CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHOAN CNC 2 TRỤC

TÓM TẮT Trong khóa luận này đề cập đến hệ thống MÁY CNC 2 TRỤC dùng để khoan mạch in..Đây là hệ thống phục vụ cho nghành công nghiệp và trình tự thực hiện việc thiết kế cho hệ thống như

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHOAN CNC 2 TRỤC

Họ và tên sinh viên: VÕ THÀNH DIỆU

TRẦN NGỌC CẦN Ngành: Điều Khiển Tự Động

Niên khóa: 2005- 2009

Tháng 8/2009

CHẾ TẠO VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY KHOAN CNC 2 TRỤC

Tác giả

VÕ THÀNH DIỆU TRẦN NGỌC CẦN

Luận văn được đệ trình để hoàn tất yêu cầu cấp bằng Kỹ sư Điều khiển tự động

Ngành Điều khiển tự động

Giáo viên hướng dẫn:

K.s VƯƠNG ĐÌNH BẰNG

LỜI CẢM ƠN

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 TPHCM đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong suốt thời gian theo học tại trường và hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành biết ơn cô Đặng Phi Vân Hài, thầy Lê Văn Bạn và thầy Vương Đình Bằng đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho chúng em trong thời gian thực hiện luận văn

Em xin chân thành cảm ơn đến tập thể thầy cô trong bộ môn Điều Khiển Tự Động, cùng các thầy cô trong khoa Cơ Khí đã tận tình dạy dỗ chúng em trong 4 năm học vừa qua

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ và động viên chúng em trong những lúc khó khăn

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2009 Sinh viên thực hiện

Võ Thành Diệu Trần Ngọc Cần

TÓM TẮT

Trong khóa luận này đề cập đến hệ thống MÁY CNC 2 TRỤC dùng để khoan mạch

in Đây là hệ thống phục vụ cho nghành công nghiệp và trình tự thực hiện việc thiết kế cho

hệ thống như sau:

™ Thiết kế hệ thống cơ khí

™ Thiết kế hệ thống điều khiển kết hợp với hệ thống cơ khí thành hệ thống tự động hóa

™ Lập trình cho hệ thống kết nối giữa AVR với động cơ bước, DC , encoder, LCD Kết quả:

Đã hoàn thành được mục tiêu đề ra.Chương trình điều khiển bằng vi điều khiển đã hoạt động và điều khiển phần cứng đúng như chương trình đã thiết kế

SUMMARY

This thesis are concerned with CNC MACHINE TWO-AXIS This is a system, attend to industry and sequence of performance design for system following:

™ Designing mechanical system

™ Designing controller system and combine with mechanical system to create an the automatic system

™ Programming AVR microcontroller connected with Encoder, LCD, Step motor,

DC motor

Results:

The thesis has completed the goals as put forward The operating system by microcontroller has acted and operate the hardware as designed

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

SUMMARY iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

Chương 1MỞ ĐẦU 1

Chương 2TỔNG QUAN 2

2.1 Khảo sát một số máy cnc 2 trục 2

2.2 Tra cứu các linh kiện phục vụ cho quá trình thiết kế 3

2.2.1 Bộ truyền vít me 3

2.2.2 Động cơ bước 4

2.2.3 Encoder 6

2.2.4 Động cơ DC 8

2.2.5 LCD HD44780 9

2.2.6 Các thiết bị điện tử công suất 11

2.2.7 Tìm hiểu về vi điều khiển 14

Chương 3NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài 20

3.1.1Chọn phương pháp thiết kế máy CNC 20

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí 20

3.1.3 Phương pháp thực hiện mạch công suất 20

3.1.4 Phương pháp thực hiện mạch điều khiển 20

3.1.5 Phương pháp viết chương trình điều khiển 21

Chương 4KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22

4.1Sơ đồ chung phần cơ khí 22

4.2Tính toán và thiết kế phần cơ khí 25

4 2.1 Tính toán 25

4.2.2 Thiết kế phần cơ khí 25

4.3 Các thông số kỹ thuật chung của hệ thống 31

4.4 Thực hiện phần điều khiển 31

4.4.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy CNC 31

4.4.2 Thiết kế mạch Encoder đưa vào vi điều khiển 33

4.4.3 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ DC 33

4 4.4 Thiết kế mạch công suất điều khiển động cơ bước 34

4.4.5 Thiết kế mạch giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển 35

4.6.7 Lưu đồ khối chung cho phần điều khiển 38

4.5 Lưu đồ giải thuật của chương trình nhận và lưu toạ độ x,y vào EEPROM 39

4.6 Lưu đồ giải thuật chương trình Auto của Master (Mega128) 40

4.7 Lưu đồ giải thuật chương trình Auto của 2 Slaver 1,2 41

4.8 Lưu đồ giải thuật của chương trình Mode điều khiển bằng tay 42

4.9 Chương trình điều khiển 42

4.10 Kết quả thực hiện 42

4.10.1 Phần cơ khí 42

4.10.2 Phần điện tử 43

4.10.3 Phần chương trình 44

4.10.4 Kết quả khảo nghiệm 45

Chương 5KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 48

5 1 Kết luận 48

5 2 Đề nghị 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

PHỤ LỤC 1

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

TxD Transmit Data UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

SIC Semiconductor integrated circuit LED Light-emitting diode

CNC Communication network controller

DC Device control AVR Auto voltage regulator RISC Reduced-instruction set computer

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Chức năng các chân của LCD 11

DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Máy CNC hiệu High-Z S-720CNC-Router(nguồn từ Internet) 2

Hình 2.2: Bộ truyền vít me đai ốc 3

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong của Vitme bi 4

Hình 2.4: Động cơ bước PK264A2-SG3.6 5

Hình 2.5:Sơ đồ quấn dây của động cơ đơn cực 5

Hình 2.6:Bộ điều khiển động cơ bước đơn cực 6

Hình 2.7: Các loại đĩa 6

Hình 2.8: Các loại encoder 7

Hình 2.9:Sơ đồ hướng dẫn nối dây và thứ tự pha 8

Hình 2.10: Trạng thái xung của Encoder 8

Hình 2.11: Các loại động cơ DC 8

Hình 2.12: Hình dáng của 2 loại LCD thông dụng 9

Hình 2.14:Cấu tạo bên trong và hình dáng bên ngoài của opto 11

Hình 2.15:Cấu tạo bên trong và hình dáng bên ngoài của IRF540 12

Hình 2.13: Sơ đồ chân cổng COM 13

Hình 2.16: Sơ đồ chân ATMEGA 128 15

Hình 2.17: Sơ đồ chân ATMEGA 8 18

Hình 4.1 :Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống máy cnc 24

Hình 4.2: Bản vẽ chế tạo 2 thanh dọc 26

Hình 4.3: Bản vẽ chế tạo 2 thanh ngang 26

Hình 4.4: Bản vẽ chế tạo khung trên 27

Hình 4.5: Bản vẽ chế tạo bàn kẹp 29

Hình 4.6:Bản vẽ chế tạo 30

Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý của máy CNC 32

Hình 4.8:Sơ đồ kết nối encoder với vi điều khiển 33

Hình 4.9:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ khoan 33

Hình 4.10 : Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước 34

Hình 4.11: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển 35

Hình 4.12: Mạch điều khiển 36

Hình 4.13: Sơ đồ mạch nguyên lý tổng hợp 37

Chương 1

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một nước đang trên đà phát triển,đang trong quá trình công nghiệp hoá hiện đại hoá đất nước,chính vì vậy thiết bị tự động ngày càng được ứng dụng nhiều để phục vụ trong sản suất và trong sinh hoạt hàng ngày.Hầu hết trên các thiết bị điện tử sử dụng trong sinh hoạt hàng ngày cũng như các thiết bị sử dụng trong sản xuất đều có sử dụng bo mạch điện tử,điều này khiến nhu cầu gia công mạch in ngày càng lớn

Việc sử dụng các máy khoan cầm tay và máy khoan bàn thông thường để khoan các

lỗ nhỏ trên bo mạch in thường thiếu chính xác và mất nhiều thời gian.Sau thời gian tìm hiểu về các loại máy khoan tự động và các loại máy CNC,với các ưu điểm về độ chính xác

và năng suất gia công cao sẽ giải quyết được các hạn chế nói trên của các máy khoan thông thường

Với những lí do như trên chúng em đã nghiên cứu,thiết kế và chế tạo máy khoan CNC 2 trục với mục đích ban đầu là sử dụng để khoan các chân linh kiện trong bo mạch điện tử

Chương 2 TỔNG QUAN

Hành trình trục Y 420mm Hành trình trục Z 110mm Tốc độ làm việc tối đa 2500mm/phút

Hình 2.3 Cấu tạo bên trong của Vitme bi

A:Bi thép B:Vít me C:Đai ốc cầu D:Đệm kín E:Bộ phận đàn hồi

2.2.2 Động cơ bước

Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh,cho phép chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi động và dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu

hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ một mấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trị moment xoắn giữ (hold torque) của động cơ

Hình 2.4: Động cơ bước PK264A2-SG3.6

Động cơ bước PK264A2-SG3.6 là loại động cơ đơn cực:

Hình 2.5:Sơ đồ quấn dây của động cơ đơn cực

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 3, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ

trường tạo bởi cuộn đó

Động cơ 300 mỗi bước trong hình là một trong những thiết kế động cơ nam châm vĩnh cửu thông dụng nhất, mặc dù động cơ có bước 150 và 7.5 0 là khá lớn

Người ta cũng đã tạo ra được động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.80

và với động cơ hỗn hợp mỗi bước nhỏ nhất có thể đạt được là 3.60 đến 1.80, còn tốt hơn nữa, có thể đạt đến 0.720 và nhỏ hơn nữa

Hình 2.6:Bộ điều khiển động cơ bước đơn cực

Trên hình 2.6 biểu diễn các công tắc và một bộ điều khiển (có thể là vi xử lí,PLC, ) chịu trách nhiệm cung cấp tín hiệu điều khiển đóng mở công tắc vào thời điểm thích hợp để quay động cơ Bộ điều khiển thường là máy tính hay một mạch điều khiển lập trình được, với phần mềm trực tiếp phát ra tín hiệu cần thiết để điều khiển công tắc

2.2.3 Encoder

ABSOLUTE ENCODER INCREMENTAL ENCODER DISK

Hình 2.7: Các loại đĩa

Encoder là thiết bị dùng để xác định vị trí động cơ, số vòng quay của động cơ và tốc độ động cơ.Thông thường để phân loại Encoder có thể căn cứ vào tín hiệu ra mà chia Encoder ra làm 2 loại Analog và Digital trong đó:

Loại Digital được sử dụng phổ biến nhất do chúng dễ sử dụng, độ chính xác cao, ít

bị nhiễu.Tín hiệu ra của loại Encoder này là dạng xung vuông hoặc hình sin

Encoder được sử dụng là loại E6B2-CWZ6C của hãng OMROM

Hình 2.9:Sơ đồ hướng dẫn nối dây và thứ tự pha

Hình 2.10: Trạng thái xung của Encoder

Loại này có 3 xung là A, B và Z , với Z để xác định số vòng quay còn A , B để xác định chiều quay.Các xung này được tạo ra do ánh sáng hồng ngoại chiếu qua khe hở trên đĩa, 2 xung A và B đặt lệch pha nhau 900 , dựa vào sự lệch pha này mà người ta xác định chiều quay của động cơ

2.2.4 Động cơ DC

Động cơ DC chủ yếu dùng để biến chuyển động tròn thành chuyển động tịnh tiến,hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp

Hình 2.11: Các loại động cơ DC

Cấu tạo

Phần chính gồm Stato(phần đứng yên) với các cực từ (bằng nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện), Roto với các cuộn dây quấn, cổ góp cùng chổi điện.Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ là đổichiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thôngthường

bộ phận này là bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ điện một chiều, làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu

2.2.5 LCD HD44780

Ngày nay, thiết bị hiển thị LCD ( Liquid Crystal Display ) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của vi điều khiển LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống và giá thành rẽ …

b) Chức năng các chân:

Chân

1 VSS GND của mạch điều khiển Chân nối đất cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân VSS với

2 VDD Chân cấp nguồn cho LCD, khi thiết kế mạch ta nối chân VDD

với VCC=5V của mạch điều khiển

3 Vee Chân Vee dùng để điều chỉnh độ tương phản của LCD

+ Logic “1”: Bus DB0-DB7 sẽ nối với thanh ghi dữ liệu

+ Ở chế độ ghi: Dữ liệu ở bus sẽ được LCD chuyển vào(chấp nhận) thanh ghi bên

trong nó khi phát hiện một xung (high-to-low transition) của tín hiệu chân E

+ Ở chế độ đọc: Dữ liệu sẽ được LCD xuất ra DB0-DB7 khi phát hiện cạnh lên (lowto-

high transition) ở chân E và được LCD giữ ở bus đến khi nào chân

E xuống mức thấp

7-14 DB0-DB7

Tám đường của bus dữ liệu dùng để trao đổi thông tin với MPU

Có 2 chế độ sử dụng 8 đường bus này : + Chế độ 8 bit : Dữ liệu được truyền trên cả 8 đường, với bit MSB

là bit DB7

+ Chế độ 4 bit : Dữ liệu được truyền trên 4 đường từ DB4 tới DB7, bit MSB là DB7

Chi tiết sử dụng 2 giao thức này được đề cập ở phần sau

Bảng 1: Chức năng các chân của LCD

* Ghi chú : Ở chế độ “đọc”, nghĩa là MPU sẽ đọc thông tin từ LCD thông qua các chân DBx.Còn khi ở chế độ “ghi”, nghĩa là MPU xuất thông tin điều khiển cho LCD thông qua các

chân DBx

2.2.6 Các thiết bị điện tử công suất

2.2.6.1 Opto P521

Hình 2.14:Cấu tạo bên trong và hình dáng bên ngoài của opto

Optocoupler là một linh kiện được sử dụng để tạo mạch cách ly về điện.Cho phép người thiết kế ngõ ra bằng cách thay đổi năng lượng cấp cho ngõ vào.Tuy nhiên hai phần ngõ vào và ngõ ra được cách ly về điện bằng một điện trở vô cùng lớn.linh kiện này có thể chứa photodiode, transitor, opamp hoặc các linh kiện khác có thể giao tiếp đựợc với mạch điều khiển

Nguyên tắc hoạt động của linh kiện:Khi có dòng điện chạy qua led, led sẽ phát ra sóng hồng ngoại và dưới tác động của sóng hồng ngoại bộ phân thu như photodiode sẽ bị tác động và dẫn điện Như vậy hai mạch ngõ vào và ngõ ra được cách ly với nhau

2.2.6.2.FET IRF540

Hình 2.15:Cấu tạo bên trong và hình dáng bên ngoài của IRF540

Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu, Mosfet được sử dụng nhiều trong các mạch nguồn Monitor, nguồn máy tính

2.2.6.3 RS232(truyền nối tiếp)

Cổng nối tiếp RS232 là một giao diện phổ biến rộng rãi nhất Người ta còn gọi cổng này là cổng COM1, còn cổng COM2 để tự do cho các ứng dụng khác Giống như cổng máy in cổng COM cũng được sử dụng một cách thuận tiện cho việc giao tiếp với thiết bị ngoại vi

Việc truyền dữ liệu qua cổng COM được tiến hành theo chuẩn nối tiếp Nghĩa là các bit dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dẫn Phương pháp truyền này

có khả năng dùng cho những ứng dụng có yêu cầu truyền khoảng cách lớn hơn, bởi vì các khả năng gây nhiễu là nhỏ đáng kể hơn khi dùng một cổng song song (cổng máy in) Cổng COM không phải là một hệ thống bus, nó cho phép dễ dàng tạo ra liên kết dưới hình thức điểm với điểm giữa hai máy cần trao đổi thông tin với nhau, một thành viên thứ ba không thể tham gia vào cuộc trao đổi thông tin này

* Các chân và đường dẫn được mô tả như sau:

Hình 2.13: Sơ đồ chân cổng COM

Phích cắm COM có tổng cộng 8 đường dẫn, chưa kể đến đường nối đất Trên thực

tế có hai loại phích cắm, một loại 9 chân và loại 25 chân Cả hai loại này đều có chung một đặc điểm

Việc truyền dữ liệu xảy ra ở trên hai đường dẫn Qua chân cắm ra TXD máy tính gởi dữ liệu đến vi điều khiển Trong khi đó các dữ liệu mà máy tính nhận được, lại được dẫn đến chân RXD các tín hiệu khác đóng vai trò như là tín hiệu hổ trợ khi trao đổi thông tin nhưng không phải trong mọi trường hợp ứng dụng đều dùng hết

Vì tín hiệu cổng COM thường ở mức +12V, -12V nên không tương thích với điện

áp TTL nên để giao tiếpvi điều khiển 8051 với máy tính qua cổng COM ta phải qua một

vi mạch biến đổi điện áp cho phù hợp với mức TTL, ta chọn vi mạch MAX232 để thực hiện việc tương thích điện áp

2.2.7 Tìm hiểu về vi điều khiển

2.2.7.1 Tổng quát

Vi điều khiển là một vi mạch có mật độ tích hợp cao, trong đó có khả năng nhận,

xử lý, xuất dữ liệu Đặc biệt là quá trình xử lý được điều khiển theo một chương trình gồm các tập lệnh mà người sử dụng có thể thay đổi một cách dễ dàng.Một vi điều khiển có thể hiểu được vài trăm đến vài ngàn lệnh Vì vậy nó có thể thực hiện được nhiều yêu cầu khác nhau

2.2.7.2 Giới thiệu về vi điều khiển ATMEGA128

• Sử dụng kiến trúc RISC AVR(AVR kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lượng cao

và tiêu thụ ít năng lượng)

• Bộ nhớ Flash 128KB lập trình được ngay trong hệ thống,chịu được 10000 chu

kỳ viết/xóa

• Bộ nhớ EEPROM 4096B lập trình được ngay trong hệ thống, chịu được

100000 chu kỳ viết/xóa

• Bộ nhớ SRAm 4K bytes

• Bộ biến đổi ADC 8 kênh 10 bit

• Khóa bảo mật cho phần mềm

• Giao diện nối tiếp SPI chủ/ tớ

• Hai bộ định thời /đếm 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt

• Hai bộ định thời /đếm 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế

độ bắt mẫu

• 2 kênh PWM điều chế độ rộng xung 8 bit

• 6 kênh PWM điều chế độ rộng xung 2-16 bit

• Bộ ngõ ra so sánh

• 8 kênh ADC 10 bit

• UART nối tiếp lập trình được

• Bộ định thời watchdog lập trình được với bộ dao động trên chip

• Có mạch power on reset

• Tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16Mhz

• Các nguồn ngắt ngoài và trong

• 53 đường vào ra

• Vcc=4.5 -5.5V

Sơ đồ chân và chức năng của ATMEGA128

Hình 2.16: Sơ đồ chân ATMEGA 128

• Vcc:Điện áp nguồn nuôi

• GND:Nối đất

• Cổng A(PA7…PA0) là cổng vào /ra 2 hướng 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong.Cổng A cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ bên ngoài.Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí bộ định thời không hoạt động

• Cổng B(PB7…PB0) là cổng vào /ra 2 hướng 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong.Cổng A cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ bên ngoài.Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí bộ định thời không hoạt động

• Tương tự cho cổng C, D, E

• Cổng F(PF7…PF0): Là cổng vào tương tự cho chuyển đổi tương tự sang số.Nó cũng là cổng vào /ra hai hướng 8 bit trong trường hợp không sử dụng cổng số tương tự, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong Cổng F cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ bên ngoài.Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí bộ định thời không hoạt động

• Cổng G(PG4…PG0) là cổng vào /ra 2 hướng 5 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong.Cổng G cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ ngoài Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí

bộ định thời không hoạt động

• RESET: Chế độ lặp lại

• XTAL1: Lối vào bộ khuếch đại đảo và mạch tạo xung nhịp bên trong

• XTAL2: Ngõ ra bộ khuếch đại đảo

• AREF: Là điện áp tham chiếu

• INT0,1,2,3 Là ngõ vào ngắt

• ICP:Là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ định thời/bộ đếm

• OC1A,B : Là chân ra cho chức năng so sánh lối ra bộ định thời/bộ đếm

• ALE: là chân tín hiệu cho phép chốt địa chỉ được dùng khi truy cập bộ nhớ

ngoài

2.2.7.3 Giới thiệu về vi điều khiển ATMEGA8

• Sử dụng kiến trúc RISC AVR(AVR kiến trúc RISC có chỉ tiêu chất lượng cao

và tiêu thụ ít năng lượng)

• Bộ nhớ Flash 8KB lập trình được ngay trong hệ thống,chịu được 10000 chu kỳ viết/xóa

• Bộ nhớ EEPROM 512B lập trình được ngay trong hệ thống, chịu được 100000 chu kỳ viết/xóa

• Bộ nhớ SRAM 1KB bytes

• Bộ biến đổi ADC 8 kênh 10 bit

• Khóa bảo mật cho phần mềm

• Giao diện nối tiếp SPI chủ/ tớ

• 2 bộ định thời /đếm 8 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt

• 1 bộ định thời /đếm 16 bit với chế độ so sánh và chia tần số tách biệt và chế

độ bắt mẫu

• 3 kênh PWM điều chế độ rộng xung 8 bit

• Bộ ngõ ra so sánh

• 8 kênh ADC

• UART nối tiếp lập trình được

• Bộ định thời watchdog lập trình được với bộ dao động trên chip

• Có mạch power on reset

• Tốc độ xử lý dữ liệu lên đến 16 triệu lệnh/giây ở tần số 16Mhz

• Các nguồn ngắt ngoài và trong

• 23 đường vào ra

• Vcc=4.5 -5.5V

Sơ đồ chân và chức năng của ATMEGA8

Hình 2.17: Sơ đồ chân ATMEGA 8

• Vcc:Điện áp nguồn nuôi

• GND:Nối đất

• Cổng A,B,D là cổng vào /ra 2 hướng 8 bit, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong.Các cổng này cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ bên ngoài.Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí bộ định thời không hoạt động

• Cổng C(PC6…PC0): Là cổng vào tương tự cho chuyển đổi tương tự sang số.Nó cũng là cổng vào /ra hai hướng 8 bit trong trường hợp không sử dụng cổng số tương

tự, có điện trở nối lên nguồn dương bên trong Cổng F cung cấp đường địa chỉ dữ liệu vào/ ra theo kiểu hợp kênh khi dùng bộ nhớ bên ngoài.Các chân cổng A có 3 trạng thái khi chế độ reset hoạt động , thậm chí bộ định thời không hoạt động

• RESET: Chế độ lặp lại

• XTAL1: Lối vào bộ khuếch đại đảo và mạch tạo xung nhịp bên trong

• XTAL2: Ngõ ra bộ khuếch đại đảo

• AREF: Là điện áp tham chiếu

• INT0,1 Là ngõ vào ngắt

• ICP:Là chân vào cho chức năng bắt tín hiệu vào bộ định thời/bộ đếm

• OC1A,B : Là chân ra cho chức năng so sánh lối ra bộ định thời/bộ đếm

• ALE: là chân tín hiệu cho phép chốt địa chỉ được dùng khi truy cập bộ nhớ ngoài

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Phương pháp thực hiện đề tài

3.1.1Chọn phương pháp thiết kế máy CNC

Qua quá trình khảo sát trên các phương tiện truyền thông và thực tế về các máy CNC Ta chọn thiết kế mô hình máy khoan cnc 2 trục

3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí

Phác thảo bản vẽ hình khối Thành lập bản vẽ chi tiết Gia công chi tiết

Lắp ráp các chi tiết lại với nhau

3.1.3 Phương pháp thực hiện mạch công suất

Tìm hiểu về các linh kiện phuc vụ cho đề tài Kiểm tra và chạy thử trên projectboard Làm mạch in và hàn linh kiện lên mạch in Kiểm tra và chạy thử trên board mạch in

3.1.4 Phương pháp thực hiện mạch điều khiển

Thiết kế mạch điều khiển cho vi xử lý gồm:mạch nguồn,mạch giao tiếp

RS232,mạch giao tiếp chủ và tớ, mạch giao tiếp LCD Kiểm tra và chạy thử trên projectboard

Viết chương trình thử nghiệm Hoàn thành chương trình phần mềm Làm mạch in và hàn linh kiện lên mạch in

3.1.5 Phương pháp viết chương trình điều khiển

Vẽ lưu đồ giải thuật điều khiển Viết chương trình điều khiển bằng phần mềm bascom

2.Phương tiện thực hiện đề tài 2.1 Phần cơ khí

¾ Vi điều khiển atmega128 và atmega8

¾ Các linh kiện điện tử khác

Chương 4

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1Sơ đồ chung phần cơ khí

Lưu đồ chung của hệ thống

TRỤC Y

Đcơ bước Encoder

Đcơ bước Đcơ bước

HỆ THỐNG

TRỤC X ĐIỀU KHIỂN TRỤC Z

Encoder Đcơ DC

Điều khiển mũi

khoan lên xuống

MÁY TÍNH

Căn cứ vào yêu cầu thực tế, các tài liệu và các mẫu máy có được thiết kế máy CNC khoan mạch in theo kiểu truyền động bằng động cơ bước, bộ phận được truyền động là vít

me bi và tín hiệu được hồi tiếp bởi encoder

Chú ý:Khi thiết kế phần cơ khí phải thiết kế sao cho:

™ Bề mặt các chi tiết phải phẳng

™ Các lỗ khoan đặt vít me và thanh dẫn động phải đồng tâm và không được quá rộng

™ Bộ phận trượt phải êm

™ Khi mua vít me bi phải chú ý vít me bị rơ hay không có máy đầu mối Trong đề tài này ta phải mua vít me bi có 1 đầu mối để khi khoan mạch in đạt được độ chính xác cao vì khoảng cách giữa các lỗ trên bảng mạch in rất nhỏ

™ Thiết kế sao cho phải có tính thẩm mĩ cao

Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống:

Hình 4.1 :Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống máy cnc

1: Động cơ bước điều khiển trục x 2: Khung dưới 3: Thanh dẫn động dưới 4: Vít me bi trục x

7:Động cơ bước điều khiển trục y 8:Trục z 9:Động cơ bước điều khiển trục z 10:Bộ phận gá mũi khoan

4.2Tính toán và thiết kế phần cơ khí

4 2.1 Tính toán

4.2.1.1 Phần mạch điều khiển

Tính toán cho ENCODER có mã hiệu:E6B2-CWZ6C Encoder được sử dụng để đếm số vòng quay của động cơ Khi Động cơ quay 1 vòng thì Encoder xuất ra 360 xung

Chiều dài của bàn kẹp hoặc bàn khoan (L) tiến tới khi vít me quay 1 vòng là:

L= D* Π

Với D là đường kính vít me bi Chiều dài tiến tới của bàn kẹp hoặc bàn khoan từ máy tính đưa xuống được gọi là K

Số xung lý thuyết được tính như sau:

Xung lý thuyết=

∏

*

*360

D K

Nếu xung thực tế do Encoder xuất ra nhỏ hơn xung lý thuyết thì động cơ quay cho đến khi xung thực tế bằng xung lý thuyết thì vi điều khiển mới xuất ra tín hiệu dừng động cơ

4.2.2 Thiết kế phần cơ khí

4.2.2.1 Thiết kế khung máy 4.2.2.1.1 Khung dưới

Khung dưới có biên dạng là hình chữ nhật là nơi gắn bàn kẹp, encoder, động cơ do

đó cần phải thiết kế sao cho đạt độ chính xác cao nên thiết kế khung phải đạt một số yêu cầu sau:

¾ Khung phải cứng

¾ Các góc phải vuông vắn có tính thẩm mỹ

¾ Các thanh dọc và thanh ngang phải song song hoặc vuông góc với nhau

¾ Các lỗ để gắn ổ lăn và thanh trượt phải đồng tâm

¾ Từ những yêu cầu trên tiến hành thi công khung dưới theo bản vẽ:

Thanh dọc : 2 thanh

Hình 4.2: Bản vẽ chế tạo 2 thanh dọc

Từ kích thước như bản vẽ ta cắt phôi có kích thước lớn hơn bản vẽ vài mm bằng gió

đá hoặc máy cắt nếu như ta mua được thanh có sẵn.Sau đó phay cho phẳng đúng kích thước như bản vẽ.Chọn mũi khoan 7mm khoan lỗ để tarô 8 lỗ 8mm để bắt bu lông với

thanh ngang

Hình 4.3: Bản vẽ chế tạo 2 thanh ngang

Từ kích thước như bản vẽ, cắt phôi có kích thước lớn hơn bản vẽ vài mm bằng gió đá.Sau đó phay cho phẳng đúng kích thước như bản vẽ.Chọn mũi khoan 8,5mm khoan 8

lổ để ắt bu lông với thanh dọc.Tiếp theo khoan 4 lỗ 12mm gắn thanh trượt, các lỗ phải đồng tâm và cuối cùng là chọn mũi khoan 22mm khoan sau đó dùng dao vét 2 lỗ gắn ổ lăn(b đạn) để gắn trục vít me

4.2.2.1.2 Khung trên

Bả vẽ:

ình 4.4: Bản vẽ chế tạo khung trên

Từ kích thước như bản vẽ cắt phôi có kích thước lớn hơn bản vẽ vài mm bằng gió đá

ắt nếu như mua được thanh có sẵn.Sau đó phay cho phẳng đúng kích thước

nh ản vẽ.Chọn mũi khoan 10mm khoan 4lỗ để lắp 2 thanh trượt, các lỗ phải đồng tâm

và cuối cùng là chọn mũi khoan 22mm khoan 2 lổ sau đó dùng dao vét cho rộng ra gắn ổ lăn(bạc đạn) để gắn trục vít me Vít me và thanh trượt tiện trục theo lỗ sao cho khớp với lỗ không được lỏng mà cũng không được quá cứng

4.2.2.2.Thiết kế bàn kẹp

Bản vẽ: