Thiết kế chế tạo máy CNC

Giới thiệu về cách thiết kế chế tạo máy CNC.

CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN

1.1 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển

Hình 1-1 Sơ đồ hệ thống điện điều khiển

Trên sơ đồ trên bao gồm các khối chính như sau:

 Mạch điều khiển chính: Nhận lệnh từ phần mềm trên máy tính

để điều khiển các chuyển động quay của các động cơ; truyền vềmáy tính trạng thái hoạt động của máy (thông tin về tọa độ, trạngthái công tắc giới hạn, tín hiệu điều khiển từ bảng điều khiển …)

 Driver: Động cơ các trục của máy (3 trục X, Y và Z) được sửdụng là loại động cơ bước Do đó chúng ta phải sử dụng các bộdriver, có nhiệm vụ nhận các tín hiệu xung điều khiển từ bộ điềukhiển và khuyếch đại và chuyển đổi sang dạng xung điều khiểnchuyển động của các động cơ

 Động cơ các trục X, Y và Z: Sử dụng động c ơ bước truyềnchuyển động quay cho các trục vit me tương ứng với góc bướcquay xác định

 Động cơ phay: Động cơ phay mang mũi dao cắt, quay với tốc

độ cao để thực hiện cắt vật liệu

 Bảng điều khiển: Gồm các nút điều khiển dùng để hiệu chỉnhmáy, công tắc dừng khẩn để dừng máy khi gặp sự cố

 Công tắc giới hạn: Hành trình của các trục được giới hạn trongphạm vi nhất định, sử dụng các công tắc giới hạn để báo cho bộđiều khiển các vị trí giới hạn của các trục

 Kết nối máy tính: Thực hiện truyền lệnh điều khiển từ phầnmềm trên máy tính xuống bộ điều khiển Bao gồm các lệnh: Lệnhhiệu chỉnh máy, lệnh gia công … Và truyền về máy tính các trạngthái của bộ điều khiển (tọa độ các trục, trạng thái công tắc giớihạn …)

Các khối này được bố trí trong hộp thép, người dùng có thể thao tácvới các nút điều khiển ở trên mặt trước, kết nối với động cơ, công tắc, máytính đều bố trí ở mặt sau

Các thành phần cơ bản của một trục chính là bộ phận gá dao, đòn kéo,trục, các ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát và thân Có một số loại

hệ thống dẫn động, về cơ bản nó bao bao gồm một động cơ, trực tiếp hoặcgián tiếp, đi đôi với trục chính Trên hình 1 là hai dạng trục chính máy công

cụ gia công cao tốc, một loại được dẫn động gián tiếp thông qua bộ truyềnđai (belt-driven) còn loại kia được dẫn động trực tiếp từ một động cơ đượctích hợp trên trục (motorized).

Dẫn động trục chính là cơ cấu cung cấp và truyền chuyển động đếntrục chính, bao gồm động cơ và khớp nối Bằng cách này, tốc độ quay, momen xoắn và công suất sẽ được truyền đến dụng cụ nhờ cơ cấu kẹp dao Nóichung, có bốn loại trục chính phụ thuộc vào dạng dẫn động được sử dụng,bao gồm loại dẫn động đai, dẫn động bánh răng, dẫn động trực tiếp và dẫnđộng tích hợp

độ cao và vẫn đạt được độ bóng bề mặt tốt Tuy nhiên, vì truyền động thẳngnên mô men xoắn đạt được không cao khi hoạt động ở tốc độ thấp, không cóxích truyền động nên không thể tăng mô men xoắn một cách cơ học để đáplại sự giảm tốc độ động cơ

1.2.1.3 Điều khiển động cơ trục chính

Động cơ trục chính là loại ba pha, điều tốc bằng biến tần và tích hợpvới bo mạch điều khiển chính Chức năng điều khiển trục chính gồm: bật/tắtđộng cơ, đảo chiều trục chính, điều tốc thay đổi tốc độ vô cấp (từ 0 ÷ 24,000vòng/phút)

Như vậy, đầu vào biến tần có 3 đường điều khiển, điều khiển bật/tắt

và đảo chiều nối với tiếp điểm rơ le đầu ra của bo mạch điều khiển; chỉnh

tốc độ bằng điện áp một chiều (0 ÷ 10V) nối với đầu ra của mạch chuyển đổi

số - tương tự (DAC) trên bo mạ ch điều khiển

Hoạt động điều khiển được thao tác trên phần mềm, theo lệnh trongchương trình gia công hoặc bảng điều khiển trên mặt máy

1.2.2 Trục cơ sở

Các động cơ dẫn động ba trục đều sử dụng động cơ bước, là loại động

cơ có thể điều khiển chuyển động quay theo góc bước xác định Ưu điểmcủa động cơ bước là: khả năng điều khiển vi bước, bước quay của động cơ

có thể là 1.80 ÷ 0.0560 Tính năng này phù hợp với việc điều khiển trục máyCNC khi cần quay góc chính xác, tỷ số truyền nhỏ mà không phải dùng cơcấu giảm tốc nào Khi dừng, động cơ vẫn duy trì mômen “giữ” để giữ cáctrục quay cố định Tuy nhiên động cơ bước có nhược điểm là: Mạch điềukhiển phức tạp, dòng điều khiển cao, khó đạt được tốc độ cao …

Hai trục X và Y là trục dẫn động chính, có tải lớn nên cần động cơcông suất cao Trong đề tài này tôi chọn động cơ cho trục X và Y có thông

Động cơ trục Z làm việc với tải trọng ít hơn, nên động cơ được chọn

có công suất nhỏ hơn, các thông số chính như sau:

 Khối lượng: 0.65 (Kg).

Động cơ bước là loại động cơ đặc biệt, do đó cần thêm khối driverđiều khiển nhằm chuyển tín hiệu xung điều khiển (công suất thấp) thànhdạng tín hiệu điều khiển động cơ (công suất cao) Trong các ứng dụng đòihỏi cần momen lớn, sử dụng động cơ bước loại lưỡng c ực thì có lợi vềmomen gấp đôi so với loại đơn cực Tuy nhiên thiết kế mạch điều khiển lạiđòi hỏi nhiều kỹ thuật phức tạp và chi phí lại khá cao Vì vậy trong đề tàinày, tôi chỉ sử dụng loại động cơ đơn cực, khả năng điều khiển động có códòng định mức đ ến 5A và khả năng điều khiển vi bước đạt được 7 cấp: Toànbước, nửa bước, chia 4, chia 5, chia 8, chia 10 và chia 16 bước Qua nghiêncứu và thực nghiệm, chúng tôi quyết định sử dụng chế độ chia 10 để đảmbảo momen đạt được lớn nhất mà vẫn đạt được tốc độ cao

Driver điều khiển động cơ bước có thông số như sau:

Hình 1-2 Driver điều khiển động cơ bước

 Điện áp tối đa 85VDC

 Dòng lớn nhất mỗi pha 5A

 Tần số xung lớn nhất 80khz

 Chức năng hạn chế dòng 50% khi không có xung điều khiểntrong khoảng thời gian 2s để giảm nhiệt cho động cơ

1.3 Thiết kế hộp điều khiển

Hộp điều khiển bao gồm các module điều khiển hoạt động của máy,được bố trí trong hộp kín

Mạch điều khiển chính là khối điều khiển toàn bộ hoạt động của máy.Mạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ chính là:

 Khi hiệu chỉnh máy: Xuất xung điều khiển chuyển động cáctrục đến những vị trí xác định, hiệu chỉnh gốc tọa độ, điều khiểnđóng/ngắt động cơ phay …

 Khi thực hiện gia công: Nhận lệnh G Code từ máy tính, thựchiện nội suy (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) để xuấtxung điều khiển dịch chuyển các trục tương ứng Các lệnh G-Code cũng có thể được lưu trữ trên mạch điều khiển để thực hiệngia công mà không cần kết nối với máy tính Đồng thời mạchđiều khiển truyền về máy tính các thông số trạng thái của máy

Hình 1-3 Các khối chứ năng trong bo mạch điều khiển

Hình vẽ trên biểu thị các khối chính trong mạch điều khiển Tru ng tâmcủa mạch điều khiển là bộ vi xử lý, thực hiện mọi hoạt động điều khiển củamạch Vi xử lý liên kết với các khối chức năng thông qua các cổng truyền dữliệu để thực hiện các chức năng như:

 Kết nối với khối truyền thông USB: truyền tín hiệu điều khiểnhai chiều giữa vi xử lý và máy tính qua đường truyền USB, baogồm: tín hiệu điều khiển (Đóng/ngắt động cơ, dịch chỉnh các trục,dừng khẩn …) và dữ liệu (lệnh gia công G-Code, thông số cài đặtphần cứng …) Sử dụng đường truyền giao tiếp USB có ưu điểm

là tốc độ truyền cao, ổn định và chống nhiễu tốt

 Kết nối với khối lưu trữ EEPROM: Chương trình gia công cóthể được lưu trữ trên bộ nhớ của mạch điều khiển Bộ nhớEEPROM có dung lượng nhỏ (512 KB) nhưng có thể lưu trữchương trình ngay cả khi mất nguồn điệ n Chương trình lưu trữtrên bộ nhớ có thể dùng để thực hiện gia công khi không cần kếtnối với máy tính

 Lệnh G-Code truyền đến bộ vi xử lý, được nội suy và xuất cácxung điều khiển động cơ, các xung này thông qua bộ đệm đầu ra(khuyếch đại tín hiệu) và truyền tới các trục tương ứng

 Tín hiệu đầu vào (thông qua bộ đệm đầu vào) luôn được kiểmsoát, nhằm đảm bảo máy hoạt động trong phạm vi giới hạn chophép Tín hiệu dừng khẩn nhằm dừng toàn bộ hoạt động của máykhi gặp sự cố bất ngờ

1.4 Bảng điều khiển máy

Trên hộp điều khiển có bố trí các công tắc điều khiển nguồn cấp chocác bộ phận của máy: Công tắc nguồn chung, công tắc nguồn động cơ trụcchính, công tắc nguồn động cơ trục Tại mỗi công tắc có bố trí một đèn báo

để báo trạng thái của công tắc

Ngoài ra, trên mặt máy cũng bố trí công tắc dừng khẩn Công tắc cóchức năng tự giữ trạng thái khi đóng (muốn mở công tắc phải xoay númcông tắc theo chiều mũi tên) Do đó khi gặp sự cố đối với hoạt động củamáy, nhấn công tắc dừng khẩn thì bộ điều khiển tạm dừng hoạt động, nguồncủa các động cơ được ngắt để đảm bảo máy dừng hoàn toàn Sau khi khắc

phục sự cố, mở công tắc dừng khẩn và thiết lập lại bộ điều khiển để tiếp tụcgia công.

1.5 Công tắc giới hạn

Trục vít me chỉ có khoảng công tác nhất định, trường hợp đai ốc chạyquá hành trình sẽ gây nên tình trạng kẹt làm ảnh hưởng trực tiếp đến vit me– đai ốc, động cơ và cả chi tiết gia công Do yêu cầu đó, ta cần bố trí cáccông tắc giới hạn nhằm hạn chế hành trình chuyển động trên các trục trongphạm vi cho phép

Công tắc giới hạn còn có tác dụng xác định vị trí gốc “0” của máy Tại

vị trí đó, tọa độ máy trên các trục đều là tọa độ gốc Do yêu cầu cao về định

vị chính xác, ta sử dụng hệ thống công tắc quang Công tắc quang có ưuđiểm là độ chính xác đóng/mở cao, hoạt động th eo nguyên lý quang nênkhông có lực tiếp xúc, hoạt động tin cậy vì không còn tiếp điểm điện Bố trícông tắc quang trên phần cố định của trục, phần di động mang một lá chắnquang có thể chuyển động chạy qua phần rãnh chữ U của công tắc quang

Hình 1-4 Công tắc quang

Hình 1-5 Cách bố trí công tắc quang

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

Phần mềm điều khiển bao gồm: phần mềm trên mạch điều khiển củamáy và phần mềm trên máy tính

 Phần mềm trên mạch điều khiển có nhiệm vụ chính là nhậnlệnh gia công và thực hiện nội suy để xuất xung điều khiển động

cơ bước ở các trục Ngoài ra còn thực hiện các nhiệm vụ truyềnthông với máy tính, điều khiển động cơ trục chính, chọn gốc tọa

độ, kiểm soát trạng thái các đầu vào …

 Phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ chính là truyền các lệnhgia công đến mạch điều khiển của máy, hiển thị các thông tintrạng thái gia công, thực hiện hiệu chỉnh máy

2.1 Thuật toán nội suy trên phần mềm mạch điều khiển

Mạch điều khiển cần phải xây dựng thuật toán nội suy (đường thẳng

và cung tròn) để đọc trực tiếp lệnh gia công G-Code Các lệnh gia công cóthể được truyền lần lượt từ phần mềm máy tính, hoặc có thể được lưu trữtrong bộ nhớ EEPROM trên mạch điều khiển của máy Trong đề tài này, tôichỉ sử dụng thuật toán nội suy đường thẳng để thực hiện lệnh gia công G00

và G01 Lệnh nội suy cung tròn G02, G03 đã được phần mềm trên máy tínhchuyển đổi thành các lệnh nội suy đường thẳng G01 nhằm làm đơn giảnthuật toán trên mạch điều khiển

Các trục máy đều điều khiển bằng động cơ bước, do đó tương ứng vớimỗi xung, động cơ dịch chuyển trục đi một khoảng cố định rất nhỏ Giả sửnếu ta sử dụng trục vít me có bước ren bằng 2mm, động cơ bước chạy vớichế độ vi bước 1/10 (một vòng quay của động cơ chia làm 200 * 10 = 2000bước nhỏ) tương ứng với khoảng dịch chuyển 0 001 ( )

trình dịch chuyển thực tế nhất Có nhiều thuật toán nội suy đã được ứngdụng trong thực tế, sau đây tôi xin trình bày một số thuật toán tối ưu nhất.

2.1.1 Thuật toán nội suy Digital Differential Analys (DDA)

Hình 2-1 Sơ đồ thuật toán nội suy DDA

Giả sử cần thực hiện dịch chuyển vị trí trong mặt phẳng xOy từ điểm

có tọa độ (0,0) đến điểm có tọa độ (x,y) Khoảng dịch chuyển theo trục X làbằng a xung, dịch chuyển theo trục Y là bằng b xung Chiều dài đoạn thẳngdịch chuyển là L (a2 b2)

Độ phân giải của động cơ bước 1000 ( / )

2

2000

mm xung

với d là độ phân giải động cơ bước và F là tốc độ dịch chuyển

Chu kỳ phát xung là 60 (giây)

dF

T 

Ta sử dụng bốn thanh ghi của vi xử lý để nạp các giá trị Giá trị sốxung a được nạp vào thanh ghi px, số xung b được nạp vào thanh ghi py Haithanh ghi đệm qx và qy ban đầu đều bằng 0 Vi xử lý thực hiện tính toán theo

chu kỳ cố định với tần số f, mỗi lần thực hiện tính toán sẽ xuất xung điều

khiển động cơ Tại mỗi lần tính toán, giá trị của thanh ghi px được cộng vàothanh ghi qx, khi giá trị trong thanh ghi qx ≥ L thì xuất một xung ra động cơ

X và giá trị trong thanh ghi qx bằng qx = qx – L Tần số xung xuất cho động

( 2 2

Hz f L

Thực hiện nội suy ba trục, ta chỉ thêm thanh ghi pz và

qz, tính toán tương tự như trên

Ví dụ cần dịch chuyển từ tọa độ ban đầu (Xa,Ya) = (0,0) đến vị trí(Xb,Yb) = (3,4) Thuật toán nội suy được thực hiện như bảng sau:

Xung

Xung động cơ X

Xung động cơ Y

0 1 2 3 4 0

1 2 3 4 Y

X 5

L  nên thời gian tính toán nhiều hơn so với phép tính sốnguyên

2.1.2 Thuật toán đường thẳng Bresenhem

Thuật toán này đượ c Bresenhem đề xuất đển chuyển đổi đường thẳng

sử dụng tính toán theo số tăng của số nguyên để thích ứng với vẽ các đườngtròn và các biên dạng cong khác Bắt đầu từ điểm cuối phía bên trái của hệtọa độ (x0,y0), dịch từng bước theo cột (trục x) và tính to án giá trị y theo sốnguyên gần đường thẳng nhất giả sử chúng ta xác định được vị trí điểm tại(xk,yk), bước tiếp theo là tính toán đến vị trí kế tiếp với tọa độ xk+1

Có hai chọn lựa là (xk + 1,yk) và (xk + 1,yk + 1) với hai giá trị d1

(chênh lệch dướ i) và d2 (chênh lệch trên)

 

1 2 y-2 x yk+1

Ở đây y k1 y k chỉ có giá trị 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dấu của pk

Tham số đầu tiên được tính trực tiếp

Như vậy quá trình tính toán có thể tóm lược lại như sau:

Chọn điểm đầu bên trái của đường thẳng (x0,y0), tính toán các hằng

p   p    Tiếp tục lặp lại các bước trên x lần

2.1.3 Thuật toán nội suy trên máy vẽ (Plotter)

Sử dụng thuật toán này phù hợp với phần cứng vi xử lý trên mạchđiều khiển hơn Thuật toán đơn giản, chính xác và tốc độ tính toán nhanhtrên các số nguyên

Giả sử cần thực hiện lệnh G01 (X1,Y1,X3,Y3) F

Trong đó X1,Y1 là tọa độ điểm đầu

X3,Y3 là tọa độ điểm cuối.

X phụ thuộc vào DX, chiều dịch chuyển trục Y phụ thuộc vào DY

Bước 3: Tính toán giá trị sai lệch giữa |DX| và |DY| Đặt biến FXY =

|DX| - |DY|

Bước 4: Thực hiện xuất xung điều khiển, hoàn thành khi đạt đến tọa

độ của điểm cuối Tại mỗi chu kỳ tính toán

 Nếu dấu của FXY>0 thì dịch chuyển trục X đi một bước theochiều dịch chuyển tính toán ở bước 2 Giá trị FXY = FXY – DY,giá trị X2 = X2 + 1

 Nếu dấu của FXY<0 thì dịch chuyển t rục Y đi một bước theochiều dịch chuyển tính toán ở bước 2 Giá trị FXY = FXY – DX,giá trị Y2 = Y2 + 1

 Nếu X2 = DX và Y = DY thì vị trí dao đã dịch chuyển đến tọa

độ cuối và thoát khỏi vòng lặp

Ví dụ cần dịch chuyển từ vị trí (0,0) đến vị trí (3,-7), ta có bảng trạngthái sau:

X 4

-5 -6 -7

Quan sát trên hình vẽ, dịch chuyển các trục là không đồng thời nênbiên dạng dịch chuyển gấp khúc Khi thực hiện chạy máy sẽ xãy ra chuyểnđộng giật và hành trình dịch chuyển không gần giống với hành trình dịchchuyển thực tế so với phương pháp nội suy DDA Do đó, tôi chọn thuật toánnội suy đường thẳng DDA để xử lý trên mạch điều khiển

2.2 Điều khiển chuyển động các trục

Điều khiển chuyển động của động cơ trục cần phải đảm bảo chuyểnđộng êm dịu, và hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của giật do động cơ bước Vì