Nghiên cứu xây dựng mô hình khoan-phay tự động có ứng dụng và xử lý AVR

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ BÁO CÁO ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHOAN - PHAY TỰ ĐỘNG CÓ ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ AVR PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ Chủ nhiệm đề tài: TS. Vũ Thanh Chương 9128 HÀ NỘI, THÁNG 12 – 2011 1 MỤC LỤC Trang Danh mục các bảng 4 Danh mục các hình vẽ Danh mục các từ viết tắt 5 7 Mở đầu 8 1. Lý do lựa chọn đề tài 8 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 7 3. Kết cấu của đề tài 9 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VI XỬ LÝ AVR-ATMEGA128 10 1.1 Tình hình nghiên cứu vi xử lý AVR ở nước ngoài 10 1.2 Tình hình nghiên cứu vi xử lý AVR ở trong nước 11 1.3. Lịch sử phát triển của vi xử lý AVR 12 1.4. Đặc điểm, tính năng của vi xử lý AVR 13 1.4.1. Đặc điểm 13 1.4.2. Tính năng 15 1.5. Cấu trúc bộ nhớ và cổng Vào-Ra 15 1.5.1. Cấu trúc bộ nhớ 15 1.5.2. Cổng Vào-Ra I/O 20 1.5.2.1 Thanh ghi DDRx 20 1.5.2.2. Thanh ghi PORTx 20 1.5.2.3. Thanh ghi PINx 21 1.6. Bộ định thời của ATMEGA128 22 1.6.1. Bộ định thời 1 và 3 22 1.6.2. Bộ định thời 0 và 2 22 1.7. Cấu trúc ngắ t của ATMEGA128 23 1.7.1. Khái niệm về ngắt 23 1.7.2. Trình phục vụ ngắt và bảng véctơ ngắt 24 1.7.2.1. Thứ tự ưu tiên ngắt 24 1.7.2.2. Các ngắt ngoài 26 1.8. Các bộ phận ngoại vi khác 26 1.8.1. Bộ so sánh tương tự 26 1.8.2. Bộ chuyển đổi ADC 27 1.8.3. Bộ truyền nhận dữ liệu nối tiếp USART 30 2 Chương 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH, XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HỆ THỐNG KHOAN – PHAY TỰ ĐỘNG 32 2.1. 2.1.1. 2.1.2. Cấu trúc của hệ thống ……………………………………………… Khái niệm và sơ đồ hệ thống sản xuất linh hoạt và tích hợp ……… Mô hình hệ thống sản xuất tự động ………………………………… 32 32 33 2.1.2.1. Máy phay CNC trong hệ thống ……………………………………… 35 1. Hệ trục tọa độ của máy phay CNC ………………………………… 35 2. Các dạng điều khiển c ủa máy phay CNC ……………………………. 36 3. Các chỉ tiêu gia công của máy phay CNC ………………………… 39 2.1.2.2. Rôbôt công nghiệp trong hệ thống CIM …………………………… 41 1. 2. 3. 4. Định nghĩa …………………………………………………………… Các thành phần chính của Rôbôt công nghiệp ……………………… Bậc tự do của Rôbôt ……………………………………………… Hệ tọa độ và vùng làm việc của Rôbôt …………………………. 41 41 42 43 5. Phân loại Rôbôt …………………………………………………… 43 6. Ứng dụng Rôbôt công nghiệp trong hệ thống CIM ……………. 44 7. Các yêu cầu đối với Rôbôt hoạt động trong hệ thống CIM …… 44 2.1.2.3. Kho chứa tự động trong hệ thống CIM ………………………………. 45 1. Chức năng của kho chứa t ự động ……………………………………. . 44 2. Thành phần của kho chứa tự động …………………………………… 45 3. Các loại kho chứa tự động …………………………………………… . 45 2.1.2.4. Hệ thống vận chuyển –tích trữ chi tiết gia công của CIM ………… … 47 1. 2. Thiết bị kỹ thuật ……………………………………………………… Chức năng …………………………………………………………… … 47 48 3. Phân loại hệ thống vận chuyển – tích trữ chi tiết …………………… 48 4. Tổ chức vận hành dụng cụ cắt trong hệ thống CIM …………… … 50 5. Chức năng của hệ thống vận chuyển – tích trữ dụng cụ …………… … 51 6. Một số loại hệ thống vận chuyển – tích trữ dụng cụ …………………. 51 2.2. Thiết kế hệ thống khoan - phay ……………………………………… . 52 2.2.1. Thiết kế mô hình Rôbôt công nghiệp ………………………………… 52 2.2.2. Thiết kế mô hình máy phay CNC ……………………………………. 55 2.2.2.1. Tính năng kỹ thuật cơ bản của máy ………………………………… 55 2.2.2.2. Trục chính máy phay CNC ………………………………………… … 58 2.2.2.3 Thiết kế mô hình kho chứa phôi …………………………………… … 59 2.2.2.4. Thiết kế băng tải tự động …………………………………………… 59 2.3. Thiết kế mạch điều khiển hệ thống ………………………………… 60 2.3.1. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển …………………………………. 60 3 2.3.2. Mạch điều khiển trung tâm ………………………………………… 61 2.3.2.1. Khối nguồn …………………………………………………………… 61 2.3.2.2. Chức năng điều khiển động cơ bước ………………………………… 62 2.3.2.3. Chức năng giao tiếp qua chuẩn RS 232 (UART) ……………………… 63 2.3.2.4. Mạch kết nối quang ………………………………………………… … 63 2.3.3. Mạch điều khiển động cơ bước ………………………………………. 64 2.4. Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát hệ thống ………………. 65 2.4.1. Nhiệm vụ …………………………………………………………… … 65 2.4.2. 2.4.2.1. 2.4.2.2. 2.4.3. 2.4.3.1. 2.4.3.2. Lưu đồ thuật toán …………………………………………………… Lưu đồ thuật toán của chương trình trên máy tính …………………… Lưu đồ thuật toán của vi xử lý ……………………………………… Thiết kế giao diện của chương trình điều khiển hệ thống ……………. Chương trình gia công chi tiết ……………………………………… … Lựa chọn các thông số khởi động ……………………………………. 66 66 69 71 71 72 Chương 3. XÂY DỰNG CÁC BÀI THỰC HÀNH, THÍ NGHIỆM ĐIỂN HÌNH TRÊN HỆ THỐNG KHOAN – PHAY TỰ ĐỘNG 73 Bài số 1 Khoan lỗ suốt 73 Bài số 2 Phay hốc 75 Bài số 3 Phay mặt phẳng, mặt bậc 77 Bài số 4 Lập phương trình động học thuận cho Rôbôt 79  KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 82 1. Kết luận 82 2. Khuyến nghị 83 Tài liệu tham khảo 84 Ph ụ lục: Phụ lục 1: Chương trình điều khiển và giám sát hệ thống Phụ lục 2: Hệ thống bản vẽ Phụ lục 3: QĐ về việc đặt hàng thực hiện nhiệm vụ KH&CN của Bộ trưởng Bộ Công thương, Hợp đồng, thuyết minh đề tài, Quyết định thành lập HĐ nghiệm thu cấp Cơ sở, Biên bản họp Hội đồng nghiệ m thu cấp trường đánh giá nghiệm thu đề tài khoa học cấp Bộ năm 2011, Bài phản biện của Hội đồng cấp cơ sở, QĐ thành lập Hội đồng KHCN cấp Bộ đánh giá nghiệm thu nhiệm vụ KHCN năm 2011, Biên bản họp Hội đồngKHCN đánh giá nghiệm thu đề tài cấp Bộ.  4 DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Cấu hình cho các chân cổng 21 Bảng 1.2. Bảng véctơ ngắt của ATmega128 24 Bảng 2.1. Thông số gia công 40 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Hình dáng bên ngoài một số vi xử lý AVR 12 Hình 1.2. Cấu trúc của vi xử lý AVR 13 Hình 1.3. Cấu trúc bộ nhớ chương trình 16 Hình 1.4. Sơ đồ bộ nhớ dữ liệu 17 Hình 1.5. Thanh ghi EFAR 18 Hình 1.6. Thanh ghi EFDR 18 Hình 1.7. Thanh ghi EFCR 18 Hình 1.8. Sơ đồ bộ nhớ của ATmega128 19 Hình 1.9. Thanh ghi DDRA 20 Hình 1.10. Thanh ghi PORTA 21 Hình 1.11. Thanh ghi PINA 21 Hình 1.12. Sơ đồ bộ so sánh tương tự 27 Hình 1.13. Sơ đồ đơn giản của một khối ADC 28 Hình 1.14. Ngõ vào vi sai 29 Hình 1.15. Sơ đồ khối bộ USART 31 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống khoan - phay tự động 34 Hình 2.2. Hệ trục tọa độ trong máy CNC 35 Hình 2.3. Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm - điểm 37 Hình 2.4. Các dạng chạy dao trong điều khiển đường thẳng 37 Hình 2.5. Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b) 38 Hình 2.6. Điều khiển contour 2D 38 Hình 2.7. Điều khiển contour 3D 39 Hình 2.8. Vùng gia công của máy 40 Hình 2.9. Các thành phần chính của hệ thống Rôbôt 42 Hình 2.10. Minh hoạ không gian làm việc của Rôbôt 43 Hình 2.11. Sơ đồ kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu cầu 46 Hình 2.12. Sơ đồ kho chứa tự động có dạng cần cẩu cầu 46 Hình 2.13. Kho chứa tự động có dạng giá trọng lực 47 Hình 2.14. Sơ đồ hệ thống vận chuyển-tích trữ chi tiết của hãng Hitachi Seiki 49 Hình 2.15. S ơ đồ hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của hãng Cincinnati Milacron 50 Hình 2.16. Hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ dạng xích của hãng Hitachi Seiki 52 6 Hình 2.17. Sơ đồ động của rôbôt 53 Hình 2.18. Động cơ bước Sanyo Denki 53 Hình 2.19. Kết cấu của Rôbôt 54 Hình 2.20. Tay gắp Rôbôt 55 Hình 2.21. Mô hình máy phay CNC 56 Hình 2.22.Vít me bi HIWIN 57 Hình 2.23. Sơ đồ động của chuyển động chạy dao 58 Hình 2.24. Sơ đồ kho chứa tự động 59 Hình 2.25. Hệ thống cấp phôi và băng tải vận chuyển phôi 60 Hình 2.26. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 61 Hình 2.27. Mạch đi ều khiển trung tâm 62 Hình 2.28. Khối nguồn cung cấp cho vi xử lý 62 Hình 2.29. IC Max232 giao tiếp UART 63 Hình 2.30. Mạch kết nối sensor hồng ngoại 64 Hình 2.31. Mạch điều khiển động cơ bước 65 Hình 2.32. Sơ đồ chương trình điều khiển hệ thống 66 Hình 2.33. Lưu đồ thuật toán của chương trình tính toán góc quay của động cơ truyền động máy CNC 68 Hình 2.34. Lưu đồ thuật toán của chương trình trên vi xử lý máy CNC 70 Hình 2.35. Cử a sổ thiết kế chương trình gia công 71 Hình 2.36. Đường ăn dao mô phỏng 72 Hình 2.37. Lựa chọn các thông số khởi động hệ thống 72 Hình 3.1. Chi tiết khoan 73 Hình 3.2. Chi tiết phay hốc 75 Hình 3.3. Chi tiết phay mặt phẳng , mặt bậc 77 Hình 3.4. Sơ đồ động của Rôbôt 79 7 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FMS : Flexible Munufacturing Systems CIM : Computer Itegrated Munufacturing RISC : Reduced Instruction Set Computer AVR : Advanced Virtual RISC ROM : Read Only Memory EPROM : Error Programmable Read-Only Memory EEPROM : Electronically Erasable Read-Only memory LCD : Liquid Crystal Display MCU : Micro Controller Unit SPI : Serial peripheral interface PWM : Pulse-width modulation ADC : Analog-to-digital converter USARTS : Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter SRAM : Static Random Access Memory TWI : Two-Wire Serial Intereafce TQFP : Thin Quad Flat Pack MOS : Metal-Oxide-Semiconductor IC : Integrated circuit CPU : Central Processing Unit I/O : Input/Output TTL : Transistor-transistor logic CMOS : Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ISR : Interrupt Service Routine PC : parallax of one arc second SME : Society of Manufacturing Engineers AMT : Advanced Manufacturing Technologies CAD : Computer-aided design CAM : Computer-aided manufacturing CAPP : Computer-aided process planning LAN : Local Area Network COM : Communication PLC : Programmable Logic Controller 8 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Chất lượng đào tạo nguồn nhân lực có trình độ cao, phù hợp với nhu cầu của các doanh nghiệp, các cơ sở sản xuất là yêu cầu cấp thiết đặt ra đối với các trường và các trung tâm đào tạo. Để nâng cao chất lượng nguồn nhân lực, một yếu tố quan trọng có tính quyết định đó là cơ sở vật chất, trang thiế t bị, đồ dùng dạy học tiên tiến, hiện đại, phù hợp với thực tế sản xuất. Thiết bị đồ dùng dạy học giúp cho học sinh, sinh viên dễ tiếp thu bài học, hỗ trợ cho giảng viên, giáo viên truyền tải nội dung bài giảng mang lại hiệu quả cao nhất. Mặt khác, thiết bị dạy học tiên tiến, hiện đại giúp cho giảng viên, giáo viên đổi mới phương pháp dạy học tích cực trong nhà trường, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả đào tạo. Ngày nay nhiều dây chuyền sản xuất tự động trong công nghiệp cũng như một số thiết bị dân dụng có ứng dụng vi xử lý, các dây truyền sản xuất tự động có ứng dụng vi xử lý đã được các doanh nghiệp đầu tư phục vụ sản xuất, nhằm giảm sức lao động, nâng cao năng suất lao độ ng. Tuy nhiên các thiết bị, mô hình tương tự phục vụ công tác đào tạo tại các cơ sở đào tạo còn rất ít. Hiện nay trong điều kiện nền kinh tế đất nước đang còn nhiều khó khăn, nguồn kinh phí cấp để các trường tăng cường cơ sở vật chất, trang thiết bị, đồ dùng dạy học tiên tiến, hiện đại đang còn hạn hẹp. Cho nên việc nghiên cứu, ứ ng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến, hiện đại để thiết kế, chế tạo hệ thống sản xuất tự động, linh hoạt (FMS) hay hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính (CIM) phục vụ đào tạo và áp dụng vào thực tế sản xuất rất cần thiết. Để học sinh, sinh viên ra trường có kiến thức cơ bản v ề hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM, yêu cầu đặt ra đối các cơ sở đào tạo, ngoài truyền thụ những kiến thức cơ bản về các hệ thống sản xuất linh hoạt, phải có các mô hình phục vụ công tác học tập, thực tập, làm thí nghiệm và nghiên cứu khoa học. Xuất phát từ những yêu cầu đó, năm 2011 đội ngũ cán bộ, giảng viên trường Đạ i học Sao Đỏ đã đề xuất lựa chọn đề tài nghiên cứu với nội dung: “Nghiên cứu, xây dựng mô hình khoan – phay tự động có ứng dụng vi xử lý AVR phục vụ công tác đào tại trường Đại học Sao Đỏ”. Với mục tiêu ứng dụng thành tựu khoa học kỹ thuật về vi xử lý để thiết kế, chế tạo mô hình và xây dựng hệ thống bài thực hành, thí nghiệm. 2. Mục tiêu nghiên c ứu của đề tài - Nghiên cứu đặc tính, tính năng của vi xử lý AVR 9 - Nghiên cứu tổng quan về hệ thống khoan - phay tự động. - Thiết kế, chế tạo phần cơ khí và bộ điều khiển giám sát cho hệ thống khoan - phay tự động. - Xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát hệ thống khoan - phay bằng ngôn ngữ Visual Basic - Lắp đặt và vận hành mô hình hệ thống khoan – phay tự động. - Xây dựng một số bài thực hành, thí nghiệm điển hình phù hợp với mô hình. 3. Kết cấu của đề tài Nôi dung trình bày trong đề tài bao gồm 3 chương: Chương 1. Tổng quan về vi xử lý AVR – Atmega 128 Chương 2. Thiết kế mô hình, xây dựng phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống khoan - phay tự động. Chương 3. Xây dựng hệ thống bài thực hành, thí nghiệm điển hình trên hệ thống khoan - phay tự động. Kết luận và khuyến nghị [...]... trong vi xử lý và được chạy lúc khởi động Phần mềm này có thể tải vào trong vi xử lý, chương trình của người sử dụng và sau đó thực thi chương trình này Mỗi khi reset vi xử lý CPU sẽ nhảy tới thực thi chương trình boot loader trước, chương trình boot loader sẽ dò xem có chương trình nào cần nạp vào vi xử lý hay không, nếu có chương trình cần nạp, boot loader sẽ nạp chương trình vào vùng nhớ ứng dụng (Application... thống - Hệ thống kiểm tra và các thành phần khác 2.1.2 Mô hình hệ thống khoan - phay tự động Để mô phỏng hệ thống sản xuất tự động có sự trợ giúp của máy tính phục vụ công tác nghiên cứu và đưa vào giảng dạy tại các cơ sở đào tạo đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp Nhóm tác giả đã xây dựng cấu trúc của hệ thống khoan - phay tự động, hệ thống bao gồm các phân hệ sau: - Mô hình máy phay CNC - Rôbôt... loader sẽ chuyển tới chương trình ứng dụng có sẵn trong vùng nhớ ứng dụng để thực thi chương trình này Phần ứng dụng (Application program section) là vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng của người dùng Kích thước của phần boot loader và phần ứng dụng có thể tùy chọn Hình 1.3 thể hiện cấu trúc bộ nhớ chương trình không sử dụng bootloader (a) và có sử dụng bootloader (b) Khi sử dụng phần boot loader ta thấy... hoạt, phải có các mô hình phục vụ công tác học tập, thực tập, làm thí nghiệm và nghiên cứu khoa học 1.3 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA VI XỬ LÝ AVR Vi xử lý AVR do hãng Atmel (Hoa Kỳ) sản xuất được giới thiệu lần đầu vào năm 1996 và có rất nhiều dòng khác nhau bao gồm: Dòng Tiny AVR (AT tiny 13, AT tiny 22…) nó có kích thước bộ nhớ nhỏ, ít bộ phận ngoại vi, rồi đến dòng AVR (AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước... thì vẫn như nhau Đặc biệt, năm 2008 Atmel lại tiếp tục cho ra đời dòng AVR mới là Xmega AVR, với những tính năng mạnh mẽ chưa từng có ở các dòng AVR trước đó Có thể nói Xmega AVR là dòng MCU 8 bít mạnh nhất hiện nay Hình 1.1 Hình dáng bên ngoài vi xử lý AVR 12 Hình 1.2 Cấu trúc của vi xử lý AVR 1.4 ĐẶC ĐIỂM VÀ TÍNH NĂNG CỦA VI XỬ LÍ AVR 1.4.1 Đặc điểm - Hiệu suất cao, tiết kiệm điện - Hoàn thiện cấu trúc... tương tự (Analog Comparator) như hình 1.12 Bộ so sánh có hai ngõ vào tương tự là AIN0 và AIN1 và một ngõ ra số ACO Nguyên tắc hoạt động của bộ so sánh tương tự là: Khi ngõ vào AIN0 có điện thế cao hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO sẽ ở mức cao (tương ứng với lôgíc 1), ngược lại khi ngõ vào AIN0 có điện thế thấp hơn ngõ vào AIN1 thì ngõ ra ACO sẽ ở mức thấp (tương ứng với lôgíc 0) Thường trong hai ngõ vào,... VI XỬ LÝ AVR - ATMEGA 128 1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VI XỬ LÝ AVR Ở NƯỚC NGOÀI Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới các thiết bị và hệ thống sản xuất linh hoạt đã được sử dụng rộng rãi nhằm giảm sức lao động và nâng cao năng suất lao động Trong nền sản xuất hiện đại việc xây dựng các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS cho phép tự động. .. trị có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tuy nhiên, tần số thích hợp khoảng từ 50KHz đến 200KHz cho độ phân giải 10 bít và có thể cao hơn 200KHz nếu độ phân giải thấp hơn - Ngõ vào tương tự: ATmega128 có hai lựa chọn ngõ vào tương tự: -10 ngõ vào đơn hướng (single ended): 10 ngõ vào này là ADC0:7, AGND và bandgap reference Thực tế ta thường dùng 8 ngõ vào ADC0:7 Vì có 8 ngõ vào 28 ADC0:7 nên ta có. .. tiến, vi xử lý được sử dụng rất rộng rãi, trong đó dòng vi xử lý 805 1có ưu điểm là tài liệu chính thống bằng tiếng Việt rất nhiều, xong còn một số nhược điểm khi sử dụng như: Độ ổn định thấp, tính linh hoạt khi lập trình không cao vì vậy vi xử lý này ít được sử dụng trong thực tế Vi xử lý AVR du nhập vào Việt Nam vào khoảng đầu năm 2000, tuy thời gian có mặt tại Việt Nam chưa lâu nhưng do có nhiều... Việt Nam chưa lâu nhưng do có nhiều ưu điểm nổi bật so với vi xử lý 8051, nên hiện nay vi xử lý AVR đang được sử dụng rất rộng rãi Việc nghiên cứu ứng dụng vi xử lý vào điều khiển và giám sát các hệ thống sản xuất linh hoạt rất cần thiết trong nền sản xuất hiện đại Để sinh viên ra trường có kiến thức cơ bản về 11 hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM, yêu cầu đặt ra đối các cơ sở đào tạo ngoài . tài nghiên cứu với nội dung: Nghiên cứu, xây dựng mô hình khoan – phay tự động có ứng dụng vi xử lý AVR phục vụ công tác đào tại trường Đại học Sao Đỏ . Với mục tiêu ứng dụng thành tựu khoa học. BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ BÁO CÁO ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHOAN - PHAY TỰ ĐỘNG CÓ ỨNG DỤNG VI XỬ LÝ AVR PHỤC VỤ CÔNG TÁC ĐÀO TẠO TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC. FMS, CIM và một số mô hình về hệ thống sản xuất linh hoạt có ứng dụng vi xử l AVR phục vụ công tác đào và nghiên cứu khoa học đã được một số ít trường đại học có uy tín đầu tư như: Đại học Bách