THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT GVHD TS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH HÀ XUÂN THÀNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2017 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ - THI CÔNG - GIẢI THUẬT MÁY CNC TRỤC GVHD: TS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: HÀ XUÂN THÀNH SKL010018 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH -*** - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ - THI CÔNG - GIẢI THUẬT MÁY CNC TRỤC SVTH: HÀ XUÂN THÀNH GVHD: TS VÕ LÂM CHƯƠNG GVHD: Th.S HUỲNH PHƯỚC SƠN TP Hồ Chí Minh, tháng 7/2017 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học-kỹ thuật, tự động hóa sản xuất đóng vai trị quan trọng cơng nghiệp nước ta Nhận thức điều này, chiến lược công nghiệp hóa theo hướng đại vào nam 2020 cơng nghệ tự động ưu tiên đầu tư phát triển Ở nước ta cơng nghiệp tự động hóa hình thành từ lâu, yếu tố định đến sản xuất tư động hóa kỹ thuật điều khiển Các máy công cụ điều khiển số CNC dùng phổ biến nước phát triển từ lâu Trong năm gần CNC nhập vào Việt Nam phổ biến rộng rãi Máy công cụ CNC hệ thống công nghệ hiên đại, thành nghiên cứu lớn thiết bị điển hình cho sản xuất tự động Với đề tài giao “Thiết kế-Thi công-Giải thuật cho máy CNC trục”, lần tiếp xúc với đề tài em nhận thấy đề tài hay thực tế Quá trình làm hoàn thành đề tài giúp em tổng hợp kiến thức học kiến thức thực tế liên quan đến công việc em sau làm Đồ án tiếp nối đồ án “thiết kế khí”, tập trung lớn vào việc điều khiển Vì vậy, phần tính tốn khí trình bày cốt lõi cần thiết cho việc điều khiển i LỜI CẢM ƠN Lời nhóm chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đặc biệt thầy cô môn Cơ điện tử giảng dạy chúng em suốt thời gian học tập hỗ trợ chúng em nhiều việc thực đề tài Thời gian học tập trường kinh nghiệm, hành trang quý báu giúp chúng em tự tin hơn, vững bước công việc sau Một lần em xin chân thành cám ơn thầy Chương, thầy cô trường, chúc thầy cô dồi sức khỏe, thành công sống đào tạo nên sinh viên giỏi giúp ích cho xã hội Và xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ tất điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHÂN ̣ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Hà Xuân Thành MSSV: 12146169 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài: Thiết kế - Thi công – Giải thuật máy CNC trục Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: ThS Võ Lâm Chương NHẬN XÉT Về nội dung đề tà i & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyế t điểm: Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằ ng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn ThS Võ Lâm Chương iii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: Hà Xuân Thành MSSV: 12146169 Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài: Thiết kế - Thi công – Giải thuật máy CNC trục Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tà i & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyế t điểm: Đề nghi ̣cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằ ng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 07 năm 2017 Giáo viên phản biện iv MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài .1 1.2 Tổng quan chung lĩnh vực 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.3.1 Mục tiêu đề tài 1.3.2 Nhiệm vụ đề tài .3 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu .3 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Giới hạn đề tài 1.6 Tính cấp thiết đề tài Chương 2: GIỚI THIỆU CHUNG Tổng quan bàn máy CNC trục .5 1.1 Giới thiệu .5 1.2 Lịch sử hình thành .5 1.3 Ứng dụng .6 1.4 Ưu điểm 1.5 Nhược điểm Các công việc phải thực .7 Dự đốn khó khăn Hướng giải Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Chọn phương án truyền động Chọn phương án di chuyển trục tọa độ 10 2.1 Phương án phôi cố định .10 2.2 Phương án phôi di chuyển 11 2.3 Kết luận .11 v Chọn động dẫn động .11 3.1 Động bước 11 3.2 Động chiều (DC motor) 12 3.3 Động Servo .13 Giới thiệu động bước 14 4.1 Ứng dụng .14 4.2 Giới thiệu động bước đơn cực 15 4.3 Vấn đề trước trượt bước .17 5.Sử dụng Solidworks thiết kế khí 18 Chương 4: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 19 Chương 5: THUẬT TOÁN NỘI SUY 23 1.Khái niệm nội suy .23 Nội suy phần mềm .24 Nội suy đường thẳng 26 2.1 Tính tốn: .26 2.2 Giải thuật điều khiển 26 4.Nội suy cung tròn 29 4.1 Phương pháp DDA (Digital Differential Analyzer) 29 4.2 Phương pháp SA (Stairs Approximation) 30 4.3 Phương pháp DS (Direct Search) 33 4.4 Phương pháp NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) 35 CHƯƠNG 6: GIAO TIẾP MÁY TÍNH 41 Matlab 41 1.1 Giới thiệu 41 1.2 Giao diện .42 1.3 Universal Gcode Sender .43 Chương 7: THỰC NGHIỆM 50 Các vấn đề cần thiết thực nghiệm 50 So sánh sai số thuật toán .50 Kết đạt 53 KẾT LUẬN 58 vi Kết chưa đạt 58 Hướng phát triển 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 [6] Suk-Hwan Suh and Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung and Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems, 2008 59 vii PHỤ LỤC HÌNH Hình 1.1: Khái niệm nội suy Hình 1.2: Các phương pháp nội suy điều khiển máy CNC Hình 3.1: Vít me thường gắn đồng trục với động Hình 3.2: Vít me đai ốc bi Hình 3.3: Đai Hình 3.4: Phương án phôi cố định 10 Hình 3.5: Phương án phôi di chuyển 11 Hình 3.6: Động bước 11 Hình 3.7: Động chiều (DC motor) 12 Hình 3.8 : Động Servo .13 Hình 3.9: Động bước 14 Hình 3.10: Sơ đồ kết nối động bước đơn cực 15 Hình 3.11: Mô thiết kế Solidworks 18 Hình 4.1: Mạch điều khiển .19 Hình 4.2: IC A4988 19 Hình 4.3: Sơ đồ kết nối IC A4988 20 Hình 4.5: Arduino Uno 21 Hình 5.1: Phương pháp nội suy đường thẳng 26 Hình 5.3 :Giải thuật nội suy đường thẳng chạy trục x .28 Hình 5.4 : Giải thuật nội suy đường thẳng chạy trục x & y .29 Hình 5.5: Giải thuật nội suy cung trịn DDA 30 Hình 5.6 : Kết nội suy cung tròn DDA 30 Hình 5.7: Phương pháp nội suy cung tròn SA 31 Hình 5.8: Giải thuật nội suy cung tròn SA .32 Hình 5.9: Kết nội suy cung trịn SA 33 Hình 5.11 : Kết nội suy cung tròn DS .35 Hình 5.12: Phương pháp nội suy cung tròn NURSB .36 Hình 5.13: Phương trình đường cong Bezier bậc 37 Hình 5.14: Tập hợp điểm đường cong Bezier 38 Hình 5.15: Phương trình đường cong Bezier bậc 38 Hình 5.16: Nội suy Bezier 39 Hình 5.17: Nội suy Rational Bezier 40 Hình 6.1: Giao diện mơ thuật tốn nội suy 42 Hình 6.2: Giao diện Xloader 43 Hình 6.3: Giao diện điều khiển UniversalGcodeSender 44 Hình 6.4: Cài đặt thông số UniversalGcodeSender 45 Hình 6.5: Thiết lập đảo mức điện áp UniversalGcodeSender 46 Hình 6.6: Thiết lập phản hồi trạng thái Universal 47 Hình 7.1: BLU =1mm .50 viii Hình 6.5: Thiết lập đảo mức điện áp UniversalGcodeSender Cách sử dụng $2 bảng trên: ví dụ muốn đảo mức tín hiệu điều khiển động bước trục Z, trục X Y không thay đổi, ta thiết lập: $2 = $3: thiết lập đảo mức tín hiệu điều khiển hướng động trục Thiết lập tương đương với đảo thứ tự toàn chân dây điều khiển động bước dùng để đảo chiều chuyển động (âm dương) động Cách thiết lập trục bị đảo hướng chuyển động giống $2 Ví dụ muốn đảo hướng chuyển động trục Y, ta sửa giá trị $3 = $4: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt động cho tất trục Thông thường thiết lạp không cần sử dụng để mặc định $4 = $5: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt Endstop (cảm biến giới hạn hành trình máy) cho tất trục Nếu $5 = 0, mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt Endstop mức (0V) Nếu $5 = 1, mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt Endstop mức (+5V) $6: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt cảm biến dị bề mặt phơi Khi sử dụng chức dị bề mặt phôi (kiểm tra độ cao điểm bề mặt phôi để bù lại gia công), $6 = mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt đầu dị mức (0V) Nếu $6 = mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt đầu dò mức (+5V) Lưu ý, đặt $6 = 1, cần phải bổ sung thêm trở nối đất cho chân tín hiệu đầu dị $10: thiết lập phản hồi trạng thái máy chạy: 46 Hình 6.6: Thiết lập phản hồi trạng thái Universal Mục đích thiết lập cho phép người dùng chọn lựa/loại bỏ số thông tin trạng thái máy cần theo dõi Thơng thường thơng số cần theo dõi tiết kiệm tài nguyên mạch điều khiển Các thơng số chọn/loại bỏ trình bày hình gồm có: Machine Position (vị trí máy); Work Position (vị trí gia cơng); Planner Buffer (bộ nhớ đệm lưu bước gia công tiếp theo); RX Buffer (bộ nhớ đệm nhận tín hiệu); Limit Pins (trạng thái chân tín hiệu Endstop) Cách sử dụng: ví dụ muốn mạch điều khiển gửi thông số Machine Position Work Position, đặt giá trị: $6 = 1+2 = $11: thiết lập giá trị gia tốc dao di chuyển qua điểm nối cạnh cần gia công Giá trị gia tốc cao, máy chạy nhanh khả xảy sai lệch kích thước lớn ngược lại $12: thiết lập độ xác gia cơng cung trịn/đoạn cong, tính theo milimét Thơng thường giá trị không cần phải thay đổi trừ cần giá trị khác Nếu muốn gia công cung trịn nhanh hơn, tăng giá trị $12 lên chút $13: thiết lập thông báo trạng thái làm việc máy theo đơn vị Inch hay không Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị mm Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị inch $20: thiết lập chức giới hạn hành trình phần mềm Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $20 = 1), mạch điều khiển cho phép dao di chuyển giới hạn cho phép (xem $130; $131; $132) tính từ gốc tọa độ Khi muốn dùng tính bắt buộc phải bật tính gốc tọa độ ($22) trước 47 $21: thiết lập chức giới hạn hành trình Endstop Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $21 = 1), mạch điều khiển tự động dừng tồn máy có Endstop kích hoạt Thơng thường tính khơng cần dùng đến, trừ số trường hợp đặc biệt $22: thiết lập chức gốc tọa độ Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $22 = 1), lần khởi động máy, dao tự động di chuyển gốc tọa độ (được xác định Endstop ứng với trục X; Y; Z) Trong trình di chuyển gốc tọa độ, mạch điều khiển không thực lệnh khác tới vị trí Endstop $23: thiết lập hướng di chuyển gốc tọa độ (sử dụng đảo ngược hướng lắp Endstop trục) Cách sử dụng giống với $2 $24: tốc độ gốc tọa độ chậm (mm/phút) Khi gốc tọa độ, dao di chuyển nhanh (tốc độ gốc tọa độ nhanh $25) từ vị tri Khi gặp Endstop, dao di chuyển ngược lại sau di chuyển chậm (tốc độ gốc tọa độ chậm $24) để đảm bảo độ xác Giá trị $24 nhỏ vị trí xác định gặp Endstop xác, nhiên thời gian $25: tốc độ gốc tọa độ nhanh (mm/phút) Xem giải thích $24 $26: thiết lập độ trễ (delay, mili giây) kiểm tra tín hiệu Endstop gốc tọa độ Để giảm ảnh hưởng nhiễu tín hiệu điện, mạch điều khiển tạo thời gian trễ nhận tín hiệu kích hoạt từ Endstop Thơng thường giá trị nằm khoảng – 25 ms $27: thiết lập di chuyển sau gốc tọa độ (mm) Sau gốc tọa độ, dao di chuyển theo chiều ngược lại quãng giá trị $27 theo tất trục $100; $101; $102: thiết lập số bước động ứng với 1mm theo trục X; Y; Z tương ứng $110; $111; $112: thiết lập tốc độ di chuyển cực đại dao theo trục X; Y; Z tương ứng (mm/phút) Khi kiểm tra máy, ban đầu đặt giá trị thật thấp, sau tăng dần tới động hoạt động mượt $120; $121; $122: thiết lập gia tốc di chuyển dao ứng với trục X; Y; Z tương đương (mm/s2) Nếu đặt giá trị gia tốc q thấp, dao khơng tăng tới 48 vận tốc cao Tuy nhiên để gia tốc cao, động bị mốt số bước hoạt động $130; $131; $132: thiết lập hành trình tối đa (kích thước gia công tối đa) theo trục X; Y; Z tương ứng (mm) Các thiết lập cần thiết kích hoạt tính $20 Sau chọn xong giá trị ứng với chức năng, click Save để lưu thiết lập vào mạch điều khiển 49 Chương 7: THỰC NGHIỆM Các vấn đề cần thiết thực nghiệm Độ xác thuật tốn DDA, DS, SA Với lưu đồ giải thuật có biến số trọng yếu thuật tốn, từ ta tính vị trí điểm mà thuật tốn chạy qua từ ta lập thành bảng thơng số vị trí thuật tốn di chuyển, so sánh với kết qua Xác định BLU mơ hình Mỗi cấu khí có độ vững khác nhau, độ trượt động cho sai số BLU khác nên lần chạy cho kết xác BLU mơ phỏng=1 BLU thực tế Bằng cách thiết lập thông số Universal Gcode Sender nhiều lần chạy thử nghiệm điều chỉnh BLU mô phỏng=BLU thực tế Hình 7.1: BLU =1mm So sánh sai số thuật toán Gọi ∆ giá trị sai số diện tích cung trịn thật cung trịn mơ thuật toán nội suy 50 ∆ = | Tên thuật toán DDA SA DS Tên thuật toán DDA SA | % TH1 : R = 10 Diện tích cung Diện tích trịn thuật tốn = 78.5 ( ) 83 79 80.5 Bước lặp Sai số n 16 20 14 5.7% 0.64% 2.5% Hình 7.2: So sánh sai số thuật tốn R=10 TH2: R = 15 Diện tích cung Diện tích Bước Sai số trịn thuật tốn lặp n = ( ) 176.625 190 176 23 30 ∆ ∆ 7.6% 0.35% 51 DS Tên thuật toán DDA SA DS 176.5 21 0.07% Hình 7.3: So sánh sai số thuật toán R=15 TH3 : R = 20 Diện tích cung Diện tích Bước Sai số trịn thuật tốn lặp n = ( ) 314 331.5 313 314 31 40 28 ∆ 5.6% 0.32% 0% Hình 7.4: So sánh sai số thuật toán R=20 Nhận xét: Trong trường hợp ta nhận thấy ∆