Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động cho máy đột dập MD 160

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 tiến sỹ

Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

cho máy đột dâp Md 160

Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ngành: công nghệ cơ khí

hướng dẫn khoa học: PGS.ts nguyễn trọng doanh

HÀ NỘI - 2008

I LÝ L ỊCH SƠ LƯỢC

Họ và tên: Nguyễn Tiến Sỹ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27.07.1977 Nơi sinh: Thái Bình

Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Giảng viên

Đơn vị công tác: Khoa cơ khí trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:

Khoa cơ khí trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Điện thoại cơ quan: … Nhà riêng: 04.22416228/ 22407214

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

Hệ đào tạo: Chính quy,Thời gian đào tạo từ: 1998 đến 2003

Nơi học: ĐHBK-HN

Nghành học: Chế tạo máy

Tên đồ án: Thiết kế QTCN chế tạo khuôn ép sản phẩm nhựa

Ngày và nơi bảo vệ đồ án: 29/05/2003

Người hường dẫn: TS Nguyễn Trọng Doanh

Thời gian đào tạo từ: 10/2006 đến 11/2008

Nơi học: Tr ường Đại học bách khoa Hà Nội – Hà Nội

Nghành học: Công nghệ Chế tạo máy

Tên luận văn: …

Ngày và nơi bảo vệ luận văn: 14/11/2008 tại Khoa cơ khí - Trường ĐHBK Hà Nội Người hường dẫn: TS Nguyễn Trọng Doanh

Trình độ ngoại ngữ:

Anh văn, trình độ C

Th ời gian N ơi công tác Công vi ệc đảm nhiệm

Lời cảm ơn

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

quá trình làm luận văn

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

Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2008

Học viên

Nguyễn Tiến Sỹ

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 30 th¸ng 10 n¨m 2008

Häc viªn

NguyÔn TiÕn Sü

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 thông 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 TS Nguyễn Trọng Doanh Em

đã tổng hợp được một khối lượng kiến thức nhất định ứng dụng công nghệ

điều khiển PLC vào việc cải tiến hệ thống cấp phôi tự động cho máy đột dập MD160 phục vụ thiết thực cho sản xuất thực tế và trong công tác giảng dạy về chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy tại trường ĐHCN-HN

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!

Em xin trân thành cảm ơn !

Nguyễn Tiến Sỹ

Phụ lục

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

điều khiển theo chương trình số

1

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

theo chương trình số

1 1.1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC 3

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

5 1.2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc 7 Sơ đồ hệ thống 7

1.2.1 Phân tích hệ điều khiển 7

1.2.1.1 Khối máy tính 8

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS232 13

1.2.1.3 Khối mạch logic và công suất 15

1.2.1.4 Khối cảm biến vi điều khiển 25

1.2.1.5 Khối MCU 43

1.3: Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC (loại CP-1250 hãng Taift, đài loan) 1.3.1 Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250 44

1.3.2 Tính năng điều khiển của máy đột dập CNC CP-1250 47

1.3.3 Phân tích cấu trúc điều khiển của máy đột dập CNC 50

1.3.3.1 Hệ thống dịch chuyển phôi 50

1.3.3.2 Hệ thống thay đổi chày cối đột 53

1.3.3.3 Hệ thống điều khiển ổ quay tự động 55

1.3.3.4 Hệ thống điều khiển trục chính 57

Chương 2: phân tích tính toán yêu cầu kỹ thuật của hệ thống cấp phôi 61 2.1 Cơ sở của việc nghiên cứu thiết kế hệ thống cấp phôI 61

2.1.1 Khảo sát sản phẩm của nhà máy 61

2.1.2 Khảo sát kết cấu máy 61

2.1.3 Khảo sát hệ thống cấp phôI 61

2.2 Những ưu điểm khi thiết kế hệ thống cấp phôI sử dụng kỹ thuật PLC

62 2.3 Tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi 62

2.3.1 Hệ thống truyền động vít me đai ốc bi (ball screw) 63

2.3.2 Động cơ dẫn động 65

2.3.3 Hệ thống đo đường dịch chuyển 66

2.3.4 Hệ thống dẫn động định hướng 68

2.3.5 Hệ thống kẹp chặt phôi 68

2.3.6 Tính toán thiết kế hệ thống bàn đỡ phôi 69

Chương 3: Chương trình điều khiển PLC 3.1 Lựa chọn hệ thống điều khiển và truyền động 73

3.2 Thông số của thiết bị trong hệ thống điều khiển 75

3.3 Chương trình điều khiển 82

Kết luận chung

phần mở đầu

I lý do chọn đề tài

Hiện nay, ở Việt nam máy công cụ CNC đã được trang bị rất nhiều ở 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 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.Giả 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

ii mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là ứng dụng kỹ thuật điều khiển PLC để cải tiến hệ thống cấp phôi cho máy đột dập MD160 Thiết kế mới hệ thống truyền động cơ khí, bàn đỡ phôi và hệ thống đo lường dịch chuyển

iii đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu sản phẩm, kết cấu của máy và đưa

ra giải pháp cải tiến hữu hiệu nhất

- 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 để cải tiến hệ thống cấp phôi một cách hợp lý

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

• 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 lượng15 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 thoong 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 đềukéo theo sự ngưng trệ của cả hệ thống

• FMS (Flexible Manufacturing System)

Hệ thống gia công linh hoạt, có khả nâưng gia công cá chi tiết khác nhau trong một họ chi tiết với số lượng và thứ tựgc 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 bàynhững 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 sátvà 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

Bản vẽ Lập trình

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 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 khă nâưng 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 hoạtcủa máy thể hiện rõ trên cơ sở việc thay đồic 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 eđiểm 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

Mạch số &

Công suất Các Sensor

Đóng mở van thủy lực(đầu búa)

Mức logic 1 Mức logic 0 Máy tính -5V -> -15V 5V -> 15V MCU 2,5V -> 5V 0 V

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

1.2.1.4Khối 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

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 vit (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:

Néi suy ®iÓm:

§Õm=1DeltaX=X®iÓmkÕ –Xbµnm¸y DeltaY=Y®iÓmkÕ –Ybµnm¸y

§óng Sai

§óng Sai

§óng

LÊy chiÒu DeltaX >0

Néi suy ®­êng th¼ng:

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

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

TruyÒn Data(0) Data(n) ra COM1

§óng Sai

T¨ng x=x+1

DeltaX= dX DeltaY= dY

ChiÒuY : Data(x+3) = 0 Byte cao: Data(x+4) =0 Byte thÊp: Data(x+5) =0

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

Data(6*y +1) = 0 Data(6*y +2) = 0 Data(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 = sè

®iÓm däc

x = sè

®iÓm ngang

TruyÒn ra cæng 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

R1IN

R2IN

T1IN T2IN

Hình1.6 : Sơ đồchân IC max232 1.2.3.4 Sơ đồ mạch thực tế được thiết kế như sau:

U1

MAX232

13

8 11

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 ữ15 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  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 vua phai 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 1,8 0 ữ 30 0 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 không tải là 20 Khz

Tín hiệu điều khiển:

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 ữ50 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 hổn 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 hổn 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 miến 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:

Đặc tính của động cơ:

Hình1.13 : Đường đặc tính động cơ bước

*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

M¹CH C¤NG SUÊT CHO §éNG C¥ B¦íC TRôc X

Opto2

R9 10K

24V

Opto3

ISO1 P521

FET4 FET4

ISO1 P521

FET3 5V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1 P521

1b 1a

2b 2a

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

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

Opto1

R14 10K

IRF9540

2

1 3

24V

Opto4

R10 10K

FET4 FET4

ISO1 P521

1

2 4

FET2

R3 1K

R14 10K

ISO1 P521

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

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 hãng 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 lương 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 trước kia đã sản xuất)

Các hãng này bao gồm: Intel, Atmel, Philips/signe-tics, AMD, Siemens, Matra và Dallas, Semicndictior

Địa chỉ của một số hãng sản xuất các thành viên của họ 8051

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

định thời nữa Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời

Nó có 8K byte ROM Trên chíp thay vì 4K byte như 8051

So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051

ROM trên chíp 4K byte 8K byte

9

12 13 14 15

1 2 3 4 5 6 7 8

39 38 37 36 35 34 33 32

21 22 23 24 25 26 27 28

17 16

29 30 11

RESET

P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

P3.7/RD P3.6/WR

PSEN ALE/P P3.1/TXD

P3.0/RXD

VCC

VSS

Hình1.17: Cấu trúc vi điều khiển họ 8051

* Là vi mạch TTL có 40 chân, mỗi chân có một kí hiệu tên và có các chức năng như sau:

- Chân 40: nối với nguồn nuôI +5V

- Chân 20: nối với đất

- Chân 29 (PSEN)(program store enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép chọn bộ nhớ ngoài và được nối chung với chân của OE (Outout Enable) của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chương trình Các xung tín hiệu PSEN hạ thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh Những mã nhị phân của chương trình được đọc từ EPROM đi qua bus dữ liệu

và được chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh.(chú ý việc đọc ở đây

là đọc các lệnh (khác với đọc dữ liệu), khi đó VXL chỉ đọc các bit opcode của lệnh và đưa chúng vào hàng đợi lệnh thông qua các Bus địa chỉ và dữ liệu

- Chân 30 (ALE : Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của Port 0 )//Chân này chỉ quan tâm khi sử dụng ROM và RAM ngoài

- Chân 31 (EA : Eternal Acess) được đưa xuống thấp cho phép chọn

bộ nhớ mã ngoàI đối với 8051

Đối với 8051 thì : EA = 5V Chọn ROM nội (Chúng ta làm thế này).EA = 0V : Chọn ROM ngoại

- 32 còn lại có chức năng vào ra chia làm 4 cổng:

P0 từ chân 39  32 tương ứng là các chân P0_0  P0_7

P1 từ chân 1  8 tương ứng là các chân P1_0  P1_7

P2 từ chân 21 28 tương ứng là các chân P2_0  P2_7

P3 từ chân 10  17 tương ứng là các chân P3_0  P3_7