NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 2,5D

Nhiệm vụ của đề tài gồm:  Nghiên cứu ứng dụng phần mềm điều khiển máy CNC  Thiết kế mạch drive điều khiển động cơ  Chế tạo mô hình cơ khí hoàn chỉnh của máy CNC.. Giới thiệu phần mềm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY

CNC 2,5D

Họ và tên sinh viên: PHẠM VĂN LONG

Niên khóa: 2007-2011

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 2,5D

Giáo viện hướng dẫn:

Trưởng bộ môn cơ điện tử Ts Nguyễn Văn Hùng

LỜI CẢM ƠN

Chúng em xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại Học Nông Lâm

TPHCM Ban Chủ Nhiệm khoa cơ khí công nghệ trường đại học Nông Lâm cùng tất

cả các quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi và dạy dỗ cho chúng em trong suốt thời

gian học tập tại trường và hoàn thành luận văn này

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Hùng Trưởng bộ môn Cơ

điện tử, anh Nguyễn Quang Hoàng Minh kỹ sư điện công ty công nghệ mới T.T Đã

tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong thời gian thực

hiện luận văn

Chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên chúng

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình máy khắc chữ CNC 2,5D” được tiến hành tại công ty Chế tạo máy T.T, thời gian từ ngày 7/3/2011 đến 15/6/2011

Nhiệm vụ của đề tài gồm:

 Nghiên cứu ứng dụng phần mềm điều khiển máy CNC

 Thiết kế mạch drive điều khiển động cơ

 Chế tạo mô hình cơ khí hoàn chỉnh của máy CNC

Đề tài đã hoàn thành được những tiêu chí đề ra Vận dụng thành thạo phần mềm điều khiển mang tính chuyên nghiệp

MỤC LỤC

Trang Trang tựa i Lời cảm ơn ii Tóm tắt iii Mục lục iv Danh sách các chữ viết tắt vi

Danh sách các bảng ix

Chương 1 1

1.1.  Dẫn nhập 1 

1.2.  Mục đích đề tài 1 

Chương 2 2  

2.1.  Khảo sát 1 số máy CNC 2,5D: 2 

2.1.1.  Cấu trúc hệ thống CNC 3 

2.1.2.  Các dạng điều khiển của máy CNC 3 

2.2.  Tra cứu các linh kiện, phần mềm phục vụ cho quá trình thiết kế: 4 

2.2.1.  Giới thiệu phần mềm Mach 3: 4 

2.2.2.  Tra cứu linh kiện: 4 

2.3.  Bộ truyền vitme và thanh trượt: 8 

2.4.  Giới thiệu về giao tiếp cổng song song 10 

2.5.  Động cơ bước: 11 

2.6.  Động cơ ac: 14 

Chương 3 18  

3.1.  Phương pháp thực hiện đề tài: 18 

3.1.1.  Lựa chọn bộ điều khiển: 18 

3.1.2.  Lựa chọn thiết bị, vật tư: 18 

3.1.3.  Tính toán chọn động cơ: 18 

3.1.4.  Phần mạch giao tiếp công suất 18 

3.2.  Phương tiện thực hiện đề tài: 19 

3.2.1.  Phần cơ khí: 19 

3.2.2.  Phần điện tử: 19 

Chương 4 20  

4.1.  Thiết kế chế tạo phần cơ khí: 20 

4.1.1.  Yêu cầu thiết kế 20 

4.1.2.  Lựa chon mô hình 20 

4.2.  Mô tả thiết kế chế tạo tạo các bộ phận chính 21 

4.3.  Các thông số kỹ thuật chung: 26 

4.4.  Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy: 26 

4.5.  Nguyên lý tổng quát của việc điều khiển máy: 27 

4.6.  Thiết kế mạch điều khiển động cơ động cơ trục chính và động cơ bước: 28 

4.6.1.  Nguyên lý của mạch drive điều khiển động cơ bước: 28 

4.6.2.  Nguyên lý mạch kết nối cổng song song: 31 

4.6.3.  Thiết kế mạch điều khiển động cơ AC: 32 

4.7.  Kết quả chế tạo 33 

4.8.  Kết quả khảo nghiệm: 35  TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 39

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.4: Giản đồ xung điều khiển động cơ bước chạy nửa bước 5 

Hình 2.5: Giản đồ xung điều khiển động cơ bước chạy nửa bước 6 

Hình 2.11: Hình dáng thanh trượt và con trượt 10 

Hình 2.13 Động cơ bước 11 

Hình 2.17: Cấu tạo động cơ bước lưỡng cực 12 

Hình 2.18: Cấu tạo động cơ bước đơn cực 13 

Hình 2.19: Cấu tạo động cơ bước biến từ trơ 14 

Hình 2.22: Lá thép phần ứng 16

Hình 2.25: Nguyên lý điều áp xoay chiều tải điện cảm 16 

Hình 2.26: Nguyên lý điều khiển góc mở bằng việc kích xung dài 17 

Hình 4.1: Mô hình máy 20  Hình 4.2: Bản vẽ chế tạo thanh dọc 21 

Hình 4.4 Bản vẽ chế tạo thanh đứng 22  Hình 4.5: Bản vẽ chế tạo la đỡ thanh trượt 22 

Hình 4.7: Bản vẽ chế tạo thanh ngang khung trên 23 

 DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.6: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ full step 14  Bảng 2.7: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ half step 14  Bảng 2.8 Bảng trạng thái xung điều khiển động cơ biến từ trở 14 

 Ngày nay, máy CNC ngoài lĩnh vực gia công cơ khí thuần túy còn được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điêu khắc mỹ nghệ, trang sức, điêu khắc chữ, con dấu, làm mạch in…

 Xuất phát từ nhu cầu thực thế cùng với điều khiện có sẵn đó là bốn năm rèn luyện, học tập tích lũy khiến thức dưới mái trường ĐH Nông Lâm, thời gian thực tập tại công ty Chế Tạo Máy T.T

 Được sự chấp thuận của Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí- Công nghệ, sự hướng đẫn của thầy TS Nguyễn Văn Hùng chúng em quyết định thực hiện đề tài “ nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC 2,5D.”

1.2 Mục đích đề tài

Thiết kế chế tạo mô hình máy

Thiết kế mạch giao tiếp điều khiển motor các trục

Nghiên cứu phần mềm điều khiển máy

Vận dụng phần mềm vào điều khiển mô hình máy đã thiết kế

Đề tài thực hiện xong sẽ được lưu lại phòng thực tập Cơ Điện Tử nhằm mục đích hỗ trợ giảng dạy,thực tập

2.1.1 Cấu trúc hệ thống CNC

Cấu trúc hệ thống CNC được trình bày trên hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống CNC

 Chương trình gia công (part porgram) bao gồm các chỉ thị đã được mã hóa

 Hệ điều khiển máy bao gồm DPU và CLU

 DPU đơn vị xử lý dữ liệu (data processing unit) thực hiện chức năng đọc mã lệnh, giải mã, truyền dữ liệu cho CLU

 CLU mạch điều khiển (control loop unit) thực hiện nội suy chuyển động, xuất các tín hiệu điều khiển, nhận tín hiệu phản hồi

 Thiết bị đọc chương trình là máy đọc hay đường truyền RS232C

 Động cơ bao gồm động cơ truc chính, trục x,y,z Động cơ trục chính có thể là động cơ ac 1pha, 3 pha, động cơ ba trục có thể là servo ac, dc hoăc động cơ bước

 Bộ truyền động là hộp số, vitme đai ốc, thanh răng, thanh trượt, dây dai

 Bàn máy mang phôi gia công

 Phản hồi có thể là encoder, high sensor cảm biến tiệm cận hay đơn giản chỉ là công tắc hành trình…

 Bộ chuyển đổi có thể là tương tự sang số hay số sang tương tự

2.1.2 Các dạng điều khiển của máy CNC

 Các máy CNC khác nhau có khả năng gia công dược các bề mặt khác nhau Do

đó các dạng của máy cũng dược chia ra thành :

 Điều khiển điểm – điểm

 Điều khiển theo đường thẳng

 Điều khiển theo biên dạng

2.2 Tra cứu các linh kiện, phần mềm phục vụ cho quá trình thiết kế:

2.2.1 Giới thiệu phần mềm Mach 3:

 Mach 3 là phần mềm biến máy tính trở thành bộ điều khiển đa chức năng của nhiều loại máy CNC

 Mach 3 với giao diện thân thiện với người dùng đã đem lại hiệu quả cao trong việc điều khiển các loại máy CNC: máy cắt plasma tự động, máy phay, máy bào, máy tiện, máy khoan, máy cắt laser, máy điêu khắc…

 Mach 3 hỗ trợ các wizard (các chương trình con) có chức năng phát sinh G code (ngôn ngữ CNC) nhằm giảm bớt khối lượng công việc cho người dùng Thường có các wizard thông dụng: cắt bánh răng, tạo lỗ, số hóa, khắc chữ, tạo rãnh và đường dẫn hướng…

 Mach 3 có thể kết nối đồng thời 2 cổng LPT và kết nối được mở rộng thêm cổng COM

2.2.2 Tra cứu linh kiện:

 Ic L297 điều khiển các loại ic điều khiển động cơ bước Hình bên ngoài và cấu tạo bên trong ic thể hiện trên hình 2.3

Hình 2.3: Ic L297 và cấu tạo bên trong

 Chức năng các chân: Được biểu diễn cụ thể trên bảng 2.1

Bảng 2.1: Chức năng các chân Ic L297

dụng nhiều ic L297 trên một mạch

động

 Giản đồ xung điều khiển motor chạy nửa bước Được biểu diễn trên hình 2.4

Hình 2.4: Giản đồ xung điều khiển động cơ bước chạy nửa bước

 Giản đồ xung điều khiển motor chạy bước đủ được biểu diễn trên hình 2.5

Hình 2.5: Giản đồ xung điều khiển động cơ bước chạy nửa bước

 Ic điều khiển động cơ bước L298 Hình bên ngoài và cấu tạo bên trong ic thể hiện trên hình 2.6



Hình 2.6: Ic L298 và cấu tạo bên trong

 Chức năng các chân thể hiện trên bảng 2.2

Bảng 2.2: Sơ đồ chân ic L298

2,5 - 46 V)

9 VSS Kết nối với nguồn nuôi ic

 Moc 3021 (opto triac) Cấu tạo và hình ảnh bên ngoài của ic được thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7: Moc 3021 và cấu tạo bên trong

Hình 2.8: BTA40 và cấu tạo bên trong

 Chức năng

Đóng/mở relay , điều khiển nhiệt, động cơ ac

Điều khiển độ sáng của bóng đèn, tốc độ động cơ

 Nguyên lý hoạt động

Triac sẽ được mở khi A2 và G đồng dấu

 Ngoài ra một số nhà sản xuất đưa ra loại triac điều khiển trái dấu âm hoặc trái dấu dương nghĩa là A2 dương và G âm so vơi A1 hoặc A2 âm, G dương so với A1

 Ic TCA 785

Đây là ic phát xung, điều khiển góc mở cho thyristor triac…Hình dáng và chức năng các chân được thể hiện trên hình 2.9

Hình 2.9: Ic TCA 785 và chức năng các chân

2.3 Bộ truyền vitme và thanh trượt:

 Bộ truyền vitme có hai loại bộ truyền vitme thường và bộ truyền vitme bi cấu tạo cụ thể được biểu diễn trên hình 2.10

Hình 2.10: Cấu tạo hai loại vitme

 Vitme thường : là loại vitme và đai ốc có tiếp xúc mặt

 Vitme bi : là loại vit me và đai ốc là tiếp xúc lăn

 Ưu diểm của vitme bi là mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9 Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc

độ, có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

 Vì vitme bi có ma sát nhỏ và hoạt động êm nên được dùng trong máy có độ chính xác cao như CNC

 Bên cạnh dó vitme bi cũng có những nhược điểm là khả năng chịu tải kém hơn

so với vít me thường (do đặc điểm cấu tạo…) Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thành đắt cũng là nhược điểm lớn của vit me bi

 Thanh trượt

 Chức năng thường dùng để dẫn hướng, định vị chuyển động cấu tạo gồm thanh trượt và con trượt bi, được biểu diễn trên hình 2.11

Hình 2.11: Hình dáng thanh trượt và con trượt

2.4 Giới thiệu về giao tiếp cổng song song

 Cấu trúc cổng song song

 Cổng song song gồm có 4 đường điều khiển, 5 đường trạng thái và

8 đường dữ liệu bao gồm 5 chế độ hoạt động: Chế độ tương thích (compatibility), chế độ nibble, chế độ byte, chế độ EPP (Enhanced Parallel Port), chế độ ECP (Extended Capabilities Port)

 Sơ đồ chân của cổng song song được thể hiện trên hình 2.12

Hình 2.12: Sơ đồ chân cổng song song

 Chức năng các chân chưa cổng song song được biểu diễn trên bảng 2.3

Bảng 2.3 Chức năng các chân cổng LPT

 Cổng song song có ba thanh ghi có thể truyền dữ liệu và điều khiển Địa chỉ cơ

sở của các thanh ghi cho tất cả cổng LPT (line printer) từ LPT1 đến LPT4 được lưu trữ trong vùng dữ liệu của BIOS Thanh ghi dữ liệu được định vị ở offset 00h, thanh ghi trạng thái ở 01h, và thanh ghi điều khiển ở 02h Thông thường, địa chỉ cơ

sở của LPT1 là 378h, LPT2 là 278h, do đó địa chỉ của thanh ghi trạng thái là 379h hoặc 279h và địa chỉ thanh ghi điều khiển là 37Ah hoặc 27Ah Tuy nhiên trong một số trường hợp, địa chỉ của cổng song song có thể khác do quá trình khởi động của BIOS

2.5 Động cơ bước:

2.5.1 Đôi nét về động cơ bước:

 Động cơ bước là động cơ đồng bộ dùng để biến đổi

các dạng xung điều khiển rời rạc nối tiếp thành

chuyển động góc quay Nó có khả năng cố định roto

vào vị trí xác định với độ chính xác cao

 Phần stato (phần ứng) có quấn các cuộn dây tạo thành các pha

 Phần roto (phần cảm) là nam châm vĩnh cửu Được chế tạo dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều tạo thành những cặp nam châm N-S xen kẽ nhằm tạo ra nhiều cặp cực

 Cả phần roto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và nam châm điện, được biểu diễn trên hình 2.13

2.5.3 Nguyên lý điều khiển:

 Nguyên lý chung là cấp xung điện vào cuộn dây stato thì roto sẽ quay đi 1 góc

cố định được gọi là 1 bước

 Nếu cấp xung điện vào 1 cuộn dây riêng lẻ của stato thì gọi là full step (đủ bước) Đặc điểm của động cơ bước là có momen hãm sinh ra bởi tác động từ

trường của roto và stato

 Phân loại động cơ theo số pha: 2 pha, 3 pha, 5 pha

 Động cơ 3 pha và thứ tự xung điều khiển Được thể hiện trên hình 2.14,

2.15

Hình 2.14: Sơ đồ dây động cơ bước 3 pha Hình 2.15: Thứ tự xung điều khiển vào 3 pha

 Động cơ 5 phase có cấu tạo được thể hiện trên hình 2.16

Hình 2.16: Cấu tạo động cơ bước 5 phase 

 Động cơ 2 phase: bao gồm loại đơn cực, lưỡng cực và động cơ biến từ trở Nếu ta cấp xung điện với cường độ đồng đều cho 2 cuộn dây kế tiếp

nhau thì roto sẽ quay chế độ half step (nửa bước)

Hình 2.17: Cấu tạo động cơ bước lưỡng cực

 Thứ tự cấp xung chế độ full step được thể hiên tại bảng 2.4

Bảng 2.4: Thứ tự kích chân chế độ full step

 Mức logic 1 được đấu với Vcc

 Mức logic 0 được đấu với mass 0 V

 Đảo chiều động cơ bằng cách dảo thứ tự cấp xung ở bảng 2.4

 Thứ tự cấp xung chế độ half setp được biểu diễn trên bảng 2.5

Bảng 2.5: Thứ tự kích chân chế độ half step

Hình 2.18: Cấu tạo động cơ bước đơn cực

 Bảng trạng thái điều khiển chế độ full step biểu diễn trên bảng 2.6

Bảng 2.6: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ full step



 Bảng trạng thái điều khiển chế độ half setp được biểu diễn trên bảng 2.7

Bảng 2.7: Bảng trạng thái xung điều khiển chế độ half step

thay đổi theo góc quay Thông thường có 3 hoặc 4 cuộn dây đấu chung 1 đầu Động cơ này được điều khiển bằng cách đấu dây chung lên nguồn dương hoặc mass rồi đấu đầu còn lại của từng cuộn dây vào cực mass hoặc dương theo thứ tự thì động cơ sẽ quay đều Cấu tạo như hình 2.19

Bảng 2.8 Bảng trạng thái xung điều khiển động cơ biến từ trở

Hình 2.19: Cấu tạo động cơ bước biến từ trơ

 Động cơ trục chính được sử dụng trong đề tài thuộc loại động cơ điện 1 pha có vành góp được thể hiện trên hình 2.20

Hình 2.20: Cấu tạo động cơ xoay chiều cổ góp

 Về cấu tạo giống với động cơ điện 1 chiều Cấu tạo gồm:

 Stato (phần tĩnh): gồm cực từ chính và cực từ phụ Cực từ chính đóng vai trò là bộ phận sinh ra từ trường chính trong máy Được chế tạo từ thép kỹ thuật điện Dây quấn cực từ chính có tiết diện hình tròn và được bọc cách điện Các dây quấn đặt trên các cực từ chính thường được nối tiếp với nhau Cực từ phụ dùng để cải thiện đổi chiều Được làm từ thép kỹ thuật điện Dây quấn cực từ phụ đặt trên cực từ phụ và nối tiếp với dây quấn phần ứng (roto) qua chổi than Cực từ phụ được đặt xen kẽ cực từ chính.Cực từ được thể hiện trên hình 2.21

 Roto (phần quay): là phần ứng, gồm các lá thép kỹ thuật điện được ghép với nhau Trên từng lá có dập rãnh để bố trí dây quấn phần ứng Dây quấn phần ứng được

bố trí trong các rãnh phần ứng là bộ phận tham gia trực tiếp quá trình biến đổi năng lượng điện từ Hình ảnh lá thép phần ứng được thể hiện trên hình 2.22

 Cổ góp: Đây là bộ phận dùng để đảo chiều dòng điện hay có thể coi nó là

bộ chỉnh lưu cơ khí Bao gồm các phiến góp bằng đồng được ghép lại với nhau thành cổ góp hình trụ Giữa chúng có lớp mica cách điện, được thể hiện cụ thể trên hình 2.23

Hình 2.24: Động cơ kích từ nối tiếp

Hình 2.21: Cực từ Hình 2.22: Lá thép phần ứng

 Nguyên lý hoạt động: Động cơ loại này có kết cấu giống

động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp như hình 2.24 Nhưng vì chạy ở

lưới điện xoay chiều nên ngoài cuộn dây kích từ (K) còn bố trí

thêm cuộn bù B và cực từ phụ F để cải thiện đổi chiều Khi đặt

điện áp xoay chiều một pha vào động cơ từ

thông tác dụng với dòng điện chạy trong dây

quấn sinh ra momen làm roto quay Vì phần ứng nối tiếp với dây quấn kích thích nên dòng điện và từ thông luôn cùng dấu với nhau nên momen luôn dương hay động cơ luôn

quay theo 1 chiều xác định

 Nguyên lý điều khiển sử dụng scr hay triac như hình 2.25

Hình 2.25: Nguyên lý điều áp xoay chiều tải điện cảm.

 Đề tài sử dụng nguyên lý của việc băm áp xoay chiều để điều khiển động cơ xoay chiều 1 pha (hình 2.26)

Hình 2.26: Nguyên lý điều khiển góc mở bằng việc kích xung dài

Điện áp đã thay đổi Vậy điều khiển điện áp có thể được điều khiển bằng cách điều khiển góc pha