Đề tài Nghiên cứu thiết kế máy Computer Numerical Control loại nhỏ

MỤC LỤC

890906.7.1057.- 2 CHUONG 1: TÌM HIỂU VẺ MÁY GIA CÔNG TỰ ĐỘNG 3

1.1 Khái quát về điều khiến số và lịch sử phát triển của máy CNC 3 1.2 Cấu tạo của các máy INC, CNC < << << sư cư e9 esescsee 5 1.2.1 Phân biệt máy CNC và máy ÍC ee«s<s< << <esessessseeeeeeressesesesee 5 1.2.2 Cac Kt c€u CO DAN VE CO’ RN ccscsssssssescsssscscscscsscescccscsscsscscsssssssssssesees 3 1.3 Các động cơ sử dụng trên máy CN -eseseessseeseesesesee 14 1.3.1 Động cơ Ì ChiÊu «.«eeeeeeeeeseeesreieieisiessesreeeisisissssrsee 14 1.3.2 DONG CO XOAY CHIEU sccccccrssrssscscccnscsssssccccascsesccccesscssescecenccssescssssesssesces 14 1.3.4 Động cơ DƯỚC os e6 9.0.0 0.90000600690400 00600606 904.09 6606909049606606096.049996 15 J8 16 1.4 Cảm biến sử dụng trong máy CC << 5° << se s se e5 9s xe 17 J“NN{€C 8 8 7a 17 Z0, 5 5 e 17 1.5 Lập trình «H99 090000000000400.0000000000000000000.000000040000080000010000004050000000080 00 18

1.5.2 NG6n NGF LGp TINN cccccsssssssssscssnnsssssccecnsccssscscccccecssscessascsesescecesessssesees 19 1.3.3 Ngôn ngữ lập trinth tie CONG cscssssrsssssssscsccccccssscsessssessssccssceosssesescessseeees 19 1.6 Kết luận chương 1 5-5-2 225555 99555555 52555552525 19 CHƯƠNG 2 : THIET KE CAI TIEN MAY GIA CONG DA NANG MICRO LATHER .cccoccoccoscosccocsscseccecceccencsncensesssccenconcescsosseccecsoccenconcesceecensensenssenseneenee 20

2.1 Co ban vé thiét bi CAN CA: HEM sscscscscsscesssscssssscscsseresesssssscssececerssenees 20 2.2 Phân tích và cải tiến chiếc máy MICRO LATHE thành máy gia công bán TU ỘNG Q05 05 0 00 00 0 00 090 00 060 00 6 0 0.00 0006 000 060000006969696969969699699699696 21

2.2.1 Thiết kế mạch điện phần cứng thay đổi cấp tốc độ cho trục chính bằng vi

7,10 Ẻ.5 Ắ Ả Ô 22

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển vị trí ăn dao vào chỉ tiẾỂ -e5<s 25 2.2.3 Phân thiết kế mạch cho vi Xi σ o 5 c5 se ke Sex cs se 27 2.2.4 Modul giao tiếp máy tính đỂ lập trÌnhh << se se sesesssssssesse 29 2.2.5 phân hiển thị cho biết trạng thái đang làm việc của hệ thỗng 29

"6c 0 8 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KÉ MÔ HÌNH MÁY CNC LOẠI NHỎ 32

3.1 Tổng quan, phạm vỉ và chức năng của máy s-s-s=s-s<<s 32 lSƠ đi KhÔi Go 00000000000 00 0006000600000000060000666069009066 32 3.2 Phân (ích và đưa ra giải pháp gia công phan cơ khí cho mô hình 35 3.2.1 Kêt câu CƠ khí FC Z «-«-eee«eeeeeeeeseseseisisssssssesee1010148111.106 35 Ÿ.2.2 Kêt câu cơ khí íFHC X oocccesSS 5S 9 60.0.9000 6.90 0000600600 6909606660660 66.09098 38 3.2.3 Kết câu cơ khí frục Ì «-«<eeseeeeeesessseseeieieiessesseeeiesesssrsee 39 II X9) 817,016,075 ee 40 3.2.5 Gad mach và tán nhiệt Cho ÏC CÔNg SHẤÏ -«<e<e<<e<<<<seseesesesee 4I 3.2.6 Lap hep 08 01),.)0.156 ae e 42 3.3 Phân tích và thiết kế mạch điện điều khiến << se se 42 3.3.1.Phân tích lựa chọn vì điều khién sw dụng điêu khiên mô hình 42 3.3.2 Thiêt kê khôi giao tiép voi may tính thông qua công truyên thông đa

3.3.3 Sơ đồ mạch điện cho Độ HhỚ Hgöài « c«Ăằeeằeeeeeeeeeeeeeeesessesseseses 30 3.3.4 Sơ đồ mạch điện phân công suất điều khiên động CƠ 32 $.3.4 Sơ đồ mạch HGHỖH ce 55 9.09 09.06 0Ú 0046006 06.904.0066060049049086606666.049968 33

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay máy tính càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực của đời sống xã

hội, đặc biệt là các nghành khoa học và kĩ thuật thì máy tính hầu như không thể thiêu được Nếu không có sự ra đời của bộ máy tính thì nghành khoa học kĩ thuật

cũng như các nghành khác sẽ phát triển như thế nào Thử lẫy một ví đụ, người công nhân muốn thiết kế ra một chỉ tiết máy sử dụng các công cụ có sẵn của mình Khi đó, anh ta phải căn cứ vào bản vẽ và tất nhiên phải có khả năng đọc bản vẽ, căn cứ vào bản vẽ để thực hiện gia công chỉ tiết đó trên máy gia công của mình Anh ta

cần phải biết được gia công phân nào trước, phân nào sau Độ chính xác của chỉ tiết thì lại không thê tính toán được bằng các công thức mà nó chỉ phụ thuộc vào chiếc

máy anh ta gia công và trình độ bậc thợ của anh ta Như vậy ta cũng có thé thay

được chỉ tiết gia đời mất rất nhiều thời gian và công sức, mà kết quả đem lại lại không được cao Nếu đem gia công 1000 chỉ tiết thì sẽ thấy được năng suất công việc rất thấp Do đó sự can thiệp của máy tính vào lĩnh vực này là điều tất yếu, chiếc máy CNC đã được ra đời để giải quyết vẫn đề cho người công nhân

Đề tài này tôi chọn nghiên cứu về chiếc máy gia công tự động Bên cạnh đó tôi cũng sẽ tiến hành cải tiến một chiếc máy gia công đa năng thành một chiếc máy gia công bán tự đông Cuối cùng tự tay tôi sẽ thiết kế ra một mô hình máy CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đã được học và nghiên cứu tại trường Trong quá trình thực hiện đề tài này tôi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều thầy cô giáo cũng như bạn bè của tôi Đặc biệt tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.S Nguyễn Văn Tiềm đã giúp tôi rất nhiều trong việc hoàn thành đề tài này

Trong đề tài này, nội dung được chia ra làm 3 chương, bao gồm: Chương 1 Tìm hiểu về máy gia công tự động

Chương 2 Thiết kế cải tiến máy gia công đa năng Micro Lathe

Chương 3 Thiết kế mô hình máy CNC loại nhỏ

Phần nội dung đề tài tôi sẽ trình bày chỉ tết các nội dung đã giới thiệu ở trên

CHUONG 1: TIM HIEU VE MAY GIA CONG TU DONG

1.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của may CNC

Diéu khién s6 (Numerical Control) ra dvi vGi muc đích điều khiển các qua trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyên phôi liệu hoặc chỉ tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao

sôm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một

chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiến theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình băng hệ thống thủy

lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic Ngày nay, với việc ứng đụng các thành

quả tiễn bộ của Khoa học - Cơng nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin

học đã cho phép các nhà Chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy cơng cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia cơng một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Về mặt khoa học: Trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiễn bộ kỹ thuật đã cho phép chúng ta giải quyết các bài tốn phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn mà trước đây hoặc chưa đủ điều kiện hoặc quá phức tạp khiến ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến một kết quả gần đúng Chính vì vậy đã cho phép các nhà Chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy với các cơ cầu cĩ hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyên động tạo hình phức tạp và chính xác hơn

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hang khơng vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng là cao nhất (cĩ độ chính xác và độ tin cậy cao nhất, cĩ độ bền và tính hiệu quả khi sử dụng cao ) Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phat trién khong ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bít, 8bit cho đến nay đã đạt đến 32 bít và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh

hơn về khả năng lưu trữ và xử lý

Tir cac may CNC riéng 1é (CNC Machines - Tools) cho dén sw phat trién cao hon la cac trung tam gia cong CNC (CNC Engineering - Centre) co cac 6 chứa dao lên tới hàng trăm và cĩ thê thực hiện nhiều nguyên cơng đồng thời hoặc tuần tự trên cùng một vị trí gá đặt Cùng với sự phát triên của cơng nghệ truyền số liệu, các mạng cục bộ và liên thơng phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà cơng nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC đưới sự quản lý của một máy tính trung tâm DNC (Dizecfe Numerical ConfroÏj) với mục đích khai thắc một cách cĩ hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các cơng việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và quản lý chất lượng sản phẩm

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt

đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM(COAputer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robof cấp phôi liệu và vận chuyên, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiêu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng

7 Phim day hoc robot

8 May tinh chu

Hinh 1.2: M6 hinh diéu khién san xudt t6 hop CIM

1.2 Câu tạo của các máy NC, CNC

1.2.1 Phân biệt máy CNC và máy NC

Máy NC, CNC đều là các máy gia công tự động, sự khác biệt cơ bản giữa hai loại này đó là:

- Máy NC có qui mô lớn hơn, nó thường được chia ra làm các dây chuyền, công đoạn sản xuất chỉ tiết Toàn bộ quá trình sản xuất chỉ tiết được chia ra làm các công đoạn khác nhau như gia công thô, gia công tinh, chuyên phôi .Ngoài ra chương trình làm việc và quá trình gia công được quyết định chủ yếu bởi các linh

kiện điện tử phần cứng, sự thay đôi chương trình chỉ ở một phần nhỏ các thông số

hoạt động của hệ thống, và đĩ nhiên nó không có sự can thiệp của máy tính trong mục đích lập trình cũng như thay đối chương trình làm việc

- _ Đối với máy CNC, nó là một sản phâm của lý thuyết điều khiển số, có nghĩa

là toàn bộ quá trình vận hành từ khi đưa phôi vào máy cho đến khi ra sản phầm đều

có sự dám sát và điều khiển của hệ thông các cảm biến và các bộ sử lý Sự khác

biệt với may NC là máy CNC có thể thay đổi chương trình làm việc của mình trên máy tính thông qua một chuẩn giao tiếp nào đó Vì lý do đó làm cho nó có khả năng linh hoạt trong sản xuất các chỉ tiết khác nhau, không bị bó cứng khả năng của hệ thống

1.2.2 Các kết câu cơ bản về cơ khí.

Về cơ bản chúng đều có kết câu khung giống nhau như hình 1.3 đó là: - Than may

- Dé máy

- Bàn trượt - Đầu trục chính

Ngoài ra máy NC còn có thể khác hệ thống khác như băng tải, các robot

chuyên dụng thực hiện một nhiệm vụ hay chức năng của một khâu nào đó

Hình ánh bên đưới thể hiện một máy CNC, nhìn vào hình vẽ ta có thể hình

dung cơ bản được cầu tạo của nó Ngoài các bộ phận thân máy, đề máy, bàn trượt, đầu trục chính nó còn có thêm các bộ phận khác với các chức năng riêng biệt dé

phục vụ cho quá trình gia công trở nên dé dàng và thuận tiện Như ở hình vẽ bên

dưới các bộ phận thực hiện các chức năng

- _ Ô chứa dao: Chứa các dao sẽ sử dụng trong quá trình gia công, tùy thuộc vào đặc thù của chỉ tiết cũng như đặc thù của phôi để đao nào được chọn mang đi gia công, dao ở đây có thể là mũi khoan, dao phay, mỗi dao tiện các dao

được đánh số theo mã số, khi có nhu cầu cần thay mũi dao hiện tại bằng một

mũi đao nào đó thì người lập trình phải cung cấp mã của dao vào trong một

câu lệnh được qui định sẵn Cụ thể ngôn ngữ lập trình cho máy sẽ được giới

thiệu chỉ tiết ở phân sau, khi đó, chúng ta có thê biết được cần phải làm gì để cho máy hoạt động

- Co cau thay dao tự động: Cơ cấu này có nhiệm vụ nhận lệnh thay đao từ chương trình và thực hiện chuyển dao đang gia công vào ô chứa dao và chuyên dao cần thay vào cán dao Khi thay dao, hệ thống phải dừng lại - _ Các động cơ giúp tạo chuyên động cho quá trình gia công, có thê là động cơ

trục chính, động cơ tiến dao, động cơ thay dao hay động cơ trượt bàn

- Bang điều khiển và màn hình: Cho phép ta nhìn thấy trạng thái làm việc của thiết bị cũng như can thiệp vào quá trình làm việc của máy

Stich dag Cơ cấu thay 3

dao ty động Thanh trượt dan hưởng

Than may

Bang diéu

khién va tan hinh

Thường được chế tạo băng các chỉ tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp

10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết

tật đúc Bên trong thân máy chứa hệ thông điều khiến, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác

- Đảm bảo độ chính xác cao khi gia công

- Đề máy để đỡ toàn bộ may tao sw ôn định và cân bằng cho máy

b Bàn máy và bàn xoay

Bàn máy là nơi để gá đặt chỉ tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyên động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chỉ tiết có biên dạng phức tạp Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là đạng bàn

máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làm tăng tính vạn năng cho máy CNC

Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ én định, cứng vững , được điều khiển

chuyển động một cách chính xác Hình vẽ bên dưới là hình ảnh thực tế của bàn xoay

Hinh 1.4: Ban xoay

Phân loại: Bàn xoay trên máy phay CNC và các trung tâm gia công có thể

được phân ra làm các loại như sau: e_ Loại tiêu chuẩn:

Là loại bàn xoay này dùng để gá đặt chỉ tiết sao cho tâm của chỉ tiết trùng với tâm trục chính Có thể gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như gia công mặt phăng, gia công rãnh thắng hoặc rãnh xoắn và gia công các mặt định hình

với dao định hình, đôi khi dùng để cắt bánh răng với dao phay môđun

Loại bàn xoay tiêu chuẩn có thể phân ra làm hai loại :Loại có trục chính nằm

ngang.và loại có trục chính thăng đứng Hình 1.5 bên đưới là hình ảnh về loại bàn xoay có trục chính năm ngang

Hình 1.5: Bàn xoay có trục chính nằm ngang

e_ Loại bàn xoay có động cơ lắp phía sau

- Loại bàn xoay này có khả năng hạn chế sự rung động khi máy đang làm

có thể thấy bàn xoay này có lỗ rất lớn ở tâm

Hình 1.7: Loại bàn xoay có lễ trục chỉnh lớn ©_ Loại bàn xoay có nhiều trục chỉnh

Loại bàn xoay nhiều trục chính cho phép gá đặt cùng lúc nhiều chỉ tiết Loại bàn XOây nhiều trục chính có năng suất gấp nhiều lần so với loại bàn xoay tiêu chuẩn, thích hợp cho sản xuất hàng loạt và hàng khối Hình 1.8 minh họa cho loại bàn xoay có nhiều trục chính.

Hình 1.8: Loại bàn xoay nhiều trục chính

e Loại bàn xoay nghiêng

Loại bàn xoay này có hai trục Bàn xoay có thể nghiêng đi nhờ xoay quanh

được một trục nào đó Do đó loại này có khả năng công nghệ cao, có thể sử dụng

làm đồ gá để gia công các mặt phẳng, các rãnh các gờ lồi và đặt biệt là gia công các bề mặt nghiêng ở nhiều góc độ khác nhau Loại bàn xoay này được phân ra hai loại như sau:

- Loại điều khiển nghiêng tự động: cả hai trục của bàn xoay được điều khiển

Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh

Main Spindle Features

d Hé thong thanh truot

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo X,Y và chuyên động lên xuống theo trục Z của trục chính Yêu câu của hệ thống thanh trượt trượt phải thắng, có khả năng tải cao độ cứng vững tốt,

không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

Hình 1.11: Hệ thống thanh trượt

e Ô tích dụng cụ

Dùng để tích chứa nhiều đao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổ tích

dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên

tiếp với nhiều loại đao cắt khác nhau Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang

Ô tich dang xich

Revolver dang sao 0 tich dang dia

Hình 1.12: Các kiểu ổ tích dao Ưu điểm so với thao tác bằng tay

Rút ngắn được thời gian đôi dụng cụ Tránh được lỗi

Tránh được rủi ro tai nan

e_ Có khả năng tự động hóa ở cấp độ cao Nhược điểm

e Nhu cầu đầu tư bố sung e Tăng chỉ phí cho lắp đặt Cơ cấu thay dao tự động

Cùng với ổ tích đao cơ cấu thay dao tự động giúp cho việc thay dao được chính xác và nhanh gọn, nâng cao tính tự động hóa Irong quá trình gia công khi cần chuyển sang nguyên công cắt gọt khác cần phải thay dao thì ta không phải dừng máy để thay đao bằng tay mà hệ thống sẽ tự động thay dao theo chương trình ta đã lập trình sẵn.

Hình 1.13: Cơ cấu thay đao ƒ các xích động học của máy CNC

Các đặc điểm của hệ thống máy công cụ điều khiến số:

Tất cả các đường chuyên động đến từng cơ cầu chấp hành của máy công cụ điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ

còn 2 loại cơ bản sau:

- Xích động học tốc độ cắt gọt ( hình b )

- _ Xích động học của chuyền động chạy dao ( hình a )

Thông thường các xích cắt gọt bắt đầu từ một động cơ có tốc độ thay đối vô cấp, dẫn đông trục chính thông qua một hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp độ, nhằm khuyếch đại các mômen cắt đạt tri số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu của động

cơ Xích động học chạy dao bao gồm các phần tử, các cụm kết câu đảm bảo các

chuyển động của bàn xe dao trên máy công cụ điều khiến số Xích chạy dao phải thỏa mãn một số chức năng sau:

- Truyền động cho các bộ phận dịch chuyển với tốc độ đều, chạy êm và ồn

định

- _ Thực hiện được các thay đôi vận tốc theo chương trình, xác định được cả

về trị số và chiều, không có sự tháo lỏng chỉ tiết hoặc thay đôi vị trí tương

đối giữa đao và chỉ tiết gia công

- Cung cấp các lực cần thiết để thắng các thành phần lực cắt theo chiều chuyên động

- _ Trong trường hợp cần thiết, các bộ phận nào đó cần phải dam bảo nhiều chức năng đo lường các dịch chuyên của bàn xe dao.

Hình 1.14: Hai loại xích động học

Đề thỏa mãn 2 yêu cầu đầu tiên, xích chạy dao cần có tần số đao động riêng

lớn nhất theo điều kiện có thể tính ngay từ đầu nguồn động lực của xích Giả định

rằng khối lượng của bàn máy và chỉ tiết gia công là một đữ kiện, ta cố gắng dùng những cơ cấu có quán tính nhỏ nhất có thể, đồng thời có độ cứng vững cao nhất Như vậy, ta nhận thấy lí thuyết tính toán thiết kế động học các xích truyền động trong máy công cụ vạn năng thông thường không còn ý nghĩa nhiều đối với máy công cụ điều khiển số Những nguyên tắc như truyền dẫn vô cấp, truyền dẫn độc lập và nguyên tắc môđun hóa các kết câu là những nguyên tắc cơ bản cho tính toán thiết kế máy công cụ điều khiến só

1.3 Các động cơ sử dụng trên máy CNC

Ưu điểm:

e Cap nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều

e Da dang vâ rất phong phú về chủng loại, giá thành rẻ Nhược điểm:

e_ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành đề đảm bảo an toàn, momen khởi động nhỏ

e_ Mạch điều khiển tốc độ phức tạp,(biến tần) 1.3.4 Động cơ bước

Uu diém: Diéu khién vi trí, tốc độ chính xác, khônng cần mạch phản hồi

Thường được sử dụng trong các hệ thong may CNC

Nhược diém: Gia thanh cao, momen xoan nhỏ, momen máy nhỏ

Hinh 1.15: Hinh ảnh thực tế của động cơ bước Động cơ bước được chia ra làm nhiêu loại, bao gôm:

a Động cơ nam chấm vĩnh cứu -

Hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng và thường được chế tạo có cực

móng Động cơ này có góc bước thay đổi tir 6°+ 45° trong chế độ điều khiển bước

đủ, mômen hãm từ 0,5 + 25 Nem, tần số khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làm

việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

2 a ==

: le va 6,4

Neverern

Hình 1.16: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cứu

Ở hình 1.16 thì số 1 và 2) Hai nửa Stator có đạng cực móng được từ hóa với

cực N và 5 xen kẻ nhau; 3) Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiến lưỡng cực) được đặt ở bên trong hai nửa stator; 4)Rotor nam châm vĩnh cửu có các cực từ xen kẻ

b Động cơ bước có từ trở thay đổi :

Hay còn gọi là động cơ phản kháng Kiểu động cơ này có góc nằm trong giới

hạn từ 1,80 + 30° trong chê độ điêu khiên bước đủ, mômen hãm từ I+ 50 Ncm, tân

số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện khơng tải là 20 Khz Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực Bs Cudén day pha (2) được quấn trên 2 hoặc 4 răng đối xứng nhau, roto của động cơ cũng được chế tạo thành dạng răng cĩ bước cực Br

Hình 1.17: Cẩm tạo động cơ bước cĩ từ trở thay đổi

1) Stato được chế tạo thành dạng răng; 2) Cuộn dây pha; 3) Roto có từ trữ thay đoải được chế tạo thagnh daing rắng

?

c Động cơ bước hơn hop :

Wit CE

Hinh 1.18 : Cau tao déng cơ bước hỗn hợp

Hay cịn gọi là động cơ bước cảm ứng, cĩ gĩc bước thay đổi trong khoảng

0,36 - 15” trong chế độ bước đủ, mơmen hãm từ 3 - 1000 Nem, tần số khởi động

lớn nhất là 40 khz Trong các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước hồn hợp

được sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này kết hợp các ưu điểm của hai loại động cơ trên đĩ là: Động cơ nam châm vĩnh Cửu với dạng cực mĩng, và động cơ

cĩ từ trở thay đổi

Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hỗn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bước nam châm vĩnh cữu và động cơ bước cĩ từ trở thay đổi Phần Stato được cẫu tạo hồn tồn giống Stator của động cơ bước cĩ từ trở thay đối Trên các cực của Stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây (h.2-3)

hoặc được quấn thành 2 cuộn dây (h.2-4) đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực

N và S đồng thời đối điện với mỗi cực của bối đây là răng của Roto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

1.3.3 Động cơ servo

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hỏi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khién Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kì lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt

được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử

dụng trong nhiều máy khác nhau từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến các mô hình máy bay, xe hơi Ứng dụng mới nhất là sử dụng trong robot Những ứng dụng này là tiền đề cho việc đưa vào quá trình sản xuất những thành tựu như điều khiển may CNC, trung tâm gia công Đối với chuyển động chất lượng cao ta buộc phải sử đụng động cơ servo xoay chiều ba pha, loại là động cơ không đồng bộ Roto lồng sóc hay đồng bộ kích thích vĩnh cửu Loại động cơ này có một số đặc điểm chung như sau:

- Co momen quan tinh nho - _ Đặc điểm động học tốt

-_ Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay - Co dai tan số công tác rộng 0 +400 Hz

Không giống động cơ DC ta chỉ cần lắp pin vào là chạy, động co servo doi

hỏi một mạch điện tử chính xác để quay trục ra của nó Có thể một mạch điện tử sẽ

làm việc sử dụng servo phức tạp hơn ở một mức độ nào đó nhưng thực ra mạch

điện tử này rất đơn giản Nếu ta muốn điều khiển servo bằng máy tính hay bằng bộ

vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ Một động cơ DC điển hình cần các

transistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nỗi voi may tinh Con servo có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà không cần một linh kiện điện tử nào cả Tất cả yếu tố cần thiết để điều khiển công suất đều được quản lý bởi mạch điều khiển để tránh rắc rối Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho các robot điều khiển bằng máy tính

1.4 Cảm biến sử dụng trong máy CNC 1.4.1 Khái niệm chung

Encoder là đo lường dịch chuyền thắng hoặc góc đồng thời chuyền đôi vị trí

góc hoặc vị trí thăng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thê xác định

được vị trí trục hoặc bàn máy Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu SỐ

Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máy

CNC và robot Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ một động cơ qua vit me đai ốc bi tới bàn máy Vị trí của bàn máy có

thể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn Ngoài ra, nếu ta tính kèm theo thời gian ta cũng có thê biết được vận tốc chuyển động của chi tiết hoặc đao ở

trong những trường hợp cần thiết 1.4.2 Phân loại

Tùy thuộc vào chuyên động của Encoder mà người ta chia nó thành hai kiểu có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau:

- Encoder thăng: chiêu dài của encoder thăng phải băng tông chuyên động thăng

tương ứng có nghĩa là chiều đài cần đo phải bằng chiều dai thước

- Encoder quay: là một đĩa nhỏ và kích thước encoder không phụ thuộc vào khoảng cách đo Nó có thể đo được cả thong số địch chuyến và tốc độ

Rõ ràng nếu ta sử dụng encoder dạng đĩa quay thì không cần quan tâm nhiều nhưng nếu ta sử dụng encoder thắng thì buộc lòng chiều dài của encoder phai dai ít nhất bang chiều dài của địch chuyên cần đo Trong máy CNC điều khiển số, chuyển động của bàn máy được dẫn động từ động cơ qua trục vít me đai ốc bi tới bàn

máy VỊ trí bàn máy có thể được xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền

đã được trang bị các bộ xử lý, bộ nội suy và chứa các dữ liệu cần thiết mà người ta

có thê sử dụng bất kỳ khi nào muốn

1.5.1 Lập trình bằng máy

Từ cơ sở CAD: Vẽ và thiết kế trên máy tính, người ta đã đưa vào một hệ thống biên dịch trợ giúp cho quá trình lập trình, sau khi đã thiết kế xong chỉ tiết, người ta có thể lựa chọn quy trình công nghệ gia công và cách thức gia công (Như cắt thô, cắt bán tinh hay cắt tinh và rất tỉnh, các kiểu tiến hành ăn đao ) và từ kiểu

được lựa chọn đó máy tính sẽ thông qua bộ vi xử lý (Processor) sẽ xác định một

chương trình gia công thích hợp đưới dang mô tả các quá trình dịch chuyển dụng cụ và các chế độ công nghệ tương ứng Công việc tiếp theo là mã hóa chương trình gia công trên do bộ hậu xử lý (Postprocessor) theo code của hệ thống điều khiến số tương thích được lắp trên máy để cho ra chương trình gia công thích hợp với ngôn ngữ máy Kỹ thuật đó gọi là CAM Hiện nay, các phan mềm CAD/CAM càng ngày càng mạnh hơn và có nhiều chức năng hơn cũng như giá thành ngày càng rẽ hơn và đã cho phép người sử dụng rất thuận lợi trong quá trình lập chương trình gia công

Đặc biệt là với các máy 3D, 4D, 5D.

1.3.2 Ngôn ngữ lập trình

Về ngôn ngữ lập trình cho các máy NC, người ta phân chia thành 2 loại: ngôn ngữ lập trình bằng tay và ngôn ngữ lập trình tự động Đối với ngôn ngữ lập trình bằng tay, về cơ bản thì hiện nay đã được tiêu chuân hóa bởi ISO Tuy nhiên cũng còn một số quốc gia, một số hãng chế tạo máy vẫn có một số mã code riêng khác với tiêu chuân mà nó chỉ có thể dùng thích hợp trên các thiết bị đó Đây cũng là một trong những vẫn đề gây khó khăn và trở ngại cho các cán bộ lập trình vì thói quen khi sử dụng ngôn ngữ đã có trước đó, đặc biệt là khi mà nhà máy hoặc xí

nghiệp của họ có rất nhiều loại máy được sản xuất từ nhiều hãng khác nhau (có thể

từ nhiều nguồn cung cấp và tài trợ ) Vì thế, đây cũng là vấn đề mà các nhá đầu tư cần phải tính đến khi mua sắm máy CNC

1.5.3 Ngôn ngữ lập trình tự động

Với ngôn ngữ lập trình bằng máy tính hay còn gọi là lập trình tự động, thì về cơ bản đều dựa theo tiêu chuẩn thống nhất - Đó gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT (Automatically Programrned Tools : công cụ lập trình tự động) Ngôn ngữ này được phát triển từ Viện nghiên cứu công nghệ Illinoi của Mỹ (Illinois Institute of Technology Research Institution -IITRI) Hiện nay nó được sử dụng và phố biến nhất Với APT, cho phép lập chương trình với các máy 5D với gồm trên 3.000 từ APT bao gồm các nhóm cơ bản sau:

e_ Mô tả kích thước và hình đáng hình học của chỉ tiết gia công e_ Mô tả trình tự và quỹ đạo chuyên động của dụng cụ cắt

e_ Điều khiến các cơ cầu của máy cũng như thay đổi các thông số cắt gọt e Bồ sung các chức năng chuyên dụng như chu trình ăn dao, bù dao và các chức năng chuyển tiếp khác

Về thực chất, ngôn ngữ APT là biểu diễn một chương trình gia công bằng cách mô tả các hoạt động của dao cùng với các chức năng cắt gọt của nó băng các câu lệnh trên cơ sở viết tắt của các từ trong tiếng Anh

Vi du:

¢ Kich thudc va hinh dang hinh hoc:

Diém P = POINT ( P1/20.0, 10.0, 0.0; P2/15.23, 20.5, 2.7)

Đường thắng L = LINE.( L1/P1,P2; L2/P1, ATANG26)

Đường tròn C = CTRCLE/X,Y,R = CIRCLE/CENTER,P1, RADIUS,R

Điểm đặc biệt P = POINT/INTOE, L1, L2(điểm cắt nhau của 2 đường LI,L2)

Đường đặc biệt L = LINE/P2, PARLEL, L3( đường qua P2 và song song L3) Mặt phắng PLE=PLANE.(PLI1/P!, P2, P3: mặt phẳng qua 3 điểm P1,P2,P3) (PL2/P4, PARLEL,PL1: mat phang qua P4 và song song PLI)

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã nghiên cứu được về tông quan cũng như các câu trúc bên trong cua may CNC Bén cạnh đó hiệu được nguyên lý làm việc và cách lập trình với may CNC.

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẢI TIỀN MÁY GIA CÔNG ĐA NĂNG MICRO

LATHER

MICRO LATHE là một chiếc máy gia công cơ khí có xuất sứ ở từ Trung Quốc Nó là một trong những máy gia công đa năng có nghĩa là toàn bộ quá trình hoạt động của nó phải được gan với một người thợ có khả năng làm việc với nó Giả sử để gia công một chi tiết nào đó, người thợ phải nhìn vào bản vẽ, chọn ra loại phôi mà mình cân sử dụng Sau đó gắn vào trục chính dé tiễn hành gia công, cụ thê là sẽ tiến đao theo phương ngang như thế nào, tiến dao theo phương thắng như thế nào để có được chỉ tiết cần gia công Vì nó là một chiếc máy gia công cơ khí đơn thuần không có sự can thiệp của điều khiển số cho nên hiệu quả sản xuất và chất lượng chi tiết sản phâm phụ thuộc hoàn toàn vào người thợ gia công Qua phân tích về câu tạo và họa † động tôi quyết: định đưa ra phương án cải tiến chiếc máy

MICRO LATHE trên thành một chiếc máy bán tự động, có khả năng hoạt động

hiệu quả hơn và cho ra chỉ tiết tốt hơn lúc đầu Sở đĩ được gọi là bán tự động là bởi vì hệ thống chỉ hoạt động một cách tự động khi gia công, nhưng các thao tác như thay dao gia công, tháo lắp phôi vào máy, đều phải được thực hiện bằng tay

2.1 Cơ bản về thiết bị cần cải tiến

Trên máy tiện có thể thực hiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiên mặt đầu tiện côn, tiện định hình Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và tiện ren bang các dao cắt, dao doa, tarô ren Kích thước gia

công trên máy tiện có thể từ cỡ vài mili đến hàng chục mét, hình vẽ đưới đây là

hình ảnh thực tế của chiếc máy tiện MICRO LATHE, ta có thẻ thấy được các chỉ tiêt của nó

Cũng như chiêc máy gia công vạn năng khác, nó cũng bao gôm các chi tiệt:

1 Vỏ máy và thân máy.(1)

Được thiết kế bằng gang có tác dụng bảo vệ máy và lắp gá các chỉ tiết lên đó Sở đĩ gang được chọn làm thân và vỏ máy bởi vì nó là hợp kim bền, ít bị oxi hóa Ngoài ra nó còn có khối lượng lớn giúp cho khi gia công không bị rung, đảm bảo chắc chắn cho máy

2 Núm xoay điều khiến cấp tốc độ chục chính (2)

Khi gia cong cac chi tiết khác nhau, có những chỉ tiết chỉ gia công với tốc độ quay trục chính với vận tốc nhỏ, nhưng có những chi tiết cần gia công với vận tốc quay

trục chính lớn Vì vậy cần phải có bộ phận điều chỉnh vận tốc quay trục chính cho

phù hợp với chi tiết cần gia công Núm xoay ở trên hình vẽ thực hiện yêu cầu đó

5 Trục chính gắn với động cơ

Phôi cần gia công được gắn trực tiếp ở đây, và nó được liên động trực tiếp đến

trục động cơ điều khiễn trục chính Có nhiều cách để động cơ dẫn động đến đây, có

thê dẫn động dùng bánh đai hoặc bánh xích, có thể dùng dẫn động bánh răng, hoặc

có thê trục chính chính là trục của động cơ Khi động cơ quay, làm cho phôi gắn trên nó quay theo và bắt đầu quá trình gia công Để găn được chỉ tiết vào với trục chính thì cần có sự phối hợp của chốt đầu trục chính như ở trên hình vẽ

6 Nơi lắp gá các dao gia công, các dao được gắn vào đây và ép chặt nhờ các con ốc, nhìn ở trên hình vẽ ta cũng có thê thấy ta chỉ có thể lắp tối đa được 4 mũi đao lên trên

1 Khi gia công, nếu ta xoay tay quay này, đao sẽ ăn sâu vào chỉ tiết 8 Chi tiệt này cùng với trục chính đê ép chặt phôi trong quá trình gia công 9, Khi gia công, nêu ta xoay tay quay này, mũi dao sẽ chạy dọc theo chi tiết

phối hợp với chỉ tiết số 7 để tao nên đường gia công đa dạng cho chỉ tiết cân gia công

2.2 Phân tích và cải tiến chiếc máy MICRO LATHE thành máy gia công bán tự động

Từ các phân tích trên tôi xin đưa ra phương án cải tiễn các bộ phận bao gồm cải tiến bộ phận tiến đao theo chiều ngang, bộ phận tiến dao theo chiều

dọc, bộ phận thay đôi cấp tốc độ cho trục chính Ngoài ra xin đưa thêm vào một số

chức năng khác giúp cho quá trình gia công chỉ tiết của người thợ trở nên đơn giản

và hiệu quả hơn Bao gồm màn hình hiển thị cho biết trạng thái làm việc của máy

Bộ phận kết nối với máy tính cá nhân cho phép lập trình trực tiếp trên máy tính tạo

thành chu trình làm việc của máy Bên đưới là sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống cải điều khiến

2.2.1 Thiết kế mạch điện phân cứng thay đổi cấp tốc độ cho trục chính bằng vi xử lÿ

Thực tế bộ phận để điều chỉnh cấp tốc độ cho trục chính được thực hiện bằng một

núm xoay băng tay Điều chỉnh này sẽ được người công nhân đứng máy thực hiện

tuỳ thuộc vào đặc thù của chi tiết cần gia công

Núm xoay

Hình 2.2: hình dạng bên Dồn ngoài may MICRO LATHE

Nếu tháo bên trong núm xoay ta SẼ nh ây các tiệp diém băng điện, khi xoay núm xoay nghĩa là ta dùng cơ khí để thay đôi các tiếp điểm này Cụ thể có thể nhìn thây ở hình vẽ dưới đây:

HE —O Ÿ _, > f= Ø 1 p+—_O Fea

+ —_O- 2>— iY, QOS “——O Sơ đỗ mạch điện núm xoay Soi

Tại một vị trí của núm xoay, tiếp điểm xoay Ï chỉ có thể tiếp xúc được với một

trong các tiếp điểm còn lại, ứng với mỗi tiếp điểm thì động cơ điều khiển trục chính sẽ quay ở một tốc độ nhất định Để thay việc xoay núm chuyển mạch em sử dụng

các rơle để có thê điều khiển được bằng vi điều khiển Sơ đồ mạch ở hình dưới đây:

_ Hình2.2: Sơ đồ mạch chả, hành điều khiển tốc độ trục chính

Môi tiệp điêm của núm điêu chỉnh câp tôc độ sẽ được thay băng một con role 1 tiép điêm, như hình vẽ trên em đưa ra sơ đồ điêu khiên câp tôc độ cho loại máy

tiện có 4 câp tôc độ, khi mà sô câp tôc độ nhiêu hơn thì mình chỉ việc sử dụng thêm

các rơle mà thôi Các role làm nhiệm vụ đóng ngắt các tiêp điêm khi cân thay đôi.

Ở trên hình, các transistor là các van đóng ngắt dòng điện qua cuộn đây role Các

transistor nay la cac transistor ngugc, cd thể sử dụng các loại ngoài thì trường như

la: C828 hay C2383 déu được do yêu cầu dòng qua cuộn dây nhỏ nên có thể sử dụng được các loại transistor này Ở modul này, khi có một điện áp kick ở các chân Inx sẽ làm cho các transistor mở thông cho phép dòng điện chạy qua các cuộn dây làm cho role bị hút tiếp điểm, lúc này thì tiếp điểm của máy tiện sẽ được đóng

Do đặc thù của núm xoay đó là tại một thời điểm làm việc chỉ có l tiếp điểm

được đóng do đó nên khi mạch điều khiển làm việc thì tại một thời điểm cũng chỉ có một rơle được phép đóng, nếu không sẽ sảy ra hiện tượng xung đột và có thể làm cháy hỏng mạch điều khiển động cơ trục chính của máy Do vậy nên em lựa chọn IC 74HC138 sử dụng để điều khiến các tiếp điểm, do đặc điểm của IC này là khi hoạt động thì tại một thời điểm chỉ có một đầu ra được cho phép đúng như yêu cầu của núm xoay ở trên Đầu ra nào được cho phép được cho phep là tuỳ thuộc vào tô hợp bit đầu vào ở các chân đầu vào A, B và C Đối với IC này cho phép chúng ta điều khiển cho loại máy tiện có cấp tốc độ tối đa là 8 cấp (Do IC chỉ có 8 dau ra), khi mà ứng dụng cân nhiều hơn thì khi đó ta phải ghép thêm nhiều IC giống nhau hoặc có thê sử dụng một loại khác có tính năng tương tự nhưng với 36

đầu ra lớn hơn Các đầu vào của 74HC138 được nối với vi điều khiến dé có thể

thực hiện điều khiển cấp tốc độ thông qua các chân công

Về nguyên lý thì cứ mỗi một tổ hợp bít được đưa ra từ vi điều khiển qua các

chân công, IC 74HC1I38 thực hiện việc giải mã và sẽ đặt trạng thái đầu ra của một

chân nào đó lên mức cao(Các chân còn lại vẫn ở mức thấp) Khi đầu ra nào đó của IC ở mức cao sẽ kéo theo transistor tương ứng nối với chân đó mở thông, dòng điện sẽ đi qua cuộn hút của role và làm cho tiếp điểm tương ứng đóng lại (Trong khi các tiếp điểm khác vẫn được mở) Như vậy việc điều khiển cấp tốc độ bây giờ là việc gửi tổ hợp bít qua chân cổng đã định sẵn

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiến vị trí ăn dao vào chỉ tiết

Khi vận hành máy, người công nhân phải trực tiếp dùng tay quay 2 tay quay

sao cho mũi đao tiến đến vị trí cần xác định với tốc độ nhất định nao đó mà do

người công nhân quyết định Để có thể thay được khối này em quyết định chọn phương án thay 2 tay quay bằng hai động cơ bước đề điều khiến

Ở tại hai vị trí ở hình vẽ dưới đây, hai tay quay của máy sẽ được thay thế

bằng hai động cơ bước, loài động cơ 2 cuộn dây vào có góc bước 1,§ độ.

Hình 2.2: Hai vị trí thay thể tay quay bằng động cơ bước Câu tạo và các phương pháp điều khiển động cơ bước ở trên đã trình bày, ở đây tôi xin phép không được nhắc lại

Từ những đặc tính cơ bản của động cơ bước đã phân tích ở trên, dé xây dựng được một bộ điều khiển động cơ bước đạt các yêu cầu đưa ra thì bộ điều khiển cần phải đáp ứng đước các yêu cầu về công suất, góc bước, tốc độ di chuyên, các yêu câu vệ tính ôn định và khả năng thu thi

Động cơ bước lựa chọn ở đây là loại động cơ bước hai cuộn dây Do đó khi điều khiển ta cần đến 2 cầu H, trong đó mỗi cầu H điều khiển một cuộn dây Tôi

lựa chọn IC cầu H là L298, ở bên trong đã có tích hợp sẵn hai bộ điều khiển động

cơ cầu H Chỉ tiết về L298, các bạn có thể xem ở phía sau, nơi mà tôi trình bày về

mô hình máy CNC của tôi, ở đó tôi sẽ nói rõ ràng về hoạt động của nó hơn Ở đây tôi chỉ xin phớp trình bày sơ qua để các bạn hiểu dễ dàng Như hình vẽ bên dưới, các chân đầu ra của L298 (dc1,dc2,2c3,dc4) được nôi vào 4 chân cua động cơ bước, còn lại các chân điều khiển (33,34,35,36) được nối trực tiếp với chân công của vi điều khiển Như vậy việc làm cho động cơ quay chỉ là xuất lệnh vi xử lý ra chân công

Giả sử động cơ bước có cuộn 1-2, 3-4 Theo một thứ tự đầu dây nào đó, nếu

ta cấp nguồn cho động cơ theo thứ tự 1-2, 3-4, 2-1, 4-3 động cơ quay theo chiều kim đồng hồ thì khi ta cấp theo theo thứ tự 4-3, 2-1, 3-4, 1-2 sẽ làm cho động cơ

quay ngược lại chiều kim đồng hà.

su B

avg + | MEST =

——————— - ` BC: =

Hình 2.2: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước

Sơ đồ mạch phân cứng thiết kế cho một động cơ bước, để thiết kế cho hai

động cơ bước thì quá trình hoàn toàn tương tự Khi đó ta sử dụng đến IC thứ hai và mạch điều khiển hoàn toàn giống, thuật toán điều khiến thì hoàn toàn tương tự

Khi có mạch và phần cứng rồi thì làm sao để có thể điều khiển ăn dao vào chỉ tiết theo một khoảng cách nào đó Giả sử cân cho dao ăn sâu vào trong chỉ tiết 1.5mm chắng hạn, lúc đó vi xử lý phải làm gì Câu tra lời là đếm bước của động cơ, sẽ cho ta khoảng cách dịch chuyên của dao Bây giờ ta giả sử một phép tính đơn giản Khi chưa thiết kế, nếu ta đùng tay quay tay quay của máy sẽ làm cho dao dịch chuyển một khoảng cách là delta=lmm Ta sử dụng động cơ có góc bước là 1.8 độ, nghĩa là để bước hết một vòng thì đông cơ phải bước tất cả là 360/1.8 =200 bước Như vậy nếu bước 200 bước thì dao tiễn được một khoảng là lmm, vậy thì để đao tiến 1.5mm thì rõ ràng ta phải bước 300 bước Đây chính là cơ sở để tính toán khi gia cong

2.2.3 Phân thiết kế mạch cho vỉ xử lý

Vi xử lý làm nhiệm vụ giải mã lệnh NC được gửi xuống từ may tinh dé dua ra các tín hiệu điều khiển cho máy sao cho đạt được các yêu cầu của người gia công

Trong phần điều khiển này em chọn vi điều khiển AVR cụ thể là chip Atmega8 sẽ làm nhiệm vụ điều khiển Đây là một dòng chip 8 bít hoạt động với tốc độ cao (một chu kì lệnh khoảng bằng 100 ns) và với độ ổn định cao nên nó ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng thực thế Chip bao gồm 3 công vào ra được thiết kế sẵn cho VIỆC lập trình, để đáp ứng được yêu cầu đề ra nó phải đáp ứng được các yêu cầu có sẵn của hệ thong Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống được đưa lại như ở trên để năm rõ hơn về những yêu cầu của nó:

Hinh 2.2: S7 đô khối hệ thông dieu khién

Như trên sơ đồ khối ta có thể thấy được vi điều khiển phải đảm bảo đủ số công vào ra để điều khiển được 2 động cơ bước và điều khiển bộ phận thay đổi tốc độ cho trục chính Ngoài ra nó yêu cầu phải có thêm một bộ phận giúp cho việc truyền nhận thông tin voi may tinh thong qua cong giao tiếp COM

Mạch vi điều khiến bao gồm bộ phận câp nguồn, bộ phận tạo xung giao động và các thành phần khác liên quan để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động được Dưới đây là lưu đồ thuật toán của chương trình vi xử lý

Hình 2.2:1zu đồ thuật toán cho hệ thống điểu khiển 2.2.4 Modul giao tiếp máy tính để lập trình

Do sự không đồng bộ giữa mức tín hiệu giữa công giao tiếp máy tính với mức tín hiệu của vi điều khiển cho nên cần phải sử dụng một modul chuyển đổi mức tín hiệu sao cho hai bên có thể hiểu được thông điệp của nhau Cùng là chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232 nhưng đối với máy tính, mức tín hiệu của nó là +12v và - 12v, trong khi đó ở vi điều khiển thì mức tín hiệu lại là mức quen thuộc 0 và 5v Ở đây, IC max232 được sử dụng làm bộ phận chuyền đổi mức tín hiệu trên

+5V

MAX232

Hình 2 2; phan chuyển đổi mực tín hiệu

Có thể thấy ở sơ đề mạch hình phía trên, ngoài nguồn điện được cấp cho

chip thi cần thêm các tu mắc xung quanh để đảm bảo cho sự truyền nhận được diễn

ra theo đúng yêu câu

2.2.5 phần hiển thị cho biết trạng thái đang làm việc của hệ thông

Toàn bộ các quá trình gia công chỉ tiết sẽ được thể hiện ở khối hiển thị LCD, đây là một khối có sẵn trên thị trường và rất dễ sử dụng trong việc hiển thị đữ liệu từ vi xử lý Nó được giao tiếp với máy tính qua một công có tối thiểu 7 bít đữ liệu

Và để làm việc với nó chỉ mắt vài dòng lệnh

Hinh 2.2: Khéi hién thi

Bang x.x : Bang chuc ndng cac chan cua LCD 16x2

> Các điện trở R49, R50 cùng với transistor Q7 sẽ nhận tín hiệu điều khiên từ MCU đề bật tắt đèn nên của LCD

2.2.6 Phần mêm lập trình trên máy tính

Để có thê làm việc được tốt, hệ thống cần có một giao diện đề người

sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống Phần mềm này có thể được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft Có thể hình dung qua giao điện của phần mềm như sau:

Ở trên tôi đã trình bày hết toàn bộ các thiết kế phần cứng và mạch điều khiển cũng như lưu đồ thuật toán cho vi điều khiển, tuy nhiên mới thế thì hệ thống vẫn

chưa thê hoạt động được Mà cần phải có một phan mém lập trình để người thợ có thể đưa các ý tưởng của mình vào đó mà máy có thê hiểu được Ta tạm hiểu đó là một trình địch và dịch một ngôn ngữ qui định nào đó Đề làm được nhiệm vụ đó ta phải đưa ra những qui định cụ thể dé làm việc với chiếc máy, giả sử như muốn tiến

dao ăn sâu vào chỉ tiết thì cần sử dụng lệnh nào, muốn tăng tốc hay giảm tốc trục

trình thì phải dùng lệnh nào Khi đó phần mềm của tôi viết ra phải có nhiệm vụ có môi trường cho người thợ soạn thảo, phải phát hiện ra những lỗi trong quá trình lập trình và thông báo cho người sử dụng sửa chữa Phải có khả năng kết nối với mạch thiết kế cho máy để gửi toàn bộ chương trình xuống cho máy hoạt động

Đề có thể làm việc được tốt, hệ thống cân có một giao diện để người

sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống Phần mềm này có thể được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft Có thể hình dung qua giao điện của phần mềm như sau:

‘si phan mem fap trinh CHC

Test conection

2.3 Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được các vẫn đề sau:

- _ Nghiên cứu tông quan và chi tiêt câu tạo của máy Micro Lathe

- _ Thiêt kê chi tiệt phương an cải tiên máy trên thành máy gia công bán tự động cả phần mêm lân phân cứng

CHUONG 3: THIET KE MO HINH MAY CNC LOAI NHO

3.1 Tổng quan, phạm vỉ và chức năng của máy

Sơ đồ khối

3.1.1 So dé phan kết cấu cơ khí

Sơ đồ phần kết câu cơ khí của mô hình được thiết kế như hình 3.1 bên dưới.

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu cơ khí của mô hình máy CNC loại nhỏ 3.1.2 Sơ đồ khối phần mạch điện tử

Có thể tạm hiểu về hoạt động của phần mạch điện tử như sau: Mạch có nhiệm vụ nhận dữ liệu được gửi xuông từ máy tính qua công COM Dữ liệu này

được đây vào EEPROM, khi vi điều khiển hoạt đông, nó sẽ lay toàn bộ dữ liệu này

để đưa ra các điều khiển cho các động cơ Do đó mạch cần phải có các khối chức

năng đề thực hiện được yêu cầu này

Sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ được thiết kế như hình 3.2 bên dưới.

giao dien

mach CS

mach CS

Hình 3.2: sơ đồ khối mô hình máy CNC loại nhỏ

Về co bản sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ ở chương này cũng gần giống với mô hình thiết kế cho máy Micro Lathe Nhìn trên mô hình ta có thê thấy được cơ bản về chức năng của các khối có trong mô hình

- Do mô hình sử dụng 4 động cơ vận hành cho nên cũng cần 4 mạch công

suất điều khiển cho mô hình Tuy nhiên trong 4 động cơ thì có 3 động cơ

một chiêu và l động cơ bước, do đó các mạch điều khiển cho các loại động

cơ khác nhau cũng phải khác nhau

- Các động cơ sử dụng là các động cơ loại nhỏ, dòng chảy qua nhỏ khi hoạt

động bình thường do đó có thể sử dụng các mạch công suất nhỏ để có thể điều khiển được các động cơ này

- Khối truyền thông có nhiệm vụ chuyên đối mức tín hiệu từ máy tính xuống

vi điều khiến để cho hai khối này có thể gửi dữ liệu cho nhau một cách bình

thường

- Khối vi điều khiển có nhiệm vụ giải mã toàn bộ chương trình và đưa ra các hành động điều khiển động cơ tịnh tiễn các trục cũng như động cơ khoan

theo yêu cầu

- Mạch hiên thị cho biết trạng thái của hệ thống 3.1.3 Lam viéc voi mé hinh may

Do tầm quan trong và những ứng dụng thực tế của chiếc máy CNC đã được

trình bày ở trên Ở phân này, tôi xin được trình bày về một mô hình thực tế đã được

thiết kế và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt Mô hình ở đây được chế tạo hoàn toàn

trên những nguyên liệu rời rạc chứ không cải tiến từ một chiếc máy nào đó Nó được bắt đầu từ những thanh nhôm, những tâm phíp nhựa và từ những chiếc đinh

ốc Nó được thiết kế hoàn toàn dựa trên tất cả những kiến thức đã thu nhận được trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học giao thông vận tải Mô hình hoàn toàn có thê trở thành tài liệu học tập vì nó cũng bao gồm đây đủ các chức năng cơ bản của một mô hình Tôi xin được phép trình bày nó ngăn gọn để các bạn có thể hiểu sơ qua về hoạt động và phạm vi ứng dụng của nó.

Có thê nói một cách dễ hiểu hơn mô hình chính là một chiếc máy khoan tự động, chạy theo một chương trình được lập trình sẵn trên máy tính Đề bắt đầu gia công, việc đầu tiên là viết chương trình cần gia công trên máy tính, việc viết

chương trình này tuân theo một vài qui tắc do tôi tự lập ra thể hiện các hành động

của mô hình Ví dụ như nếu viết X20;Z-30; chăng hạn, thì khi đó máy sẽ thực hiện

dịch chuyển bàn khoan một khoảng theo trục X là 20mm, tiếp sau đó là nâng mũi

khoan lên cao một khoảng là 30mm Và cứ như thế, toàn bộ quá trình làm việc của mô hình sẽ được mô tả qua ngôn ngữ Chương trình soạn thảo có thê được viết trên một phần mềm soạn thảo bất kì nào, hoặc có thể sử dụng ngay trình soạn thảo notepad của window XP được tích hợp sẵn Khi chương trình soạn thảo viết xong cần lưu nó đưới dạng file name.txt

Bước tiếp theo ta sẽ tiễn hành dịch file vừa viết xong Tất cả các lỗi về cú pháp cũng như các lỗi về dịch chuyên không hợp lý sẽ bị phát hiện và báo lỗi buộc người sử dụng phải sửa lỗi ngay trước khi cho phép nạp xuông mô hình Quá trình dịch và phát hiện lỗi sẽ được thực hiện do một phân mềm viết trên nền visual basic

có nhiệm vụ liên kết đến file chương trình, kiểm tra các lỗi phát sinh và đưa ra

thông báo Khi không có một lỗi nào được tìm thấy trong quá trình dịch, chương trình sẽ thông báo dịch thành công và cho phép người dùng gửi toàn bộ chương chình xuông mô hình thông qua giao tiếp công COM Và tất nhiên công COM chỉ được sử dụng trong quá trình thay đổi hoặc nạp chương trình mới cho mô hình Còn lại trong quá trình nó hoạt động hoàn toàn ta có thể rút bỏ mà không có một sự

ảnh hưởng nào đến quá trình làm việc của nó

Ở tại vi điều khiển, tất cả các đữ liệu nhận được sẽ được đây vào nội dung

của bộ nhớ EEPROM, đề phòng trường hợp khi mắt điện hoặc hệ thống bị treo thi

đữ liệu vẫn còn và mô hình vẫn có thể làm việc được một cách bình thường

EEPROM có độ rộng 64kb và được ghép nối ngoài với vi điều khiển và vị bộ nhớ giới hạn như vậy cho nên giới hạn file lập trình không được quá 64kb Khi toàn bộ

đữ liệu đã được đưa vào nội dụng EEPROM thì quá trình giải mã bắt đầu được tiến

hành, đữ liệu sẽ được giải mã và biến thành các hành động của các trục để thực hiện quá trình gia công Các hành động của mô hình bao gồm dịch chuyên trục X theo hai hướng, dịch chuyển trục Y theo hai hướng, dịch chuyển trục Z theo hai hướng (nâng hạ mũi khoan), điều khiển cấp tốc độ cho động cơ khoan và đảo chiều quay cho động cơ khoan Khi gia công hết chương trình, vi điều khiển kiểm tra mã lệnh xem có cần lặp lại quá trình gia công hay không, nếu có thì lặp lại còn nếu không thì kết thúc và chuyên qua chế độ chờ

3.2 Phân tích và đưa ra giải pháp gia công phần cơ khí cho mô hình 3.2.1 Kết cầu cơ khí trục Z

Như phân tích phần cơ khí ở trên, mô hình sẽ bao gồm 3 trục đó là trục X, Y

và trục Z Khi hoạt động các trục được tịnh tiễn qua lại bằng các động cơ điều

khiển nhờ các cơ cấu trục vít bánh vít Cũng có thể nhìn thấy luôn, khi hoạt động mũi khoan tiễn theo trục Z và chỉ được phép di chuyên lên xuống (nâng, hạ) Do

khi khoan, tốc độ tiễn mũi khoan chậm và yêu cầu cần di chuyển các khoảng nhỏ cho nên ở đây tôi đưa ra phương án chọn động cơ bước Động cơ bước tôi sử dụng là loại động cơ 2 cuộn đây và có góc bước là 1.8 độ Có nghĩa là nếu bước đủ vòng thì cần phải đi 200 bước Bên cạnh đó, cơ cầu trục vít bánh vít có tác dụng hạn chế chuyên động tối đa vòng quay của động cơ và đồng thời tạo lực ép mũi khoan lớn Cơ câu trục vít bánh vít sử dụng loại bulong đai ôc có bước ren là lmm Với kết cầu như vậy thì động cơ bước khi bước 200 bước sẽ chỉ làm cho mũi khoan tiễn

đọc trục được một khoảng là lmm Như vậy khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của mũi

khoan là Imm/200=0.005mm Với khoảng cách này đảm bảo cho tốc độ tiễn mũi khoan

Để có thể thực hiện ghép trục bulong vào với trục động cơ, tôi khoan một lỗ nhỏ ở đầu trục có đường kính vừa khít với đường kính của trục động cơ và thực

hiện đóng cốt đề ghép chặt hai chỉ tiết này với nhau Bằng cách này trục động cơ và bulong được ghép chết với nhau Hình vẽ 3.3 bên đưới là hình chụp của động cơ và trục sau khi đã tiến hành đóng cốt với nhau

Hình 3.3: Động cơ và trục bulong sau khi da ghép với nhau - 2: Dau bulong sau khi đã ghép với động cơ

- _ 1: Động cơ bước gắn với bulong

Yêu cầu đặt ra ở đây là làm sao khi động cơ bước quay thì mũi khoan của ta cần phải đi chuyển lên xuống dọc trục tùy theo chiều quay của động cơ Để thực

hiện được điều này một cách êm ái và trơn tru thì tôi sử dụng một loại đệm trượt

dùng bi để gắn giữa hai thanh nhôm Thanh nhôm làm khung và thanh nhôm chứa động cơ khoan Khi gắn xong, hai thanh có thể trượt nhẹ nhàng trên nhau Phân đai ốc của bulong sẽ phải được gắn cố định lên một thanh nhôm có chứa động cơ khoan để sao cho khi động cơ quay làm cho bulong quay, đai ốc sẽ tiến dọc trục động cơ khoan kéo theo sự chuyển động lên xuống của động cơ khoan Tiến hành gia công và lắp ghép ý tưởng tôi được một kết câu di chuyển như hình vẽ 3.4 đưới đây.