Thiết kế, chế tạo mô hình bàn máy 3 trục sử dụng ethercat

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, CHẾ TẠO MƠ HÌNH BÀN MÁY TRỤC SỬ DỤNG ETHERCAT GVHD: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG SVTH: LÊ NGUYỄN TRUNG BÙI MINH TÚ PHẠM NGUYỄN DUY TIẾN S K L 1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO - BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH BÀN MÁY TRỤC SỬ DỤNG ETHERCAT Sinh viên thực hiện: LÊ NGUYỄN TRUNG MSSV: 19146024 BÙI MINH TÚ MSSV: 19146295 PHẠM NGUYỄN DUY TIẾN MSSV: 19146017 Lớp: 19146CL5A Khóa: 2019 – 2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ / năm học 2022-2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS Võ Lâm Chương Sinh viên thực hiện: Lê Nguyễn Trung MSSV: 19146024 Điện thoại: 0989804092 Sinh viên thực hiện: Bùi Minh Tú MSSV: 19146295 Điện thoại: 0372968627 Sinh viên thực hiện: Phạm Nguyễn Duy Tiến MSSV: 19146017 Điện thoại: 0393615188 Đề tài tốt nghiệp: - Mã số đề tài: 22223DT184 - Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo mơ hình bàn máy trục sử dụng EtherCAT Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Mơ hình bàn máy trục Nội dung đồ án: - Hồn thiện mơ hình khí, bàn máy trục - Thiết kế hệ thống điều khiển sử dụng truyền thông EtherCAT - Viết giải thuật nội suy điều khiển chuyển động Các sản phẩm dự kiến - Mô hình bàn máy hồn thiện, tủ điện, vẽ Ngày giao đồ án: 15/03/2023 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023 Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Anh   Tiếng Việt Tiếng Việt   TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ …………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) -i- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao LỜI CAM KẾT Tên đề tài: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÀN MÁY TRỤC SỬ DỤNG ETHERCAT Giảng viên hướng dẫn: ThS VÕ LÂM CHƯƠNG Họ tên sinh viên: LÊ NGUYỄN TRUNG MSSV: 19146024 BÙI MINH TÚ MSSV: 19146295 PHẠM NGUYỄN DUY TIẾN MSSV: 19146017 Lớp: 19146CL5A Địa sinh viên: Thủ Đức Số điện thoại liên lạc: 0989804092 Email: 19146024@student.hcmute.edu.vn Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/07/2023 Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.” Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Ký tên - ii - năm 2023 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao LỜI CẢM ƠN Để hồn thành đồ án tốt nghiệp, nhóm nhận trợ giúp tận tình từ người thân, thầy bạn bè Vì nhóm vô biết ơn trân trọng giúp đỡ người thời gian qua Nhóm xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến ThS Võ Lâm Chương, giảng viên hướng dẫn nhóm, người tận tình hướng dẫn giúp đỡ nhóm mặt ý tưởng, kiến thức, sở vật chất theo dõi tiến trình đồ án, đóng góp ý kiến quan trọng để giúp nhóm hồn thành đồ án cách tốt Nhóm xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Cơ điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM truyền đạt kiến thức quý báu suốt năm học để nhóm có đủ tảng khả để thực đề tài Cuối cùng, nhóm xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, anh chị trước ủng hộ, giúp đỡ mặt tinh thần kinh nghiệm suốt trình thực đồ án Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Lê Nguyễn Trung Bùi Minh Tú Phạm Nguyễn Duy Tiến - iii - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MƠ HÌNH BÀN MÁY TRỤC SỬ DỤNG ETHERCAT Các máy công cụ điều khiển số CNC sử dụng rộng rãi nhiều năm qua, để đạt độ xác cao vấn đề người sử dụng Để tổng kết kiến thức học, làm quen với việc thiết kế góp phần nghiên cứu giải vấn đề trên, nhóm chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo mơ hình bàn máy trục sử dụng EtherCAT” nhằm mục đích điều khiển động thông qua giao thức truyền thông EtherCAT để mang lại độ xác cao áp dụng vào mơi trường giảng dạy Trong đồ án này, nhóm ứng dụng giao thức truyền thông EtherCAT, cụ thể dùng module Beckhoff để điều khiển động phần mềm TwinCAT Nhóm nghiên cứu ứng dụng giải thuật nội suy DDA đường cong Bézier để điều khiển chuyển động trục Về phần khí, nhóm tính tốn sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế, sau gia cơng lắp ráp Bên cạnh đó, nhóm xây dựng giao diện cho dễ sử dụng Mô hình tiến hành chạy thực nghiệm để kiểm tra khả hoạt động máy đánh giá sai số Bước đầu việc ứng dụng EtherCAT qua việc sử dụng module Beckhoff EK1100 cho phép điều khiển máy hoạt động theo mục tiêu đề Tuy nhiên cần phải nâng cấp hệ thống truyền động khí để đạt độ xác cao ABSTRACT DESIGN AND DEVELOP A 3-AXIS CNC MACHINE USING ETHERCAT PROTOCOL CNC numerical control machine tools have been widely used for many years, but achieving high accuracy is still a problem for users To summarize the knowledge learned, familiarize themselves with the design and contribute to the research to solve the above problem, our group chose the topic “DESIGN AND DEVELOP A 3-AXIS CNC MACHINE USING ETHERCAT PROTOCOL” for the purpose of controlling the motors through the EtherCAT communication protocol to bring high accuracy and apply it to the teaching environment In this project, we have applied the EtherCAT communication protocol, specifically using Beckhoff modules to control the stepper motors using TwinCAT software We have researched and applied the DDA (Digital Differential Analyzer) interpolation algorithm and Bézier curve to control the motion of the axis In mechanical design, we have calculated and used SolidWorks software to design machining parts and assemble them Besides, we have built user interfaces easily to use The model has been operated in an experiment to check the operability and evaluate the errors The initial success of the application of EtherCAT in using Beckhoff modules allows the model to operate as we expected However, it is necessary to upgrade the mechanical system so that the model can operate more accurately - iv - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CAM KẾT ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT ĐỒ ÁN iv MỤC LỤC v DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phạm vi nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Kết cấu ĐATN CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu máy CNC 2.1.1 Lịch sử đời trình phát triển 2.1.2 Phân loại máy CNC 2.1.3 Ưu điểm 2.1.4 Nhược điểm 2.2 Đặc tính máy 2.3 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.3.1 Các nghiên cứu nước 2.3.2 Các nghiên cứu nước 2.4 Các tồn giao thức truyền dẫn liệu CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Giao thức truyền thông EtherCAT -v- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao 3.1.1 Mạng truyền thông Ethernet 3.1.2 Giao thức truyền thông EtherCAT 3.1.3 Ưu điểm EtherCAT so với Ethernet 3.1.4 Các ứng dụng EtherCAT công nghiệp 13 3.1.5 Ứng dụng EtherCAT điều khiển chuyển động 16 3.2 Beckhoff EK1100 19 3.2.1 Sơ lược Beckhoff Automation 19 3.2.2 Bộ kết nối EtherCAT Beckhoff EK1100 19 3.2.3 Giao thức EtherCAT sử dụng ghép nối EK1100 20 3.3 Ngôn ngữ bậc cao ST – Structured Text 22 3.3.1 Ngôn ngữ lập trình PLC 22 3.3.2 Ngơn ngữ lập trình PLC ST – Structured Text 25 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ 27 4.1 Yêu cầu đề tài 27 4.2 Phương hướng giải pháp thực 27 4.2.1 Phương án 27 4.2.2 Phương án 28 4.2.3 Phương án 28 4.3 Lựa chọn phương án cho đề tài 29 4.4 Lựa chọn cấu truyền động 29 4.4.1 Dùng vít me đai ốc 29 4.4.2 Dùng đai 31 4.4.3 Chọn phương án 31 CHƯƠNG 5: TÍNH TỐN THIẾT KẾ 32 5.1 Thiết kế khí 32 5.1.1 Tính tốn độ bền cụm trục X, Y 32 5.1.2 Tính tốn lựa chọn động 33 5.1.3 Yêu cầu thiết kế 37 5.1.4 Thiết kế khí phần mềm 37 5.2 Hệ thống điện- điều khiển 41 - vi - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao 5.2.1 Sơ đồ kết nối 41 5.2.2 Mạch điều khiển nguyên lý hoạt động bàn máy 42 5.2.3 Các thiết bị - linh kiện sử dụng 44 5.3 Xây dựng giải thuật điều khiển 50 5.3.1 Khái niệm nội suy 50 5.3.2 Nội suy đường thẳng 51 5.3.3 Nội suy đường cong 55 5.3.4 Mối quan hệ thuật toán nội suy tập lệnh G-code 63 5.3.5 Chương trình 64 5.4 Phần mềm điều khiển 65 5.4.1 Cấu trúc TwinCAT 65 5.4.2 Giao diện TwinCAT 67 5.4.3 Giao diện mô 68 CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM 70 6.1 Hình ảnh lắp đặt kết 70 6.2 Mục đích thực nghiệm 73 6.3 Quy trình kiểm nghiệm 73 6.4 Bảng số liệu chạy thực nghiệm 73 6.5 Một số hình ảnh chạy thực nghiệm 75 6.6 Đánh giá 77 KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 PHỤ LỤC 81 - vii - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bảng so sánh Ethernet EtherCAT 13 Bảng 3.2: Các ngôn ngữ lập trình PLC 22 Bảng 4.1: Thông số bàn máy 27 Bảng 5.1: Các chi tiết cụm trục X Y 39 Bảng 5.2: Các chi tiết cụm trục Z 40 Bảng 5.3: Thông số kỹ thuật kết nối Beckhoff EK1100 45 Bảng 5.4: Thông số kỹ thuật thiết bị đầu cuối EL7041 – x00x 46 Bảng 5.5: Thông số kỹ thuật thiết bị đầu cuối EL100x 47 Bảng 5.6: Thông số kỹ thuật thiết bị đầu cuối digital output EL200x 48 Bảng 5.7: Các thuật toán nội suy phần mềm 50 Bảng 5.8: Các trường hợp phương pháp SA 58 Bảng 5.9: Bảng phân loại nhóm mã lệnh G-code CNC 63 Bảng 5.10: Các thành phần giao diện TwinCAT 67 Bảng 6.1: Các khoảng cách di chuyển thực tế trục X 73 Bảng 6.2: Các khoảng cách di chuyển thực tế trục Y 74 - viii -