều khiển

Hình1.10 : Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ bước

Thiết kế hệ điều khiển dùng động cơ bước đơn cực sau:

Hình1.11: Động cơ bước đơn cực

Thông số của động cơ:

Đường kính Kí hiệu Dòng điện Điện áp Mô men Số đầu dây Điện trở cuộn dây Điện cảm Bước góc

126mm 8118-L08 7,7 A/ 1 cuộn dây 24VDC 920 KPa 6 3,8 Ôm 19,2 mH 0,90

• Mạch nguyên lý điều khiển một cực của động cơ

Ta có thể dùng các Tranzitor trường (MOSFET : Metal Ocid Semiconductor Field

Efect Transitor) làm khóa

Một số loại FET thông dụng :

IRF9540 tranzitor trường có thể chịu dòng đến 20A và tự ngắt ở 100V

IRF9640 tranzitor trường có thể chịu dòng đến 18A và tự ngắt ở 200V

IRF9520 tranzitor trường có thể chịu dòng đến 30A và tự ngắt ở 200V

MOSTFET để điều khiển cụ thể là dùng loại IRF9540 đây là transitor trường có thể

chịu được dòng 20 A nên rất thích hợp cho điều khiển động cơ bước có công suất

lớn

Sơ đồ chân của IRF9540 : 3 chân

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

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

S : Soure tức là cực nguồn được nối tới mass

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

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

Khóa công suất sử dụng Transitor hiệu ứng trường IRF 9540 với điện trở kế

giữa chân 1 và chân 3 là 10k, trở mở cũng là 10k IRF được mở bằng

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

(mA)

Hình1.14: Transitor

Vì khác biệt mức điện điều khiển và công suất nên ta sử dụng cách ly quang để

cách ly hai phần với nhau Cách ly quang sử dụng loại Opto P521 động cơ bước

dùng dòng khoảng từ 0,5 đến 20A thì vi điều khiển không thể điều khiển trực tiếp

mà nó phải điều khiển gián tiếp qua cách ly quang (như hinh vẽ) Nó cách ly hai

nguồn hoàn toàn đó là nguồn bên vi điều khiển và nguồn bên cung cấp cho động cơ

vì vậy mà vi điều khiển vẫn hoạt động bình thường mà không bị ảnh hưởng của

nguồn cấp cho động cơ

R14

10K

Step3 D5

1.2.4.5 Sơ đồ mạch được thiết kế như sau:

MạCH CÔNG SUấT CHO ĐộNG CƠ BƯớC TRục X

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

Opto2

R9 10K 24V

FET4 FET4

Opto3

Wire3

R9 10K

1b 1a

2b 2a

MạCH CÔNG SUấT CHO ĐộNG CƠ BƯớC TRục Y

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

Opto2

R9 10K

24V

Opto3

ISO1 P521

1

2 4

3

Wire1

Khoi khuyech daicong suat

R9 10K

Opto1

R14 10K

IRF9540

2

1 3

24V

Opto4

R10 10K

FET4 FET4

ISO1 P521

1

2 4

3

5V

Khoi cach li

Opto2

FET3 24V

FET2

R3 1K

R14 10K

1

2 4

DONG CO TRUC Y

FET3 5V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1 P521

1

2 4

3

5V

MG1 MOTOR STEPPER

1b 1a

2b 2a

2 1

Khối tín

hiệu điều

khiển từ

MCU

1.2.4.6 Nguyên lí hoạt động của mạch công suất:

* Để cho động cơ bước quay ta cần cho các đầu dây Wirex (x=1,2,3,4) lần lượt

thông đất Các đầu này được điều khiển thông đất hoặc không bằng IRF9540 Khi

có điện áp vào cực GATE của IRFx(FETx trên sơ đồ) thì IRF thông nên các đầu

Wirex thông đất IRFx lại được điều khiển bởi Optox Các tín hiệu điều khiển từ các

chân của AT89C52 mặc định khi bật nguồn ở mức logic 1(5V) các chân Optox Cho

nên khối led phát của Opto do không có chênh áp lên không có dòng led không phát

sáng, cực bazơ của photo trasitor không được ánh sáng chiếu sáng nên photor

transitor đóng Dòng qua cực GATE bằng 0 nên áp cực GATE là 0V, IRFx đóng,

Wirex không nối đất, không có dòng qua cuộn dây, động cơ không quay Khi điều

khiển các tín hiệu từ MCU cho chân Optox xuống mức logic 0(0V) Khối led phát

của Optox có chênh áp(5V -0V), có dòng chạy qua, led phát sáng, cực bazơ của

photot transitor được chiếu sáng, photor transitor thông Điện áp cực GATE của

IRFx là 12V do có hai điện trở 10K tạo thành mạch chia áp IRFx thông đất, Wirex

thông đất, có dòng qua cuộn dây động cơ, động cơ quay Tùy vào việc quay bao

nhiêu bước động cơ thì ta sẽ thay đổi các tín hiệu điều khiển từ MCU tuần tự

1.2.5.KhốI Vi Điều Khiển:

1.2.5.1 Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của h∙ng ATMEL:

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

số lượng trong hiện tại và tương lai Đối với một số nhà thiết kế điều này là quan

trong hơn cả Hiện nay, các bộ vi điều khiển 8 bit đứng đầu là họ 8051 có số lượng

lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng (nhiều nguồn) Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản

xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển Trong trường hợp 8051 thì nhà

sáng chế của nó là Intel, nhưng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất nó (cũng như

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

www.dalsemi.com

* 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại

một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử

lý 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit Các nhà sản xuất đã cho

xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp

* ROM (Read Only Memory) để chứa chương trình, ROM Flash nên có thể ghi đi

ghi lại nhiều lần được, nạp ROM bằng mạch nạp chuyên dụng

* RAM (Random Access Memory) bộ nhớ để chứa dữ liệu

Các đặc tính đầu tiên của 8051

Bộ vi điều khiển 8052 là một thành viên khác của họ 8051, 8052 có tất cả

các đặc tính chuẩn của 8051 ngoài ra nó có thêm 128 byte RAM và một bộ định