Thiết kế hệ thống ấp phôi tự động cho máy đột dập md 160

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống máy công cụ CNC mở ra bớc phát triển mới cho gia công cơ khí, c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- Nguyễn tiến sỹ

Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

cho máy đột dâp Md 160

Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ngành: công nghệ cơ khí

hớng dẫn khoa học: PGS.ts nguyễn trọng doanh

HÀ NỘI - 2008

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ ƯỢ L C

H ọ và tên: Nguyễn Ti n Sế ỹ Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 27.07.1977 Nơi sinh: Thái Bình

Chức v , đ n vịụ ơ công tác tr c khi h c t p, nghiên cứu: ảng viên ướ ọ ậ Gi

Đơn v công tác: ị Khoa cơ khí trườ ng Đ i Học Công Ngh ệp Hà Nội ạ i

Chỗ ở riêng ho c đ a chỉặ ị liên l c: ạ

Điện tho i c ạ ơquan: … Nhà riêng: 04.22416228/ 22407214

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

1 Trung học chuyên nghiệp: Không

Thời gian Nơi công tác Công việ c đ m nhiệ ả m

1

Lời cảm ơn

Trớc tiên tôi xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn

quá trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Khoa Cơ khí, Trung tâm Việt – Nhật Trờng Đại học Công nghiệp Hà Nội, công ty TNHH Chế tạo cơ khí Đức Nhật cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong qúa trình nghiên cứu

Hà nội, ngày 30 tháng 10 năm 2008

Học viên

Nguyễn Tiến Sỹ

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan r»ng nh÷ng néi dung trong luËn v¨n nµy lµ trung thùc

vµ lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña t«i

Hµ néi, ngµy 30 th¸ng 10 n¨m 2008

Häc viªn

NguyÔn TiÕn Sü

Lời nói đầu

Ngày nay kỹ thuật tự động hoá xâm nhập và phát triển mạnh mẽ vào nhiều lĩnh vực hoạt động của đời sống xã hội Tự động hoá đem lại những hiệu qủa rõ rệt trong sản xuất nh: tăng năng suất lao động, nâng cao tính

đồng đều của chất lợng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu, cải tiến điều kiện lao

động nhất là trong môi trờng độc hại, thay thế các động tác đơn thuần, lặp lại của con ngời

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống máy công cụ CNC mở

ra bớc phát triển mới cho gia công cơ khí, các hệ thống CAD/CAM cho phép thiết kế kết cấu lập trình và tự động gia công với sự trợ giúp của máy vi tính

Nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic có khả năng lập trình PLC đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơ le Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tơng tự Các PLC đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do một số lý do sau:

chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng

tất cả các máy tính thông thờng

có khả năng thay thế hàng trăm rơ le

làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu đợc bụi bẩn, dầu mỡ,

độ ẩm, rung động và nhiễu nhờ CPU của PCL đợc cách ly với hệ thông bên ngoài

phức tạp để có thể giao tiếp với môi trờng công nghiệp Trong khi đó các PLC có thể giao diện trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O

đồ thang, tơng tự nh sơ đồ đấu dây của các hệ thống điều khiển rơ le thông thờng

nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chơng trình điều khiển mới vào PLC bằng bộ lập trình trực tiếp, bằng thẻ nhớ, truyền qua mạng Vận dụng những kiến thức đã học ở trờng ĐHBK-HN và công tác

thực tế cùng với sự hớng dẫn nhiệt tình của TS Nguyễn Trọng Doanh Em

đã tổng hợp đợc một khối lợng kiến thức nhất định ng dụng công nghệ ứ

điều khiển PLC vào việc cải tiến hệ thống cấp phôi tự động cho máy đột dập MD160 phục vụ thiết thực cho sản xuất thực tế và trong công tác giảng dạy về chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy tại trờng ĐHCN-HN

Vì điều kiện nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài này không thể tránh khỏi thiếu sót

Rất mong đợc sự góp ý của thầy, cô và các bạn!

Em xin trân thành cảm ơn !

Nguyễn Tiến Sỹ

Phụ lục

Chơng1: Nghiên cứu lý thuyết cơ bản về máy công cụ

điều khiển theo chơng trình số

1

1.1:Tổng quan về máy công cụ cnc 1 1.1.1 Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ máy công cụ điều khiển

theo chơng trình số

1 1.1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC 3

1.1.3 Kết luận và yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với máy công cụ CNC

5 1.2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc 7 Sơ đồ hệ thống 7

1.2.1 Phân tích hệ điều khiển 7

1.2.1.1 Khối máy tính 8

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS232 13

1.2.1.3 Khối mạch logic và công suất 15

1.2.1.4 Khối cảm biến vi điều khiển 25

1.2.1.5 Khối MCU 43

1.3: Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC (loại CP-1250 hãng Taift, đài loan) 1.3.1 Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250 44

1.3.2 Tính năng điều khiển của máy đột dập CNC CP-1250 47

1.3.3 Phân tích cấu trúc điều khiển của máy đột dập CNC 50

1.3.3.1 Hệ thống dịch chuyển phôi 50

1.3.3.2 Hệ thống thay đổi chày cối đột 53

1.3.3.3 Hệ thống điều khiển ổ quay tự động 55

1.3.3.4 Hệ thống điều khiển trục chính 57

Chơng 2: phân tích tính toán yêu cầu kỹ thuật của hệ thống cấp phôi 61 2.1 Cơ sở của việc nghiên cứu thiết kế hệ thống cấp phôI 61

2.1.1 Khảo sát sản phẩm của nhà máy 61

2.1.2 Khảo sát kết cấu máy 61

2.1.3 Khảo sát hệ thống cấp phôI 61

2.2 Những u điểm khi thiết kế hệ thống cấp phôI sử dụng kỹ thuật PLC

62 2.3 Tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi 62

2.3.1 Hệ thống truyền động vít me đai ốc bi (ball screw) 63

2.3.2 Động cơ dẫn động 65

2.3.3 Hệ thống đo đờng dịch chuyển 66

2.3.4 Hệ thống dẫn động định hớng 68

2.3.5 Hệ thống kẹp chặt phôi 68

2.3.6 Tính toán thiết kế hệ thống bàn đỡ phôi 69

Chơng 3: Chơng trình điều khiển PLC 3.1 Lựa chọn hệ thống điều khiển và truyền động 73

3.2 Thông số của thiết bị trong hệ thống điều khiển 75

3.3 Chơng trình điều khiển 82

Kết luận chung

đắt tiền do đó không phải doanh nghiệp sản xuất cơ khí nào cũng có thể đầu t

đợc Các máy công cụ truyền thống thì lại không đáp ứng nhu cầu sản xuất thực tế đặt ra

ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống điều khiển NC, CNC, PLC cho phép cải tiến, nâng cấp các máy công cụ mở ra bớc phát triển mới cho ngành gia công cơ khí.Giả quyết bài toán tối u cho các doanh nghiệp theo hớng tự động hoá quá trình sản xuất

Do đó việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển PLC trong việc cải tiến hệ thống cấp phôi cho máy đột dập truyền thống là một yêu cầu thiết thực và cần thiết đối với điều kiện sản xuất ở Việt Nam hiện nay

ii mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là ứng dụng kỹ thuật điều khiển PLC để cải tiến hệ thống cấp phôi cho máy đột dập MD160 Thiết kế mới hệ thống truyền động cơ khí, bàn đỡ phôi và hệ thống đo lờng dịch chuyển

iii đối tợng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tợng nghiên cứu: Nghiên cứu sản phẩm, kết cấu của máy và đa

ra giải pháp cải tiến hữu hiệu nhất

- Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện thời gian nên luận văn chỉ dừng lại

ở nghiên cứu và chuẩn bị hồ sơ kỹ thuật làm cơ sở cho quá trình áp dụng thực

tế về sau

iv ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

ý nghĩa khoa học

Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn

đã đa ra đợc mối quan hệ cơ bản giữa hệ thống điều khiển PLC S7 200 ăn khớp với các môdul truyền động cơ khí làm cơ sở để cải tiến hệ thống cấp phôi một cách hợp lý

-ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn nh sau:

- Giúp cho việc lựa chọn hệ thống điều khiển phù hợp với mục

tiêu sản xuất đặt ra

- Cung cấp giải pháp truyền động, đo lờng và hệ thống bàn đỡ

phôi hiệu quả nhất

- Làm cơ sở cho việc nghiên cứu ứng dụng các khía cạnh khác

tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất

- Giảm đợc chi phí đầu t cho doanh nghiệp mà vẫn đảm bảo

đợc năng suất và chất lợng sản phẩm

Chơng 1:

Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về máy công

cụ điều khiển theo chơng trình số

• NC (Numerical Control)

Điều khiển máy công cụ theo chơng trình số, thông tin đợc ghi lại trong chơng trình điều khiển bằng ký tự là con số, chữ cái hay các ký tự đặc trng khác Vật mang tin đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số, nó chứa đựng những thông tin hình học và công nghệ của quá trình gia công ở dạng mã hoá Vật mang tin truyền thông tin điều khiển của chơng trình làm việc, bởi vậy cần có mật độ thông tin lớn đảm bảo mang đợc lợng thông tin cực đại mà tốn ít năng lợng nhất

Đầu tiên máy NC dùng băng đục lỗ có dung lợng15 bit/cm2 Với dung lợng này lợng thông tin cha đáp ứng đợc, ngoài ra còn có một số điểm yếu nh độ bền kém, dễ h hỏng, hạn chế về độ tin cậy, khi cần sửa chữa hay thay đổi phải làm lại từ đầu rất tốn thời gian Khắc phục những hạn chế trên vật mang tin đợc thay thế bằng băng từ với dung lợng1250 bit/cm2 Băng từ

có dung lợng khá lớn nhng lại dễ nhiễm bẩn và dễ bị xoá Nhìn chung hệ thống điều khiển các khối chức năng vẫn dùng các mạch logic nối cứng trong từng block Chúng phải liên hệ trực tiếp với các kết cấu điều khiển tơng tự nh van từ, role, công tắc ngắt Phần điều khiển còn tách rời với xử lý do đó

kích thớc máy cồng kềnh, độ tin cậy thấp do còn ảnh hởng của môi trờng (nhiệt độ, độ ẩm, rung động cơ học ) Dần dần hệ thống điều khiển NC đợc thay thế bằng hệ thống điều khiển CNC

• CNC (Computerize Numerical Control)

Hệ thống điều khiển số với sự cài đặt nội tại cụm vi xử lý ( p) trực tiếp àvận hành xử lý số và điều khiển Với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin và máy tính, hệ thống máy CNC ra đời trên cơ sở máy NC Sự tiến bộ của CNC là có sự can thiệp trực tiếp của cụm vi xử lý mà không dùng liên hệ logic ghép cứng nh NC Các chức năng điều khiển và quá trình xử lý tính toán

đợc các cụm vi tính toán đảm nhiệm từng phần hoặc toàn bộ Một chơng trình hệ thống CNC đợc cài đặt sẵn trong máy tính, thông qua các phần mềm

hệ thống nh chơng trình giải mã hệ điều hành Chơng trình mà các chức năng CNC riêng lẻ sẽ đợc thực hiện Vật mang tin trong thế hệ máy CNC có thể là đĩa từ, đĩa compact hay sử dụng các bộ nhớ của máy vi tính ngoại vi

• DNC (Direct Numerical Conrtol)

Hệ thống điều khiển số phân phối từ một máy tính duy trì dữ liệu các chơng trình NC và phân phối chúng tới từng máy công cụ riêng lẻ trong nhóm máy CNC để đáp ứng nhu cầu của các đơn vị điều khiển máy thoong qua một mạng liên kết giao tiếp cục bộ Hệ thống điều khiển DNC là một máy tính điều khiển lu trữ và lập các chơng trình hoạt động, nó nh th viện chơng trình cung cấp thông tin cho nhiều máy CNC riêng biệt Hệ thống này

có u điểm là truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát huy tốt khả năng của máy công cụ điều khiển số Nhợc điểm là toàn bộ hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào tình trạng làm việc của trung tâm điều khiển Mọi trục trặc của máy tính chủ đềukéo theo sự ngng trệ của cả hệ thống

• FMS (Flexible Manufacturing System)

Hệ thống gia công linh hoạt, có khả nâng gia công cá chi tiết khác nhau trong một họ chi tiết với số lợng và thứ tựgc tuỳ ý, dù trong điều khiển gia

công nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế Mọi hệ thống gia công linh hoạt gồm có một hoặc nhiều trung tâm gia công CNC, các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ, máy tính của hệ điều khiển trung tâm là thiết bị chỉ huy Đối với hệ thống gia công linh hoạt làm việc tự động không cần ngời vận hành cần phải thêm các thiết bị theo dõi và đo lờng tự động trên máy

Trong phạm vi đề án dới đây chỉ xin trình bàynhững vấn đề đi sâu nghiên cứu về máy công cụ CNC Hệ máy bây giờ có màn hình hiển thị có độ phân giải cao, có khả năng mô phỏng và đồ hoạ động (Graphic) cho phép ngời dùng máy quan sátvà thay đổi chơng trình dễ hơn Điều đó làm thay

đổi lớn tới kết cấu của máy công cụ, những thiết bị cồng kềnh đợc thay thế bởi những mạch vi điện tử có kích thớc nhỏ gọn và công năng tác dụng lớn gắn liền trong cấu trúc của máy

1.2 Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC

Điều khiển theo chơng trình số là phơng pháp tự động điều hành máy công cụ thông qua các dữ liệu ở dạng mã “Chữ cái + con số và các ký tự đặc trng” Đó là con đờng can thiệp sâu và trực tiếp của các quá trình xử lý thông tin trong hoạt động sản xuất trên cơ sở ứng dụng tin học Đây là phơng pháp tự động hoá các chức năng của máy với tính linh hoạt cao thể hiện ở sự thích ứng dễ dàng với các việc gia công khác nhau

Từ bản vẽ chế tạo chi tiết và những số liệu kỹ thuật, số liệu công nghệ yêu cầu, chơng trình gia công đợc thiết lập gồm từng bớc chơng trình kế tiếp nhau Chơng trình đợc số hoá và ghi vào vật mang tin bởi một “Cốt mã” tơng thích, quá trình trên đợc gọi là xử lý số ngoài máy tiếp theo là quá trình số bên trong Các dữ liệu ghi trên vật mang tin đợc bộ đọc tiếp nhận phân phối các hệ lệnh (tạo hình và công nghệ) đến các bộ xử lý tơng ứng sau quá trình nội suy thông tin đợc chuyển đổi sang tín hiệu tơng tự, đóng vai trò là giá trị cần của vị trí bàn máy (trong hệ lệnh về hớng chuyển dịch)

Kết quả so sánh giá trị “Cần- Thực” đa ra lợng sai khác ∆cC và trở

thành tín hiệu điều khiển cung cấp cho hệ thống truyền động, quá trình cứ tiếp

diễn cho đến khi chênh lệch gặp giá trị “Cần Thực” bằng 0, lúc đó vị trí các -

cơ cấu chấp hành của máy đạt đợc giá trị mong muốn Tín hiệu điều khiển

không còn nữa, hệ truyền động ngừng lại

Hình1.1 : Sơ đồ xử lý thông tin trong máy công cụ điều khiển số

Bản vẽ Lập trình

Quá trình trên thực hiện theo nguyên tắc đờng tác dụng kín (thể hiện trên hình 1.2.a) Hệ điều khiển số còn điều khiển theo nguyên tắc đờng tác dụng hở, trong đó nguồn truyền động chủ yếu dùng động cơ bớc ở đây thông tin đợc chuyển thẳng đến hệ tuyền động thông qua cụm điều khiển, đóng vai trò là giá trị cần khi kết thúc chuyển động đợc ngay kết quả không cần so sánh với giá trị thực Đối với hệ lệnh đóng ngắt quá trình cũng diễn ra tơng

tự, chúng đợc ghi nhớ và truyền đạt đến các khâu điều chỉnh với chu kỳ làm việc thích hợp

1.3 Kết luận và yêu cầu cơ bản đối với máy công cụ CNC.

Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số là bớc phát triển lớn trong lĩnh vực tự động hoá ngành chế tạo máy, nó tạo ra những khă nâng đặc biệt và có những u điểm vợt trội so với máy công cụ vạn năng thông thờng Máy cho phép cắt với tốc độ lớn, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động nên năng suất rất cao Tính linh hoạtcủa máy thể hiện rõ trên cơ sở việc thay đồic đơn giản và có thể thực hiện ở máy Máy gia công với độ chính xác cao do nguyên tắc điều khiển theo chơng trình số đảm bảo

độ chính xác lặp lại, đặc biệt máy có khả năng khai thác tối đa các chế độ cắt tối u cũng nh các ứng dụng tiên tiến của kỹ thuật kiểm tra tích cực

Với những trung tâm gia công CNC tính tập trung nguyên công rất cao,

có thể gia công một số lợng lớn các bề mặt chi tiết mà không phải thay đổi vị trí hoặc gá đặt

Để đảm bảo phát huy các u eđiểm trên, máy công cụ CNC phải có độ cứng vững cao và độ tin cậy cao, truyền đợc mô men cắt và các vị trí số điều khiển tới cơ cấu công tác một cách nhanh chóng chính xác vơí năng lợng tiêu hao ít nhất Do vậy kết cấu của máy phải có những yêu cầu sau:

• Hệ thống truyền động chạy dao phải có những khe hở nhỏ nhất tới mức

có thể Muốn vậy xích chạy dao phải càng ngắn càng tốt Dùng những cơ cấu

truyền động có hiệu suất cao và không có khe hở nh vít ve đai ốc, cơ cấu tự

động khử khe hở trong bộ truyền

• Hệ truyền động phải có gia tốc lớn, tác động nhanh, có phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, truyền đợc tải trộng lớn và giảm mô men quán tính chi tiết chuyển động

* Thu thập dữ liệu gia công từ ngời vận hành

* Lu trữ, xử lí dữ liệu và nội suy

* Truyền dữ liệu ra giao tiếp nối tiếp RS 232

* Mô phỏng chuyển động của bàn máy và đầu búa

* Thu dữ liệu phản hồi từ MCU truyền qua giao tiếp RS 232 để kiểm tra

1.2.1.2 Khối giao tiếp RS 232:

Nhiệm vụ: Khối giao tiếp dùng để truyền dữ liệu Chuyển đổi mức logic của máy tính thành mức logic của MCU

Đóng mở van thủy lực(đầu búa)

Mức logic 1 Mức logic 0 Máy tính -5V - -> 15V 5V -> 15V

1.2.1.3 Khối MCU:

MCU : Micro Controller Unit Khối điều khiển chính

Nhiệm vụ:

* Thu thập dữ liệu gia công đã đợc tính toán truyền ra đợc máy tính

* Tùy theo dữ liệu gia công MCU điều khiển khối mạch logic và mạch công suất thực thi đúng theo dữ liệu gia công

* Đọc dữ liệu số từ sensor trong quá trình gia công thì đọc dữ liệu từ các sensor để biết vị trí của bàn máy của đầu búa và từ đó điều khiển đầu búa, bàn máy chạy, nhả hay phanh

*Truyền dữ liệu phản hồi về máy tính để kiểm tra, xử lí để phối hợp nhịp nhàng các chuyển động của máy

1.2.1.4Khối mạch logic và mạch công suất:

Nhiệm vụ:

* Chịu điều khiển của khối MCU

* Điều khiển 2 động cơ bớc quay số bớc góc xác định

hệ nhúng hay ngay cả trong điều khiển nó cũng tỏ ra có thế mạnh

- 19 -

1.2.2.2 Ưu điểm của VB :

- Có thể tạo đợc giao diện window một cách đơn giản, nhanh chóng

- Đặc biệt là cấu trúc câu lệnh của VB rất gần với ngôn ngữ con ngời nên khi lập trình các thuật toán đợc giảI quyết khá dễ dàng

Do ngôn ngữ này khá phổ biến,cấu trúc lệnh đơn giản, thủ thuật lập trình có thể tham khảo ở rất nhiều tàI liệu và giới hạn về thời gian của đề tàI cho nên xin không giới thiệu về Visual Basic mà xin đa ra các thuật toán của khối máy tính

1.2.2.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán:

- dX là khoảng cách theo trục X giữa các điểm cần gia công trên đờng thẳng dX đợc nhập vào từ giao diện

- α là góc giữa đờng thẳng chứa các điểm cần gia công với trục X đợc - nhập t giao diện

- Data(n) là một mảng để lu chiều , byte cao, byte thấp của số xung cần cho động cơ bớc trục x và trục y chạy.Gia công 1 điểm cần 6 phần tử của Data(n) để lu trữ Data(n) … Data(n+5)

- Các biến DeltaX và DeltaY lu giá trị là khoảng cách giữa các điểm cần gia công theo phơng X và Y

- Do động cơ bớc mỗi bớc là 0,90 nên quay 1 vòng 360 độ mất 400 bớc

- T là bớc vit (mm) với đờng kính vít me là 12 mm theo tiêu chuẩn T=4

mm

- Một số nguyên Integer đợc lu trữ bằng 16 byte Dữ liệu truyền chỉ đợc

8 byte một lần.Số xung đợc lu trong Data(n) phảI đợc chia đôI ra làm byte thấp và byte cao để truyền xang MCU sau đó MCU lại tính lại.Lấy byte cao bằng cách chia Data(n) cho 256 = 28 (1 byte= 8 bit) lấy phần nguyên bỏ phần d Lấy byte thấp bằng cách Lấy số xung trừ đI byte cao x 255 để ra số d còn lại

1.2.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính:

Néi suy ®iÓm:

§Õm=1DeltaX=X®iÓmkÕ –Xbµnm¸y DeltaY=Y®iÓmkÕ –Ybµnm¸y

§óng Sai

§óng Sai

§óng

LÊy chiÒu DeltaX >0

LÊy byte cao Data(n+1) =| DeltaX|*400\(T*256)

LÊy byte thÊp Data(n+2)= Int(| DeltaX|*400 /(T) –Data(n+1)*28)

TruyÒn Data(0) Data(n) ra COM1

Néi suy ®iÓm

®iÓm ®Çu tiªn

§óng Sai

T¨ng x=x+1

DeltaX= dX DeltaY= dY

ChiÒuY : Data(x+3) = 0 Byte cao: Data(x+4) =0 Byte thÊp: Data(x+5) =0

ChiÒuX: Data(x)=x%2Byte cao: Data(x+1) = (DeltaX*400)\(T*28) Byte thÊp:Data(x+2) = (DeltaX*400)\(T)-Data(x+1)*28

Data(6*y +1) = 0 Data(6*y +2) = 0 Data(6*y +3) = 0 Data(6*y +4) = 1 Data(6*y +1) = (DeltaY*400)\(T*28) Data(6*y +1) =(DeltaY*400)\(T)-Data(x+1)*28

y = sè

®iÓm däc

x = sè

®iÓm ngang

TruyÒn ra cæng COM

- - 23

1.2.3 Khối giao tiếp với máy tính:

* Việc giao tiếp giữa máy tính và MCU có thể dùng nhiều phơng pháp Nh dùng cổng song song, giao tiếp USB, cổng nối tiếp

* Dùng cổng song song thì 8 bit truyền 1 lúc nhng chỉ dùng với khoảng cách ngắn do dễ bị nhiễu hơn nữa cáp truyền phảI dùng nhiều dây Trong khi truyền bằng cổng nối tiếp thì không bị nhiễu, khoảng cách truyền xa, cáp nhỏ gọn

* Đối với giao tiếp qua cổng nối tiếp( cổng COM) thì giao diện RS232

là phổ biến và thờng dùng cổng COM 1.Giao tiếp bằng cổng nối tiếp thì dữ liệu đợc truyền từng bit nối tiếp nhau trên một đờng truyền dẫn.Dữ liệu đợc truyền dới dạng mã ASCII

1.2.3.2 Giới thiệu về cổng COM:

Các chân của cổng COM nh sau:

RI

Lối vào Lối vào Lối ra Lối ra Nối MASS Lối vào Lối ra Lối vào Lối vào

Data Carrier Detect Receive Data Transmit Data Data Terminal Ready Nối đất (0V)

Data Set Ready Request to Send Clear to Send Ring Indicator

Việc truyền và nhận dữ liệu thông qua hai chân TxD và RxD Các chân còn lại của cổng COM không phảI ứng dụng nào cũng dùng đến.Tín hiệu số từ cổng COM ở mức +12 V và 12V không tơng thích với điện áp TTL(0V và -5V) cho các IC ở các mạch điện tử do đó phảI dùng IC MAX 232 của hãng

MAXIM để chuyển đổi.Giao diện nối tiếp này có thể đạt đợc khoảng cách 20m.

R1IN

R2IN

T1IN T2IN

Hình1.6 : Sơ đồchân IC max232 1.2.3.4 Sơ đồ mạch thực tế đợc thiết kế nh sau:

U1

MAX232

13 8 11

7

R1IN R2IN T1IN

Khoi giao tiep Serial RS232

C6 104

- 25 -

1.2.4 KhốI ĐộNG CƠ & MạCH CÔNG SUấT

Trong các hệ điều khiển thực tế thờng dùng hai loại động cơ bớc và

động cơ Servo Máy đột dập CNC CP1250 của hãng TAIFT ĐàI Loan sử dụng động cơ Servo, do tính chất và mạch điều khiển đắt tiền và hạn chế tính thực tế của đề tàI cho nên khi thiết kế hệ điều khiển ta dùng động cơ bớc.Hơn nữa, động cơ bớc có rất nhiều u điểm: động cơ bớc điều khiển

đơn giản, có thể đợc dùng trong hệ thống điều khiển vòng hở Khi không bị quá tải, động cơ bớc đảm bảo điều khiển chính xác vị trí

1.2.4.1 Giới thiệu về động cơ bớc

Động cơ bớc thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dới dạng các xung kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay các và có khả năng cố định roto vào những vị trí cần thiết.Động cơ bớc làm việc đợc là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tơng ứng với số lần chuyển mạch, cũng nh chiều quay và tốc độ quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung

điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bớc thì roto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bớc quay của

động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay liên tục

Ngời ta thờng chế tạo các động cơ bớc có các góc bớc trong khoảng 0,45 o ữ15 o tùy theo mục đích sử dụng Trong đó thông dụng nhất là loại

động cơ bớc có góc bớc 1,8 o(ứng với 200 bớc trong một vòng quay 360 o )

1.2.4.2 Lợi ích của việc dùng động cơ bớc:

* Không có chổi than:không gây ra hiện tợng đánh lửa ở chổi than nên không gây nhiễu do tải và an toàn trong các môi trờng nhạy cảm

* Có mô men giữ: động cơ bớc có thể có mô men giữ vị trí của tảI khá lớn do sự hãm lại của từ trờng rotor

* Dùng trong hệ điều khiển hở: đây là lợi thế nhất của động cơ bớc, không cần phản hồi vì ví trí của động cơ do ta điều khiển

* Độc lập với tải: trong vùng tảI mà động cơ bớc chịu đợc thì đặc tính của

động cơ không phụ thuộc vào tảI, tốc độ quay, số bớc  vị trí không bị ảnh hởng Trong trờng hợp quá tảI thì động cơ bị trợt

1.2.4.3 Cấu tạo và phân loại động cơ bớc

Phân loại động cơ bớc:

• Động cơ bớc với rotor là nam châm vĩnh cửu

• Động cơ bớc kiểu từ trở

• Động cơ bớc hỗn hợp của hai loại trên

Cấu tạo của các loại động cơ bớc:

• Loại có rotor là nam châm vĩnh cửu

Động cơ này có góc bớc thay đổi từ 0,90

ữ 450 trong chế độ điều khiển bớc đủ, tốc độ vua phai nhng có momen khá lớn, mômen hãm từ 0,5 ữ 25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làm việc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

Hình1.8 : Cấu tạo lõi động cơ bớc

Động cơ đơn cực: cấu tạo có 6 đầu ra nh hình vẽ.Các đầu 1 và 2 đợc nối

với + nguồn, các đầu còn lại là các pha điều khiển tùy nó âm hay dơng thì

động cơ sẽ quay tơng ứng

- 27 -

Tín hiệu điều khiển nh sau:

Điều khiển đủ bớc: Điều khiển 1 pha

Động cơ lỡng cực: có 4 đầu ra , ít đầu ra nhng điều khiển hơI phức tạp do

phảI đảo chiều dòng điện qua các cuộn dây liên tục Kiểu động cơ này có góc nằm trong giới hạn từ 1,8 0

ữ 30 0 trong chế độ điều khiển bớc đủ, mômen hãm từ 1 ữ 50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 Khz

Tín hiệu điều khiển:

Có 3 cuộn dây đợc đấu chung một đầu lên + nguồn Ba đầu còn lại là 3 pha

điều khiển để quay rotor Stator có 6 cực mỗi cuộn dây đợc quấn trên 2 cực của Stator đối diện nhau.Khi cho cực 1 thông đất rotor sẽ quay để thẳng góc với cực 1 của Stator nh hình vẽ Cắt điện cuộn 1, cho cuộn 2 thông đất rotor

sẽ quay tiếp răng sau (Y) thẳng với cực hai Nh vậy là rotor sẽ quay tùy thuộc vào các pha điều khiển

Tín hiệu điều khiển nh sau :

Vector điều khiển 1 1001001001001001001001001

Vector điều khiển 2 0100100100100100100100100

Vector điểu khiển 3 0010010010010010010010010

• Động cơ bớc kiểu hỗn hợp

* Có góc bớc thay đổi trong khoảng 0,450 ữ50 trong chế độ bớc đủ, mômen hãm từ 3 ữ 1000 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 40 khz Trong các loại động cơ bớc kể trên thì động cơ bớc hổn hợp đợc sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này kết hợp các u điểm của hai loại động cơ trên Động cơ hổn hợp có tần số bớc và độ phân giải cao, có mômen quay và mômen hãm lớn Trong thực tế ngời ta chế tạo động cơ bớc từ trở thay đổi có nhiều

tầng, kết cấu của loại này nh hình vẽ

* Phần Stato đợc cấu tạo hoàn toàn giống Stator của động cơ bớc có từ trở thay đổi Trên các cực của Stato đợc đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha

đợc quấn thành 4 cuộn dây hoặc đợc quấn thành 2 cuộn dây đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng đợc đặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

1.2.4.4 Mạch điều khiển động cơ bớc

Mạch điều khiển động cơ bớc bao gồm một số chức năng sau đây:

*Tạo các xung với những tần số khác nhau

- 29 -

*Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ

Đầu vào của mạch này là các xung Thành phần của mạch là các bán dẫn,

vi mạch Kích thích các phần của động cơ bớc theo thứ tự 1-2- -3 4 do các transistor công suất T1 đến T4 thực hiện.Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngợc lại

Hình1.9 : Mạch điều khiển động cơ bớc

Sơ đồ nguyên lí điều khiển - động cơ bớc kiểu từ trở

Điện áp đợc cấp qua các khoá điện tử chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trờng làm quay rotor Các khoá điện tử ở đây có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển đợc nh rơle, transitor,thiristor miến là thiết bị đó đáp ứng đợc mức điện áp, dòng và tần số yêu cầu Tín hiệu điều khiển đợc đa

ra từ vi điều khiển

Hình1.10 : Sơ đồ nguyên lí điều khiển động cơ bớc

Thiết kế hệ điều khiển dùng động cơ bớc đơn cực sau:

- - 31

Đặc tính của động cơ:

Hình1.13 : Đờng đặc tính động cơ bớc

*Mạch nguyên lý điều khiển một cực của động cơ

Ta có thể dùng các Tranzitor trờng ( MOSFET :Metal Ocid Semiconductor Field Efect Transitor ) làm khóa

Một số loại FET thông dụng :

IRF9540 tranzitor trờng có thể chịu dòng đến 20A và tự ngắt ở 100V IRF9640 tranzitor trờng có thể chịu dòng đến 18A và tự ngắt ở 200V IRF9520 tranzitor trờng có thể chịu dòng đến 30A và tự ngắt ở 200V MOSTFET để điều khiển cụ thể là dùng loại IRF9540 đây là transitor trờng

có thể chịu đợc dòng 20 A nên rất thích hợp cho điều khiển động cơ bớc có công suất lớn

Sơ đồ chân của IRF9540: 3 chân

G:Gate đây là cổng dùng để điều khiển đóng mở của IRF9540

D:Drain đây là cực máng của IRF9540 dùng để nối tới MCU để điều khiển

S:Soure tức là cực nguồn đợc nối tới mass

Mạch công suất đợc thiết kế nhằm khuếch đại công suất điều khiển Từ tín hiệu điều khiển có dòng thấp cỡ mA , áp 5V lên áp 24V với dòng vài A

Khóa công suất sử dụng Transitor hiệu ứng trờng IRF 9540 với điện trở kế giữa chân 1 và chân 3 là 10k, trở mở cũng là 10k IRF đợc mở bằng

điện áp, khi có điện áp vào cực GATE là IRF mở, dòng vào cực GATE phảI nhỏ (mA)

Hình1.14: Transitor

Vì khác biệt mức điện điều khiển và công suất nên ta sử dụng cách ly quang

để cách ly hai phần với nhau Cách ly quang sử dụng loại Opto P521

động cơ bớc dùng dòng khoảng từ 0,5 đến 20A thì vi điều khiển không thể

điều khiển trực tiếp mà nó phải điều khiển gián tiếp qua cách ly quang(nh hinh vẽ).Nó cách ly hai nguồn hoàn toàn đó là nguồn bên vi điều khiển và nguồn bên cung cấp cho động cơ vì vậy mà vi điều khiển vẫn hoạt động bình thờng mà không bị ảnh hởng của nguồn cấp cho động cơ

- - 33

M¹CH C¤NG SUÊT CHO §éNG C¥ B¦íC TRôc X

Opto2

R9 10K

24V

Opto3

ISO1 P521

FET4 FET4

ISO1 P521

FET3 5V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1 P521

1b

1a

2b 2a

Hình1.15:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bớc trục X

MạCH CÔNG SUấT CHO ĐộNG CƠ BƯớC TRục Y

Hình1.16:Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bớc trục Y

Opto2

R9 10K

24V

Opto4

R10 10K

FET4 FET4

ISO1

1

2 4

ISO1

1

2 4

FET3 5V

Opto3

Wire3

R9 10K

ISO1

1

2 4

3

5V

MG1 MOTOR STEPPER

1b 1a

2b 2a

2 1

- - 35

* Để cho động cơ bớc quay ta cần cho các đầu dây Wirex (x=1,2,3,4) lần lợt thông đất.Các đầu này đợc điều khiển thông đất hoặc không bằng IRF9540 Khi có điện áp vào cực GATE của IRFx(FETx trên sơ đồ) thì IRF thông nên các đầu Wirex thông đất IRFx lại đợc điều khiển bởi Optox Các tín hiệu điều khiển từ các chân của AT89C52 mặc định khi bật nguồn ở mức logic 1(5V) các chân Optox Cho nên khối led phát của Opto do không có chênh áp lên không có dòng led không phát sáng, cực bazơ của photo trasitor không đợc ánh sáng chiếu sáng nên photor transitor đóng Dòng qua cực GATE bằng 0 nên áp cực GATE là 0V , IRFx đóng, Wirex không nối đất , không có dòng qua cuộn dây, động cơ không quay Khi điều khiển các tín hiệu từ MCU cho chân Optox xuống mức logic 0(0V) Khối led phát của Optox có chênh áp(5V 0V), có dòng chạy qua, led phát sáng, cực bazơ của -photot transitor đợc chiếu sáng , photor transitor thông Điện áp cực GATE của IRFx là 12V do có hai điện trở 10K tạo thành mạch chia áp IRFx thông

đất, Wirex thông đất, có dòng qua cuộn dây động cơ, động cơ quay Tùy vào việc quay bao nhiêu bớc động cơ thì ta sẽ thay đổi các tín hiệu điều khiển từ MCU tuần tự

1.2.5.KhốI Vi Điều Khiển:

1.2.5.1 Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của hãng ATMEL:

* Tiêu chuẩn trong lựa chọn một bộ vi điều khiển là khả năng sẵn sàng đáp ứng về số lợng trong hiện tại và tơng lai Đối với một số nhà thiết kế điều này là quan trong hơn cả Hiện nay, các bộ vi điều khiển 8 bit đứng đầu là họ

8051 có số lơng lớn nhất các nhà cung cấp đa dạng (nhiều nguồn) Nhà cung cấp có nghĩa là nhà sản xuất bên cạnh nhà sáng chế của bộ vi điều khiển

Trong trờng hợp 8051 thì nhà sáng chế của nó là Intel, nhng hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất nó (cũng nh trớc kia đã sản xuất)

Các hãng này bao gồm: Intel, Atmel, Philips/signe-tics, AMD, Siemens, Matra và Dallas, Semicndictior

Địa chỉ của một số hãng sản xuất các thành viên của họ 8051

www.dalsemi.com

* 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm Dữ liệu lớn hơn 8 bit đợc chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý 8051 có tất cả 4 cổng vào ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit Các - nhà sản xuất đã cho xuất xởng chỉ với 4K byte ROM trên chíp

* ROM(Read Only Memory) để chứa chơng trình,ROM Flash nên có thể ghi

đI ghi lại nhiều lần đợc, nạp ROM bằng mạch nạp chuyên dụng

*RAM(Random Access Memory) bộ nhớ để chứa dữ liệu

Các đặc tính đầu tiên của 8051

định thời nữa Hay nói cách khác là 8052 có 256 byte RAM và 3 bộ định thời

Nó có 8K byte ROM Trên chíp thay vì 4K byte nh 8051

So sánh các đặc tính của các thành viên họ 8051

ROM trên chíp 4K byte 8K byte

9 12 13 14 15

1 2 3 4 5 6 7 8

39 38 37 36 35 34 33 32

21 22 23 24 25 26 27 28

17 16

29 30

RESET P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1

P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7

P0.0 P0.1 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7

P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7

P3.7/RD P3.6/WR

PSEN ALE/P P3.1/TXD

P3.0/RXD

VCC

VSS

Hình1.17: Cấu trúc vi điều khiển họ 8051

* Là vi mạch TTL có 40 chân, mỗi chân có một kí hiệu tên và có các chức năng nh sau:

- Chân 40: nối với nguồn nuôI +5V

- Chân 20: nối với đất

- Chân 29 (PSEN)(program store enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép chọn bộ nhớ ngoài và đợc nối chung với chân của OE (Outout Enable) của EPROM ngoài để cho phép đọc các byte của chơng trình Các xung tín hiệu PSEN hạ thấp trong suốt thời gian thi hành lệnh Những mã nhị phân của chơng trình đợc đọc từ EPROM đi qua bus dữ liệu

và đợc chốt vào thanh ghi lệnh của 8051 bởi mã lệnh.(chú ý việc đọc ở đây

là đọc các lệnh (khác với đọc dữ liệu), khi đó VXL chỉ đọc các bit opcode của lệnh và đa chúng vào hàng đợi lệnh thông qua các Bus địa chỉ và dữ liệu

- Chân 30 (ALE : Adress Latch Enable) là tín hiệu điều khiển xuất ra của 8051, nó cho phép phân kênh bus địa chỉ và bus dữ liệu của Port 0 )//Chân này chỉ quan tâm khi sử dụng ROM và RAM ngoài

- Chân 31 (EA : Eternal Acess) đợc đa xuống thấp cho phép chọn

bộ nhớ mã ngoàI đối với 8051

Đối với 8051 thì : EA = 5V Chọn ROM nội (Chúng ta làm thế này).EA = 0V : Chọn ROM ngoại

- 32 còn lại có chức năng vào ra chia làm 4 cổng:

P0 từ chân 39  32 tơng ứng là các chân P0_0 P0_7 

P1 từ chân 1  8 tơng ứng là các chân P1_0 P1_7

P2 từ chân 21 28 tơng ứng là các chân P2_0 P2_7

P3 từ chân 10  17 tơng ứng là các chân P3_0 P3_7