Các cách chế tạo máy CNC cỡ nhỏ
CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 1.1. Sơ đồ hệ thống điện điều khiển Hình 1-1 Sơ đ ồ hệ thống điện điều khiển Trên sơ đ ồ trên bao gồm các khối chính như sau: M ạch điều khiển chính: Nhận lệnh từ phần mềm tr ên máy tính đ ể đi ều khiển các chuyển động quay của các động c ơ; truyền về máy tính tr ạng thái hoạt động của máy (thông tin về tọa độ, trạng thái công t ắc giới hạn, tín hiệu điều khiển từ bảng điều khiển …). Driver: Đ ộng c ơ các trục của máy (3 trục X, Y và Z) được sử d ụng là lo ại động c ơ bước. Do đó chúng ta phải sử dụng các bộ driver, có nhi ệm vụ nhận các tín hiệu xung điều khiển từ bộ điều khi ển v à khuyếch đại và chuyển đổi sang dạng xung điều khiển chuy ển động của các động c ơ. Đ ộng cơ các trục X, Y và Z: Sử dụng động c ơ bư ớc truyền chuy ển động quay cho các trục vit me tương ứng với góc bước quay xác đ ịnh. Đ ộng c ơ phay: Động cơ phay mang mũi dao cắt, quay với tốc đ ộ cao để thực hiện cắt vật liệu. B ảng điều khiển: Gồm các nút điều khiển dùng để hiệu chỉnh máy, công t ắc dừ ng kh ẩn để dừng máy khi gặp sự cố. Công t ắc giới hạn: Hành trình của các trục được giới hạn trong ph ạm vi nhất định, sử dụng các công tắc giới hạn để báo cho bộ đi ều khiển các vị trí giới hạn của các trục. K ết nối máy tính: Thực hiện truyền lệnh điều khiển t ừ phần m ềm tr ên máy tính xuống bộ điều khiển. Bao gồm các lệnh: Lệnh hi ệu chỉnh máy, lệnh gia công … V à truyền về máy tính các trạng thái c ủa bộ điều khiển (tọa độ các trục, trạng thái công tắc giới h ạn …). Các kh ối này được bố trí trong hộp thép, người dùng có th ể thao tác v ới các nút điều khiển ở trên mặt trước, kết nối với động cơ, công tắc, máy tính đ ều bố trí ở mặt sau. 1.2. Thiết kế hệ dẫn động các trục máy 1.2.1. Trục chính 1.2.1.1. Lựa chọn trục chính Tr ục chính máy công cụ đóng vai trò quan trọng trong các quá trình gia công vì nó cung c ấp tốc độ cắt cho dao và là một phần của chuỗi truyền l ực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc chi tiết. Tùy theo loại máy mà trục chính có nh ững đặc tính khác nhau. Đối với máy tiện, trục chính mang chi ti ết và cấp tốc độ cắt. Khi khoan v à phay thì tr ục chính quay , dao đư ợc lắp trên nó đ ể tạo ra tốc độ cắt. Trục chính của máy công cụ là đối tượng mà các nhà ch ế tạo đã và đang t ập trung nghiên cứu hoàn thiện và phát triển . Các thành ph ần cơ bản của một trục chính là bộ phận gá dao, đòn kéo, tr ục, các ổ đỡ, hệ thống dẫn động, hệ thống làm mát và thân. Có một số loại h ệ thống dẫn động, về cơ bản nó bao bao gồm một động cơ, trực tiếp hoặc gián ti ếp, đi đôi với trục chính. Trên hình 1 là hai dạng trục chính máy công c ụ gia công cao tốc, một loại đư ợc dẫn động gián tiếp thông qua bộ truyền đai (belt-driven) còn lo ại kia được dẫn động trực tiếp từ một động cơ được tích h ợp trên trục (motorized). D ẫn động trục chính là cơ cấu cung cấp và truyền chuyển động đến tr ục chính, bao gồm động cơ và khớp nối . B ằng cách này, tốc độ quay, mo men xo ắn và công suất sẽ được truyền đến dụng cụ nhờ cơ cấu kẹp dao. Nói chung, có b ốn loại trục chính phụ thuộc vào dạng dẫn động được sử dụng, bao g ồm loại dẫn động đai, dẫn động bánh răng, dẫn động trực tiếp và dẫn đ ộng tích h ợp. Có nhi ều kiểu dẫn động trục chính: + Dẫn động trục chính bằng đai. + D ẫn động trục chính bằng bánh răng. + D ẫn động trục chính trực tiếp. + D ẫn động trục chính kiểu tích hợp. V ới mô hình thiết kế, để đảm bảo thiết kế hệ thống máy có kích thước nh ỏ gọn, nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về chế độ gia công. Ta chọn phương án d ẫn động trục chính trực tiếp. Ưu điểm của phương án này là: Các tr ục chính được dẫn động trực tiếp đạt hiệt suất truyền công suất từ đ ộng cơ đến dao gần 100%, có thể làm việc ở tố c đ ộ quay cao. H ệ thống truy ền động này ứng xử tốt về mặt rung động, có nghĩa là có thể đạt các tốc đ ộ cao và vẫn đạt được độ bóng bề mặt tốt. Tuy nhiên, vì truyền động thẳng nên mô men xo ắn đạt được không cao khi hoạt động ở tốc độ thấp, không có xích truy ền động nên không thể tăng mô men xoắn một cách cơ học để đáp lại sự giảm tốc độ động cơ. 1.2.1.2. Đặc tính kỹ thuật Dải tốc độ làm việc: 24000 vòng/phút. Tần số: 400Hz Công su ất: 800W. Mô men xo ắn lớn nhất: 1.20 N.m Làm mát: nư ớc. Kh ối l ượng: 6.8 Kg. 1.2.1.3. Điều khiển động cơ trục chính Đ ộng c ơ trục chính là loại ba pha, điều tốc bằng biến tần và tích h ợp v ới bo mạch điều khiển chính. Ch ức năng điều khiển trục chính gồm: bật/tắt đ ộng c ơ, đảo chiều trục chính, điều tốc thay đổi tốc độ vô cấp (từ 0 ÷ 24,000 vòng/phút). Như v ậy, 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 t ốc độ bằng điện áp một chiều (0 ÷ 10V) nối với đầu ra của mạch chuyển đổi s ố - tương t ự (DAC) trên bo mạ ch đi ều khiển. Ho ạt động điều khiển được thao tác trên phần mềm, theo lệnh trong chương tr ình gia công hoặc bảng điều khiển trên mặt máy. 1.2.2. Trục cơ sở Các đ ộng cơ dẫn động ba trục đều sử dụng động cơ bước, là loại động cơ có th ể điều khiển chuyển động quay t heo góc bư ớc xác định. Ưu điểm c ủa động cơ bước là: khả năng điều khiển vi bước, bước quay của động cơ có th ể là 1.8 0 ÷ 0.056 0 . Tính năng này phù h ợp với việc điều khiển trục máy CNC khi c ần quay góc chính xác, tỷ số truyền nhỏ mà không phải dùng cơ c ấu gi ảm tốc n ào. Khi dừng, động cơ vẫn duy trì mômen “giữ” để giữ các tr ục quay cố định. Tuy nhiên động cơ bước có nhược điểm là: Mạch điều khiển phức tạp, dòng điều khiển cao, khó đạt được tốc độ cao … Hai tr ục X v à Y là trục dẫn động chính, có tải lớn nên cần đ ộng c ơ công su ất cao. Trong đề t ài này tôi chọn động cơ cho trục X và Y có thông s ố nh ư sau: Hãng s ản xuất: Sanyo. Lo ại động cơ: 2 pha. Góc bư ớc: 1.8 0 . Mômen gi ữ: 1.17 (N.m). Dòng điện định mức: 3 (A/pha). Kh ối l ượng: 0.7 (Kg). Đ ộng c ơ trục Z làm vi ệc với tải trọng ít h ơn, nên động cơ được chọn có công su ất nhỏ h ơn, các thông số chính như sau: Hãng s ản xuất: Sanyo. Lo ại động cơ: 2 pha. Góc bư ớc: 1.8 0 . Mômen gi ữ: 0.83 (N.m). Dòng điện định mức: 2 (A/pha). Kh ối l ượng: 0.65 (Kg). Đ ộng c ơ bư ớc l à loại động cơ đặc biệt, do đó cần thêm khối driver đi ều khiển nhằm chuyển tín hiệu xung điều khiển (công suất thấp) th ành d ạng tín hiệu điều khiển động c ơ (công suất cao). Trong các ứng dụng đòi h ỏi cần momen lớn, sử dụng động c ơ bước loại lưỡng c ực th ì có l ợi về momen g ấp đôi so với loại đ ơn cực. Tuy nhiên thiết kế mạch điều khiển lại đ òi h ỏi nhiều kỹ thuật phức tạp và chi phí lại khá cao. Vì vậy trong đề tài này, tôi ch ỉ sử dụng loại động c ơ đơn cực, khả năng điều khiển động có có dòng đ ịnh mức đ ến 5A v à kh ả năng điều khiển vi bước đạt được 7 cấp: Toàn bư ớc, nửa b ước, chia 4, chia 5, chia 8, chia 10 và chia 16 bước. Qua nghiên c ứu và thực nghiệm, chúng tôi quyết định sử dụng chế độ chia 10 để đảm b ảo momen đạt được lớn nhất mà vẫn đạt được tốc độ cao. Driver đi ều khiển động cơ bước có thông số như sau: Hình 1-2 Driver đi ều khiển động cơ bước Đi ện áp tối đa 85VDC. Dòng l ớn nhất mỗi pha 5A. T ần số xung lớn nhất 80kh z. Ch ức năng hạn chế dòng 50% khi không có xung điều khiển trong kho ảng thời gian 2s để giảm nhiệt cho động cơ. 1.3. Thiết kế hộp điều khiển H ộp điều khiển bao gồm các module điều khiển hoạt động của máy, đư ợc bố trí trong hộp kín M ạch điều khiển chính l à khối đi ều khiển to àn bộ hoạt động của máy. M ạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ chính l à: Khi hi ệu chỉnh máy: Xuất xung điều khiển chuyển động các tr ục đến những vị trí xác định, hiệu chỉnh gốc tọa độ, điều khiển đóng/ng ắt động cơ phay … Khi th ực hiện gia côn g: Nh ận lệnh G Code từ máy tính, thực hi ện nội suy (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) để xuất xung đi ều khiển dịch chuyển các trục tương ứng. Các lệnh G - Code c ũng có thể được lưu trữ trên mạch điều khiển để thực hiện gia công mà không cần kết nối với máy tính. Đồng thời mạch điều khiển truyền về máy tính các thông số trạng thái của máy. Hình 1-3 Các kh ối chứ năng trong bo mạch điều khiển Hình v ẽ trên biểu thị các khối chính trong mạch điều khiển. Tru ng tâm c ủa mạch điều khiển là bộ vi xử lý, thực hiện mọi hoạt động điều khiển của m ạch. Vi xử lý liên kết với các khối chức năng thông qua các cổng truyền dữ li ệu để thực hiện các chức năng như: K ết nối với khối truyền thông USB: truyền tín hiệu điều khiển hai chi ều giữa vi xử lý v à máy tính qua đường truyền USB, bao g ồm: tín hiệu điều khiển (Đóng/ngắt động c ơ, dịch chỉnh các trục, d ừng khẩn …) v à dữ liệu (lệnh gia công G -Code, thông s ố c ài đặt ph ần cứng …). Sử dụng đ ường truyền giao tiếp USB có ưu điểm là t ốc độ truyền cao, ổn định v à chống nhiễu tốt. K ết nối với khối lưu trữ EEPROM: Chương trình gia công có th ể được lưu trữ trên bộ nhớ của mạch điều khiển. Bộ nhớ EEPROM có dung lư ợng nhỏ (512 KB) nhưng có thể lưu trữ chương trình ngay cả khi mất nguồn điện. Chương trình lưu trữ trên bộ nhớ có thể dùng để thực hiện gia công khi không cần kết n ối với máy tính. L ệnh G -Code truy ền đến bộ vi xử lý, được nội suy và xuất các xung đi ều khiển động cơ, các xung này thông qua bộ đệm đầu ra (khuy ếch đại tín hiệu) và t ruy ền tới các trục tương ứng. Tín hi ệu đầu vào (thông qua bộ đệm đầu vào) luôn được kiểm soát, nh ằm đảm bảo máy hoạt động trong phạm vi giới hạn cho phép. Tín hi ệu dừng khẩn nhằm dừng toàn bộ hoạt động của máy khi g ặp sự cố bất ngờ. 1.4. Bảng điều khiển máy Trên h ộp điều khiển có bố trí các công tắc điều khiển nguồn cấp cho các b ộ phận của máy: Công tắc nguồn chung, công tắc nguồn động cơ trục chính, công t ắc nguồn động cơ trục. Tại mỗi công tắc có bố trí một đèn báo đ ể báo trạng thái của công tắc. Ngoài ra, trên m ặt máy cũng bố trí công tắc dừng khẩn. Công tắc có chức năng tự giữ trạng thái khi đóng (muốn mở công tắc phải xoay núm công t ắc theo chiều mũi t ên). Do đó khi gặp sự cố đối với hoạt động của máy, nh ấn công tắc dừng khẩn th ì bộ điều khiển tạm dừng hoạt đ ộng, nguồn c ủa các động c ơ được ngắt để đảm bảo máy dừng hoàn toàn. Sau khi khắc ph ục sự cố, mở công tắc dừng khẩn và thiết lập lại bộ điều khiển để tiếp tục gia công. 1.5. Công tắc giới hạn Tr ục vít me chỉ có khoảng công tác nhất định, trường hợp đai ốc chạy quá hành trình s ẽ 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 các công t ắc giới hạn nhằm hạn chế hành trình chuyển động trên các trục trong ph ạm vi cho phép. Công t ắc g i ới hạn còn có tác dụng xác định vị trí gốc “0” của máy. Tại v ị trí đó, tọa độ máy trên các trục đều là tọa độ gốc. Do yêu cầu cao về định v ị chính xác, ta sử dụng hệ thống công tắc quang. Công tắc quang có ưu đi ểm là độ chính xác đóng/mở cao, hoạt động th eo nguyên lý quang nên không có lực tiếp xúc, hoạt động tin cậy vì không còn tiếp điểm điện. Bố trí công t ắc quang tr ên phần cố định của trục, phần di động mang một lá chắn quang có th ể chuyển động chạy qua phần r ãnh chữ U của công tắc quang. Hình 1-4 Công t ắc quang Hình 1-5 Cách b ố trí công tắc quang [...]... điều khiển của máy và phần mề m trên máy tính Phần mềm trên mạch điều khiển có nhiệm vụ chính là nhận lệnh 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 truyền thông 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 lệnh gia công... khiển của máy, hiển thị các thông tin trạng 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 có thể được truyền lần lượt từ phần mềm máy tính, hoặc có thể được lưu trữ trong bộ nhớ EEPROM trên mạch điều khiển của máy Trong... tốc độ khi điều khiển có gia tốc 2.3 Phần mềm điều khiển trên máy tính Hình 2-4 Phần mềm điều khiển trên máy tính Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình Visual C++, giao diện đơn giản dễ thao tác Cấu trúc phần mềm gồm 4 phần: Phần hiệu chỉnh máy: Bố trí các thanh công cụ bên trái dùng để hiệu chỉnh máy như: Dịch chỉnh tinh tọa độ các trục, đặt tọa độ bù, điều khiển đầu ra động cơ trục chính,... làm mát bằng nước các trạng thái đầu vào của các công tắc giới hạn c ũng được thể hiện trên màn hình Hiệu chỉnh máy có thể dịch chuyển các trục đi một bước nhất định Nhấn vào các nút tương ứng với trục, sẽ làm dịch chuyển đi một bước đặt trước đối với trục tương ứng Đặt tọa độ Offset: tọa độ bù là tọa độ cộng thêm vào sao cho vị trí tại đó là gốc tọa độ của chương trình, tọa độ máy tại đó có giá trị... (G54 – G59), máy sẽ đặt tọa độ bù tương ứng 2.3.2 Phần quản lý lệnh gia công Khi thực hiện gia công phải tải file G -Code vào chương trình, các lệnh gia công được lọc và xử lý cho phù hợp với máy Đồng thời, tính toán để chuyển đổi đơn vị đo theo chiều dài (mm) thành đơn vị đo theo xung bước của động cơ Khi thực hiện chạy lệnh gia công, các lệnh G-Code được truyền lần lượt xuống máy Khi máy thực hiện... cho phần mềm, biên dạng gia công được hiển thị trên màn hình đồ họa Phần cài đặt các thông số máy: Tốc độ chạy dao (cấp nhanh, cấp bình thường, cấp chậm), tọa độ bù, thông số (số bước/mm) của từng trục … 2.3.1 Phần hiệu chỉnh máy Hình 2-5 Các công cụ trên giao diện phần mềm Phần trên cùng điều khiển trạng thái của các cổng đầu ra, bao gồm cổng xuất xung PWM (chỉ sử dụng điều khiển đầu cắt laser),... 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 mạch điều khiển hơn Thuật toán đơn giản, chính xác và tốc độ tính toán nhanh trên 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 F tốc độ dịch chuyển Bướ c 1: Khởi tạo các biến Đặt tọa... cung tròn G02, G03 đã được phần mềm trên máy tính chuyển đổi thành các lệnh nội suy đường thẳng G01 nhằm làm đơn giản thuật toán trên mạch điều khiển Các trục máy đều điều khiển bằng động cơ bước, do đó tương ứng với mỗi xung, động cơ dịch chuyển trục đi một khoảng cố định rất nhỏ Giả sử nếu ta sử dụng trục vít me có bước ren bằng 2mm, động cơ bước chạy với chế độ vi bước 1/10 (một vòng quay của động... đảm bảo chuyển động êm dịu, và hạn chế thấp nhất ảnh hưởng của giật do động cơ bước Vì vậy, tốc độ chuyển động của các trục cần phải điều khiển có gia tốc, tốc độ tăng dần Ổn định Giảm dần Như vậy biểu đồ vận tốc có dạng hình thang tương ứng với giai đoạn tăng tốc - ổn định – giảm tốc Hình 2-2 Hai biên dạng vận tốc đặc trưng trong điều khiển chuyển động các trục máy Trong thực tế, việc điều khiển... xong một lệnh sẽ báo về phần mềm để gửi lệnh tiếp theo Mạch điều khiển trên máy có thể nhận được các lệnh sau: G0 Chạy dao nhanh G1 Nội suy đường th ẳng G54 – G59 đặt tọa độ bù M2 Kết thúc chương trình M3, M4, M5 Điều khiển động cơ trục chính M6 Lệnh thay dao M7 Bật hệ thống làm mát M9 Tắt hệ thống làm mát M30 Kết thúc chương trình, dịch chuyển dao cắt về vị trí chờ 2.3.3 Màn hình đ . trên mặt trước, kết nối với động cơ, công tắc, máy tính đ ều bố trí ở mặt sau. 1.2. Thiết kế hệ dẫn động các trục máy 1.2.1. Trục chính 1.2.1.1. Lựa chọn trục chính Tr ục chính máy công cụ đóng. D ẫn động trục chính kiểu tích hợp. V ới mô hình thiết kế, để đảm bảo thiết kế hệ thống máy có kích thước nh ỏ gọn, nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về chế độ gia công. Ta chọn phương án d ẫn động trục. trục. K ết nối máy tính: Thực hiện truyền lệnh điều khiển t ừ phần m ềm tr ên máy tính xuống bộ điều khiển. Bao gồm các lệnh: Lệnh hi ệu chỉnh máy, lệnh gia công … V à truyền về máy tính các trạng thái