Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay

Báo cáo thực tập tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC……… ………3 1.1 Điều khiển số…………………………………………………………………3 1.2 Máy CNC………………………………………………………………….….3 CHƯƠNG II: TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC………… …………………….7 2.1 Khái niệm chung động bước………………………………………… 2.2 Nguyên lý hoạt động động bước ……………………………………8 2.3 Mômen đồng trạng thái ổn định động bước…………………….9 2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động truyền động……………………………11 2.4.1 Ba chế độ điều khiển động bước………………………………………11 2.4.2 Các đặc trưng tín hiệu điều khiển động bước…………………… 13 2.4.3 Điều khiển tốc độ quay động bước……………………………… 14 2.4.4 Điều khiển chiều quay động bước……………………………… 15 CHƯƠNG III: TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC PHA……………………………………………………………………17 3.1 Tìm hiểu khí………………………………………………………….17 3.1.1 Mơ hình máy phay thực tế……………………………………………… 17 3.2 Mạch lực phần cứng hệ thống……………………………………… 19 3.2.1 Giới thiệu động bước phương pháp điểu khiển cho máy phay ….19 3.3 Phần mềm điều khiển động bước qua cổng LPT……………………… 25 3.3.1 Thuật toán điều khiển…………………………………………………… 27 3.3.2 Viết chương trình…………………………………………………………27 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………… 30 Báo cáo thực tập tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Sau học kì học tập trường, chúng em truyền dạy kiến thức thuộc nhiều môn học lý thuyết Để mở rộng kiến thức thực tế kết hợp học hành, nhóm sinh viên chúng em nhà trường thầy giáo hướng dẫn cử thực tập tốt nghiệp trung tâm thực hành tự động hóa trường Đại học Phương Đơng Trong q trình thực tập chúng em có hội tiếp xúc với nhiều hệ thống thí nghiệm, mơ hình hệ thống tự động hóa nhiều thiết bị điện, điện tử giúp chúng em có thêm kinh nghiệm thực tế để chuẩn bị cho trình làm đồ án tốt nghiệp áp dụng công việc sau Suốt q trình thực tập, chúng em phân cơng tập tìm hiểu mơ hình máy phay CNC, để củng cố thêm kiến thức điều khiển số, máy gia cơng CNC, ghép nối máy tính… môn học mà chúng em dạy trường Đồng thời chúng em bước đầu vào tìm cách phát xung điều khiển mơ hình Đây tiền đề để nghiên cứu làm đồ án tốt nghiệp chúng em hồn thiện nâng cấp hệ điều khiển mơ hình Thực tế q trình đó, chúng em thu nhặt thêm khơng kiến thức bổ ích mà q trình học tập chúng em chưa trang bị cho thân Đợt thực tập thực bổ ích cho nhóm em Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhà trường, thầy cô môn bố trí cho chúng em có đợt thực tập Chúng em đặc biệt gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tiến tận tình hướng dẫn chúng em trình thực tập; cảm ơn thầy giáo Lưu Đức Dũng anh chị trung tập thực hành tạo điều kiện, nhiệt tình giúp đỡ bảo truyền đạt cho chúng em nhiều kinh nghiệm quý báu Sinh viên thực Nguyễn Ngọc Quang Báo cáo thực tập tốt nghiệp Chương I KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY CNC 1.1 Điều khiển số: Điều khiển số (Numerical Control) đời với mọc đích điều khiển q trình cơng nghệ gia cơng cắt gọt máy công cụ Về thực chấy, trình tự động điều khiển hoạt động máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu chi tiết gia công…) sở liệu cung cấp dạng mã số nhị nguyên bao gồm chữ số, số thập phân, chữ số kí tự đặc biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống Trước đây, có q trình gia cơng cắt gọt điều khiển theo chương trình kĩ thuật chép hình theo mẫu, chép hình hệ thống thuỷ lực, cam điều khiển mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng thành tiến khoa học công nghệ, lĩnh vực điều khiển số tin học cho phép nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ hệ thống điều khiển cho phép thực trình gia cơng cách linh hoạt thích ứng với sản xuất đại mang lại hiệu kinh tế cao Về mặt khoa học: điều kiện nay, nhờ tiến kĩ thuật cho phét giải toán phức tạp với độ xác cao mà trước chưa đủ điều kiện mà ta phải bỏ qua số yếu tố dẫn tới kết gần Chính cho phép nhà chế tạo máy thiết kế chế tạo máy với cấu có hiệu suất cao, độ xác truyền động cao khả chuyển động tạo hình phức tạp xác Ngày nay, lịch sử phát triển NC trải qua q trình phát triển khơng ngừng với phát triển lĩnh vực vi xử lí từ 4bit, 8bit,…cho tới 32bit cho phép hệ sau cao hệ trước mạnh khả lưu trữ xử lí 1.2 Máy CNC Từ máy CNC riêng lẻ (CNC Machines – Tools) phát triển cao trung tâm gia cơng CNC (CNC Engineering – Centre) có ổ chứa dao lên tới hàng trăm thực nhiều nguyên công đồng thời tuần Báo cáo thực tập tốt nghiệp tự vị trí gá đặt Cùng với phát triển công nghệ truyền số liệu, mạng cục liên thông phát triển nhanh tạo điều kiện cho nhà nghiệp ứng dụng để kết nối hoạt động nhiều máy CNC quản lí máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) với mục đích khai thác cách có hiệu bố trí xếp cơng việc máy, tổ chức sản xuất quản lí chất lượng sản phẩm… Máy CNC Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động chế tạo khí phát triển đạt đến trình độ cao phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt tổ hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị them robot cấp phôi liệu vận chuyển, hệ thống đo lường quản lý chất lượng tiên tiến, kiểu nhà kho đại đưa vào áp dụng mang lại hiệu kinh tế đáng kể Cấu trúc hệ điều khiển máy phay: Hệ điều khiển có nhiệm vụ giải mã chương trình NC xử lý tiếp thơng tin có liên quan cơng nghệ hình dáng hình học chi tiết Với hỗ trợ hệ điều khiển, phận cấu thành máy phay điều khiển hiệu chỉnh cho hình thành chi tiết cần gia công mong muốn Các chức hệ điều khiển thiết lập như: nhập liệu, xử lý liệu, xuất liệu (Hình 1.2) Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 1.2 Cấu trúc hệ điều khiển Việc nhập liệu hệ điều khiển diễn bảng điều khiển bao gồm bàn phím hình Ở chương trình NC thiết lập quản lý, liệu nhập vào, gọi mơ chương trình.Chương trình NC ghi nhớ lưu trữ liệu bên ngồi Đồng thời có khả liên kết với thiết bị bên ngồi thơng qua thiết bị giao tiếp Hệ điều khiển hở Các điều khiển máy phay thực điều khiển CNC Đặc điểm hệ điều khiển mạch tác dụng hở ( Hình 1.13) Hệ điều khiển nhận giá trị cần vào máy mà khơng cần hiệu chỉnh giá trị chúng Hình 1.3 Hệ điều khiển hở Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hệ điều khiển kín Vì điểu khiển hở cho tín hiệu đầu khơng xác, tín hiệu phải phản hồi hệ điều khiển để tính tốn liên tục điều chỉnh lại giá trị thực theo yêu cầu Quá trình điều khiển kín liên tục gọi hệ điều khiển kín ( Hình 1.4) Hình 1.4 Hệ điều khiển kín Báo cáo thực tập tốt nghiệp Chương II TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 2.1 Khái niệm chung động bước Động bước thực chất động đồng dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay chuyển động rơto có khả cố định rơto vào vị trí cần thiết Động bước làm việc nhờ có chuyển mạch điện tử đưa tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự tần số định Tổng số góc quay rơto tương ứng với số lần chuyển mạch, chiều quay tốc độ quay rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi tần số chuyển đổi Khi xung điện áp đặt vào cuộn dây stato động bước rơto động quay góc định, góc bước quay động Khi xung điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục rôto quay liên tục thực chất chuyển động theo bước rời rạc Có thể coi động bước linh kiện ( hay dụng cụ) số ( Digital Device) mà thơng tin số hoá thiết lập chuyển thành chuyển động quay theo bước Động bước thực trung thành lệnh số hoá mà máy tính u cầu Hình 2.1 Mơ hình hố động bước Báo cáo thực tập tốt nghiệp 2.2 Nguyên lý hoạt động động bước Rôto động bước (khơng có cuộn dây khởi động) khởi động phương pháp tần số; rôto động bước kích thích (rơto tích cực) khơng nhận kích thích (rơto thụ động ) Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý động bước m pha với rôto cực lực điện từ điều khiển xung cực Xung điện áp cấp cho m cuộn dây xung cực (hình 2.3 a) xung hai cực (hình 2.3 b) b Xung lưỡng cực a Xung cực Hình 2.3 Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato Chuyển mạch điện tử cung cấp điện áp điều khiển cho cuộn dây stato theo cuộn dây riêng lẻ theo nhóm cuộn dây Trị số chiều lực điện từ tổng F động vị trí rơto khơng gian hoàn toàn phụ thuộc phương pháp cung cấp điện cho cuộn dây Để tăng cường lực điện từ tổng stato tăng từ thơng mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba nhiều cuộn dây Lúc rơto động bước có vị trí cân ( ổn định) trùng với vectơ lực Báo cáo thực tập tốt nghiệp điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F có giá trị lớn lực điện từ thành phần cuộn dây stato ( hình 2.2 b; hình 2.2 c) Trên hình 2.2 b vẽ lực điện từ tổng F cung cấp điện đồng thời cho số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn nằm vị trí hai trục hai cuộn dây Trên hình 2.2 c vẽ lực điện từ tổng F cung cấp điện đồng thời cho số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục cuộn dây có trị số lớn Nếu cấp điện theo thứ tự số chẵn cuộn dây, số lẻ cuộn dây (số cuộn dây cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ từ lẻ sang chẵn) số vị trí cân rôto tăng lên gấp đôi 2m, độ lớn bước giảm π m Trường hợp điều khiển không đối xứng (điều khiển nửa bước) Nếu số lượng cuộn dây điều khiển ln ln khơng đổi thì rơto có m vị trí cân gọi điều khiển đối xứng (điều khiển bước) Tổng quát số bước quay rơto khoảng ÷ 3600 : K = m.n1.n2.p (2.1) – m : số pha (số cuộn dây điều khiển stato) – p: số đôi cực rôto – n1: hệ số; n1 = ứng với điều khiển đối xứng n1 = ứng với điều khiển không đối xứng – n2 : hệ số; n2 = điều khiển xung cực n2 = điều khiển xung hai cực 3600 Bước quay rôto không gian α = K 2.3 Mômen đồng trạng thái ổn định động bước Động bước cấp dịng điện chiều biểu thức mômen đồng tĩnh động bước khác so với biểu thức mômen đồng động đồng thường có cấu trúc Báo cáo thực tập tốt nghiệp Trong động bước cấp nguồn chiều, sau q trình q độ dịng điện cuộn stato số: U I = R = const (2.2) Từ thơng sinh tác động vào cặp cực rôto: Φ = B.S.cosα = B.S.sinθ (2.3) – B : cường độ từ trường dòng điện I sinh cuộn dây có điện cảm – S: tiết diện vng góc cặp cực – α : góc trục cặp cực với trục cuộn dây pha – θ : góc trục cặp cực đường vng góc với trục cuộn dây pha Khi θ thay đổi với thay đổi khe hở khơng khí stato rôto làm cho điện cảm L thay đổi dẫn đến từ thông Φ thay đổi mơmen động thay đổi Phần lớn động bước có cấu tạo rơto khơng có cuộn kích thích Biểu thức mơmen có dạng sau: dLS M(θ) = CM.IS dθ (2.4) – CM : số phụ thuộc vào cấu tạo loại động – IS: trị số dòng điện Stato – LS: trị số điện cảm Stato Quan hệ mơmen góc quay θ thường có dạng khơng sin ảnh hưởng cấu trúc cấu trúc cực lồi rôto stato, xung điện áp cấp vào có dạng xung vng tổng thành phần điều hồ Hình 2.4 vẽ đường cong mômen tổng M = f(θ) ( đường nét liền) thành phần điều hồ (đường nét đứt): 10 Báo cáo thực tập tốt nghiệp V= (2.12) n θ θ =f t 360 360 ( vòng/giây) = f θ 60 ( vòng/phút) Việc điều khiển động bước thực cách thay đổi tần số dịch bước f Việc điều khiển thực vi xử lý Việc lựa chọn tải trọng vận tốc quay cực đại phải tính tốn trước thiết kế hệ truyền động sử dụng động bước 2.4.4 Điều khiển chiều quay động bước Với động bước, chiều quay nhìn chung khơng đồng với chiều dịng điện cấp vào mà phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch bước Khi rơto vị trí n, ta cấp điện cho chuyển sang vị trí (n + 1) động quay phải; ta cấp điện cho rôto chuyển sang vị trí (n – 1) động quay trái Bộ tạo xung điều khiển thực việc Chiều quay động bước xác định thứ tự chuyển dịch trạng thái cấp điện cuộn dây stato Với động pha, điều khiển bước, có trạng thái cấp điện, điều khiển nửa bước có trạng thái cấp điện Với động pha, cấp xung cực có trạng thái cấp điện vào cuộn dây cho trường hợp điều khiển bước nửa bước Bảng 2.1 Trạng thái cấp điện pha động pha Trạng thái Cuộn 1 0 0 Cuộn 1 0 0 Cuộn 0 1 0 Cuộn 0 0 1 1 Cuộn dây Trong bảng đánh số cuộn dây cấp xung điện cực, đánh số cuộn khơng cấp điện Nếu điều khiển bước có trạng thái: 1, 3, 5, 2, 4, 6, Nếu điều khiển nửa bước có trạng thái 15 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Khi xác định cách cấp điện trên, lúc hoạt động, động bước trạng thái ổn định Mỗi lần dịch chuyển trạng thái cấp điện sang trạng thái liền kề động dịch chuyển bước (bước đủ bước nửa) Nếu chiều dịch chuyển từ phải qua trái động quay trái, dịch chuyển từ trái qua phải động quay phải Trong q trình hoạt động cuộn dây pha phải cấp điện Nếu tất cuộn dây không cấp điện (trạng thái Turn off) động quay trơn, có nghĩa tải gây mơmen rơto bị quay lực bên Muốn dùng ngoại lực để thay đổi vị trí tải phải đưa động vị trí Turn off Hệ truyền động động bước khơng hoạt động ta điều khiển trạng thái Turn off dịch bước, mà phải điều khiển chế độ giữ dịch bước 16 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Chương III TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC PHA 3.1 Tìm hiểu khí: 3.1.1 Mơ hình máy phay thực tế: Hình 3.1 Mơ hình máy phay Máy phay phân xưởng bao gồm chuyển động sau: – Chuyển động bàn máy theo trục X – Chuyển động giá gắn mũi phay theo trục Y – Chuyển động mũi phay theo trục Z 17 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 3.2 Cơ cấu dịch chuyển trục X Hình 3.3 Cơ cấu dịch chuyển trục Y Z Hình 3.4 Mơ hình lắp ráp may phay Nếu trục máy sử dụng biến đổi vít me bi ưu điểm rõ ràng, khơng phải khơng có khó khăn Việc tìm mua vit me bi có thơng số khó khăn Hơn nữa, giá vít me cao (1,5 – triệu đồng/bộ) Cho nên máy phay phân xưởng biến đổi chúng em dùng trượt (dẫn hướng) hình trụ mạ Crơm Hình 3.5 Thanh trượt mạ crơm 18 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Và để bàn máy trục tọa độ trượt trượt ta sử dụng dây cu–roa gai gắn vào trục máy tỉ số truyền truyền 1:1 Để điều khiển chuyển động tịnh tiến trục nêu trên, cấu chấp hành động bước Bên cạnh trục tọa độ trên, mũi phay quay động đồng lắp vào nguồn 220V xoay chiều 3.2 Mạch lực phần cứng hệ thống Nhiệm vụ nhóm em tìm hiểu cấu trúc phần cứng, chỉnh định lại tủ điều khiển cho hợp lý ghép nối thuận tiện cho chạy thử 3.2.1 Giới thiệu động bước phương pháp điểu khiển cho máy phay Với phát triển kĩ thuật vi xử lý nhà sản xuất cho đời vi điều khiển tích hợp mạch cơng suất cần thiết: mạch phát xung, mạch đảo chiều quay, mạch điều chỉnh tốc độ…vv Nhờ giúp cho việc thiết kế module điều khiển đơn giản gọn nhẹ nâng cao độ xác trình điều khiển Hai vi mạch L297 L298 ứng dụng để thiết kế module điều khiển cho động truyền động máy phay * Động bước truyền động trục máy phay: Thông số: VEXTA Model C6244–9212K phase 1.8o/step DC 5.7V – 1.6A Hình 3.6 Động bước mơ hình máy phay * Module điều khiển động bước: – Vi mạch L297 hãng: SGS – THOMSON Microelectronics sản xuất Vi mạch L297 tích hợp tất mạch điện tử cần thiết để điều khiển động bước lưỡng cực đơn cực Sử dụng với mạch cầu công suất kép L298 tạo ghép nối hoàn chỉnh vi xử lý động bước kiểu 19 Báo cáo thực tập tốt nghiệp lưỡng cực Động bước kiểu đơn cực điều khiển L297 cộng cụm công xuất mắc theo kiểu Đalingtơn Hình 3.7 Dạng đóng vỏ vi mạch L297 Hình 3.8 Sơ đồ khối vi mạch L297 20