thiết kế mô hình máy cnc 3 trục ứng dụng điêu khắc chữ

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾT MÔ HÌNH MÁY CNC 3 TRỤC ỨNG DỤNG ĐIÊU KHẮC CHỮ

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihh

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihh

94Thursday, June 13, 20249:12:42 PM9:12:42 PM94Thursday, June 13, 20249:12:42 PM9:12:42 PM94Thursday, June 13, 20249:12:42 PM9:12:42 PM

94hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhThursday, June 13, 2024

Trang 2

hghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihhhghieh euu eohg tae ke toah bah hahg va xae dihh ket pua kihh dochh tai eohg ty eo uhah euohg eohg puahg hihh942413069:12:41 PM9:12:41 PM942413069:12:41 PM9:12:41 PM942413069:12:41 PM9:12:41 PM

Trang 3

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 5

MỤC LỤC

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ i

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ii

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiêm cứu 2

1.4 Đối tượng nghiêm cứu 2

1.5 Giới hạn đề tài: 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về máy cnc 4

2.1.1 Giới thiệu máy cnc 4

2.1.2 Ưu nhược điểm máy cnc 6

2.1.3 Lưu đồ giải thuật CNC 8

8

2.2 Tổng quát về động cơ bước 8

2.2.1 Giới thiệu về động cơ bước 8

2.2.2 Các loại động cơ bước 9

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước 9

2.3 Mạch driver động cơ bước 10

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 6

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH, KẾT NỐI LINH KIỆN 44

3.1 Danh sách linh kiện 44

3.2 Sơ đồ kết nối 46

3.3 Thiết kế lắp đặt phần cứng 50

CHƯƠNG 4: QUI TRÌNH ĐIỀU KHIỂN,CHẠY THỬ MÔ HÌNH 53

4.1 Yêu cầu điều khiển 53

4.2 Quy trình vận hành của hệ thống 53

4.3 Điều khiển hệ thống 54

4.3.1 Thiết kế và tạo file G-code 54

4.3.2 Điều khiển hệ thống bằng phần mềm Mach 3 64

4.4 Một số sản phẩm làm được 74

CHƯƠNG 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài 77

5.1 Kết quả đạt được 77

5.2 Kết luận 77

5.3 Hướng phát triển đề tài 77

Tài liệu kham khảo 78

Phụ lục 79

Lời cảm ơn 85

123docz.net - File bi loi xin lienhe: lethikim34079@hotmail.com

Trang 7

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Động cơ bước 6 dây 8

Hình 2.2: Sơ đồ đấu dây động cơ bước 9

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver TB6560 11

Hình 2.4: Động cơ khoan của mô hình CNC mini 14

Hình 2.5: Thông số kích thước Spindle 15

Hình 2.6: Boa AKZ250 CNC 3 trục 16

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch MCU boa AKZ250 17

Hình 2.8: Giao diện SPI 19

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý mạch PWM 22

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch USB 24

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mach EPM240 CPLD 25

Hình 2.12: Sơ đồ vị trí các chân trên EPM240 26

Hình 2.13: Sơ đồ khối JTAG 30

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý khối I/O spindle 31

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý I/O axis 32

Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý khối ngõ vào (input) 33

Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý khối ngõ ra (output) 34

Hình 2.18: Các chân tín hiệu AKZ250 35

Hình 2.19: Các chân ngõ vào AKZ250 36

Hình 2.20: Các chân ngõ ra boa AKZ250 37

Hình 2.21:Giao diện phần mềm Mach3 42

Hình 3.1: Kết nối nguồn 24V với driver TB6560 46

Hình 3.2: Sơ đồ kết nối AKZ250 với driver TB6560 và Step motor 47

Hình 3.3: Sơ đồ đấu dây nút nhấn, công tắc hành trình, module relay 48

Hình 3.4: Thiết kế mô phỏng trên Inventor 50

Hình 3.5: Mô hình cơ khí CNC 51

Hình 3.6: Đấu nối tủ điện 52

Hình 4.1: Sơ đồ quy trình vận hành của hệ thống 53

Hình 4.2: Tạo bản thiết kế mới trong Aspire 54

Hình 4.3: Set phôi gia công trong Aspire 55

Hình 4.4: Giao diện tool Aspire 56

Hình 4.5: Thiết kế kiểu chữ trong Aspire 57

Hình 4.6: Chọn chế độ khắc chữ trong Aspire 58

Trang 8

Hình 4.8: Chọn dao khắc trong Aspire 60

Hình 4.9: Chạy mô phỏng trên Aspire 61

Hình 4.10: Giao diện mô phỏng trên Aspire 62

Hình 4.11: Xuất G-code trong Aspire 63

Hình 4.12: Giao diện Mach3 64

Hình 4.13: Vào cửa sổ Config thiết lập chức năng trong Mach3 65

Hình 4.14: Cửa sổ Engine Configuration and Pin 66

Hình 4.15: Cửa sổ cài đặt các chân xung cổng ra cho motor 67

Hình 4.16: Cài đặt cổng vào trong Mach 3 68

Hình 4.17: Cài đặt địa chỉ cổng vào Mach3 69

Hình 4.18: Cài đặt thông số cho trục động cơ chính 70

Hình 4.19: Cửa sổ cài đặt thông số cho các trục 71

Hình 4.20: Cửa sổ load G-code 72

Hình 4.21: Lấy tạo độ phôi trên Mach3 73

Trang 9

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1: Thiết lập switch để điều chỉnh thông số 13

Bảng 2: Các chân của AT24C01BNSHB 20

Bảng 3: Thông tin các chân chuyên dụng cho thiết bị EPM240 26

Bảng 4: Định nghĩa các chân cho EPM240 28

Bảng 5: Sơ đồ chân tín hiệu AKZ 250 35

Bảng 6: Các chân ngõ vào AKZ250 36

Bảng 7: Các chân ngõ ra boa AKZ250 37

Bảng 8: Các nhóm lệnh G-code 38

Trang 10

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Trong nền sản suất công nghiệp hiện đại, đòi hỏi khả năng về tự động với phương thức linh hoạt cao của dây truyền sản xuất, thì máy công cụ điều khiển số CNC đóng vai trò rất quan trọng Sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất nên ngày nay trên thế giới rất nhiều nước đã áp dụng rộng rãi máy công cụ số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo Bên cạnh đó, sự phát triển về công nghệ thông tin đã gặt hái được rất nhiều thành tựu to lớn, các máy tính số ngày càng được sản xuất nhiều với những tính năng tốc độ xử lý dữ liệu cao, sử dụng dễ dàng, kết cấu nhỏ gọn, giá thành thấp

Năm năm trở lại đây, với sự đầu tư cho nghiên cứu về máy Công cụ điều khiển số CNC của Chính phủ, sự cố gắng của các nhà khoa học và doanh nghiệp, hàng loạt máy CNC “Made in Việt Nam” ra đời và đang được người dùng tin cậy Tuy nhiên, làm thế nào để phát triển sản xuất máy CNC trong nước, nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ CNC là điều thực sự cần thiết đối với Việt Nam.

Xuất phát từ thực tế này cùng với kiến thức chúng em được học tập khi ngồi trên ghế nhà trường, nhóm chúng em quyết định thiết kế, chế tạo máy CNC 3 trục công suất nhỏ Sản phẩm tuy không lớn nhưng sẽ là cơ hội để chúng em áp dụng lý thuyết vào thực tế, giá thành không quá cao phù hợp với khả năng của sinh viên Máy CNC được thiết kế nhỏ gọn, độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình gia công chi tiết máy, nhằm giảm tải sức lao động của con người, gia công được trên các vật liệu như: gỗ, mica

Để chế tạo máy CNC nhóm đã nghiên cứu chia thành các lĩnh vực nhỏ để tiện cho việc nghiên cứu như: Thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy CNC, trang bị điện cho máy CNC, quy trình sinh mã G-code cho máy CNC, điều khiển và giám sát hoạt động của máy CNC

Trong quá trình thực hiện đề tài do lượng kiến thức còn hạn chế nên chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em rất mong quý thầy cô đóng góp ý kiến để đề tài được ứng dụng trong thực tế hiệu quả hơn

Trang 11

1.3 Cách tiếp cận và phương pháp nghiêm cứu

Để thực hiện đề tài một cách tốt nhất, nhóm đã nghiên cứu về máy CNC thông qua những thông tin trên mạng internet và những quan sát thực tế ở bên ngoài, từ đó thu được những yêu cầu thực tế của đề tài Bên cạnh đó, nhờ sự giúp đỡ, hướng dẫn nhiệt tình của giáo viên hướng dẫn đã giúp nhóm đã đưa ra được hướng nghiên cứu và hoàn

thành đề tài

Tiến trình thực hiện đề tài:

 Tham khảo ngoài thực tế và theo sự hướng dẫn của giáo viên để đưa ra được định hướng cho hệ thống của đề tài

 Nghiên cứu về động cơ Step motor

 Tìm hiểu về phần truyền động, từ đó nắm rõ được các chuyển động của hệ thống  Chỉnh sửa, lắp ráp phần cứng , phần điện ( tủ điện điều khiển )

 Kết nối các thiết bị của hệ thống và điều khiển, giám sát,  Điều chỉnh hệ thống để đạt được kết quả như yêu cầu  Chạy thử và thu nhận sản phẩm

 Rút ra các thiếu sót và từ đó chỉnh sửa để hoàn thành hệ thống

1.4 Đối tượng nghiêm cứu

Các đối tượng phần cứng ( phần cơ khí ) :  Cơ cấu các trục vít me ( trục X, Y, Z )

 Các chi tiết phần cứng khác: mặt bàn phay, khối đế máy, chốt định vị, vam kẹp

phôi

Các đối tượng điều khiển ( phần điện ) :

Trang 12

 Driver động cơ bước

 Bo mạch CNC AKZ 250

1.5 Giới hạn đề tài:

Đề tài chỉ dừng lại ở việc chạy trên mô hình cùng với các yêu cầu điều khiển:

 Điều khiển mô hình CNC 3 trục bằng phần mềm hỗ trợ để phay ra sản phẩm phù hợp

 Điều khiển mô hình CNC 3 trục trực tiếp bằng những lệnh theo yêu cầu thực hiện

Trang 13

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về máy cnc 2.1.1 Giới thiệu máy cnc

Như chúng ta đã biết, trước thế hệ máy CNC đã có hai thế hệ máy công cụ với trình độ hiện đại thấp hơn: máy công cụ thường và máy công cụ NC

Máy công cụ thường:

Khi thực hiện gia công chi tiết trên các máy công cụ thông thường công nhân thường dùng tay để điều khiển máy (đương nhiên các chuyển động cắt và chuyển động chạy dao đều do máy thực hiện) Công nhân căn cứ vào phiếu nguyên công để cắt gọt chi tiết nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đặt ra Trong trường hợp như vậy năng suất và chất lượng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của công nhân Mặc dù còn nhiều hạn chế so với máy NC và máy CNC nhưng các máy công cụ thông thường hiện nay vẫn còn được sử dụng rất rộng rãi với lý do là giá thành thấp và thuận tiện cho công việc sửa chữa Đặc biệt các máy công cụ trình độ thấp vẫn còn ý nghĩa lớn đối với các trường dạy nghề cơ khí và các công việc thực tập của sinh viên cao đẳng, đại học ở các trường kỹ thuật

Máy công cụ NC:

Đối với các máy công cụ NC thì việc điều khiển các chức năng của máy được quyết định bằng các phương trình đã lập sẵn Các máy công cụ NC rất thích hợp với dạng sản xuất hàng loại nhỏ và trung bình

Hệ thống điều khiển của máy NC là mạch điện tử Thông tin vào chứa trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng khối, khi khối trước kết thúc, máy đọc tiếp các khối lệnh tiếp theo để thực hiện các dịch chuyển cần thiết Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, chức năng đọc theo băng Các máy NC không có chức năng lưu trữ chương trình

Trang 14

công, máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy Máy công cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc ba nào Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ Tất cả các chức năng trên đều được thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính Các chương trình lập ra có thể lưu trữ trên đĩa cứng hoặc đĩa mềm

CNC - Computerized Numerical Control technology, là sự phát triển của NC Cả hai hệ thống cùng thực hiện các nhiệm vụ giống nhau, đó là xử lý dữ liệu để gia công chi tiết Trong cả hai trường hợp thì thiết kế bên trong của hệ thống điều khiển bao gồm các chỉ thị logic để xử lý dữ liệu Đây là điểm giống nhau duy nhất của chúng

Hệ thống NC sử dụng hàm logic cố định được gắn cố định bên trong bộ điều khiển Người lập trình hay vận hành máy không thể thay đổi các hàm này Do được gắn cứng với bộ điều khiển logic, hệ thống NC được xem là đồng nghĩa với thuật ngữ “hardwired”, hệ thống có thể hiểu một chương trình gia công chi tiết bằng bộ điều khiển của nó, nhưng nó không cho phép có bất cứ một thay đổi nào đối với chương trình Tất cả mọi thay đổi cần phải thực hiện ngoài bộ điều khiển, thường là ở phòng thiết kế Ngoài ra, hệ thống NC yêu cầu phải sử dụng băng đột lỗ để nạp dữ liệu chương trình

Hệ thống CNC hiện đại sử dụng bộ vi xử lý (nghĩa là như một máy tính) bao gồm các thẻ nhớ chứa rất nhiều các chương trình cho phép biến đổi các hàm logic Điều đó có nghĩa là người lập trình hay người vận hành máy có thể thay đổi chương trình ngay tại máy Sự linh hoạt này là sự thuận lợi lớn nhất của hệ thống CNC và có lẽ nó là nhân tố chính góp phần vào việc sử dụng rộng rãi kỹ thuật CNC trong gia công như ngày hôm nay Chương trình gia công và các hàm logic được lưu trữ trên các con chip máy tính đặc biệt, giống như các câu lệnh của phần mềm, chính vì thế mà hệ thống CNC còn được gọi là “softwired” (ngược lại với hardwired)

Khi đề cập đến một vấn đề cụ thể có liên quan đến kỹ thuật NC và CNC, thường thì có thể dùng NC hoặc CNC đều được Tuy nhiên, phải luôn nhớ rằng CNC có thể là NC khi chúng ta trao đổi hàng ngày với nhau nhưng NC không được đề cập đến như là CNC, một kỹ thuật ra đời trước và lạc hậu hơn

Tất cả các hệ thống điều khiển và thiết kế hiện nay đều là hệ thống CNC

Trang 15

2.1.2 Ưu nhược điểm máy cnc

- So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, kết quả làm việc của máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề thuần thục của người điều khiển Người điều khiển máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- So với các máy tự động theo chương trình cứng (dùng cam, dưỡng, cữ chặn, công tắc hành trình…), máy công cụ CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập trình, đặc biệt khi có trợ giúp của máy vi tính, tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao ngay cả với loạt sản phẩm nhỏ

- Ưu điểm chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với hệ thống xử lí thông tin “ điện tử – số hóa “, cho phép nối ghép các hệ thống xử lý trong phạm vi quản lý của toàn xí nghiệp, tạo điều kiện mở rộng tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất, ứng dụng các kỹ thuật hiện đại thông qua mạng liên thông cục bộ ( LAN) hay mạng liên thông toàn cầu( WAN)

- Các máy ứng dụng kỹ thuật CNC đạt tốc độ dịch chuyển lớn Trong lĩnh vực gia công cắt gọt, máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian, do mức tự động hoá nâng cao vượt bậc

- Máy công cụ CNC có thể dễ dàng thay đổi chương trình gia công, thiết thực với các loại chi tiết khác nhau, thời gian chuẩn bị và hiệu chỉnh kỹ thuật tại khu vực làm việc giảm đáng kể Thời gian thay dao được thực hiện nhanh chóng, chính xác có thể chuẩn bị dao ở vùng ngoại vi và nạp trở lại vào ổ tích dao chuyên dùng gắn trên máy

- Máy điều khiển kỹ thuật số có thể thực hiện một lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động điều chỉnh sai sót dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết

- Máy công cụ CNC gia công được loạt chi tiết nhỏ, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điểm quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện được ngoài máy, trong văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý,…

Trang 16

- Đa số các máy CNC đều có thể thực hiện một số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết

- Độ chính xác lập lại đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình đảm bảo chất lượng gia công cao, là ưu việt tuyệt đối của các máy điều khiển kỹ thuật số

- Bản thân nguyên tắc điều khiển theo chương trình số là đảm bảo cơ bản của độ chính xác gia công trên máy Ngoài ra máy CNC còn ưu điểm khai thác tối đa các chế độ cắt gọt, các nguyên lý cắt và phương án gá đặt, đảm bảo độ chính xác cao, ổn định chất lượng sản phẩm

Tóm lại sự lựa chọn thế hệ máy CNC ngày nay trở thành một đặc tính cần thiết có tầm quan trọng, quyết định đối với các xí nghiệp công nghiệp V́ì nó có thể đem lại lợi nhuận, khả năng tái sản xuất và nó có những tính năng cao mà máy công cụ thông thường chưa đạt được

- Thay đổi người đứng máy khó khăn hơn

Trang 17

2.1.3 Lưu đồ giải thuật CNC

2.2 Tổng quát về động cơ bước

2.2.1 Giới thiệu về động cơ bước

Hình 2.1 Động cơ bước 6 dây

Động cơ bước là loại động cơ đồng bộ dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển

Phần điều khiển

Chương trình điều khiển

Cơ cấu điều khiển

Trang 18

Cấu tạo động cơ bước có thể coi là tổng hợp của 2 động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

2.2.2Các loại động cơ bước

Động cơ bước có nhiều loại như động cơ biến trở từ, động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực

Về step thì có loại là 0.36o/step là nhỏ nhất, 0.72o/step, thông dụng nhất là loại 1.8o/step (200 step động cơ sẽ quay được 1 vòng)

Trên thị trường chúng ta hay gặp nhất là động cơ đơn cực và lưỡng cực có các loại 4 dây, 5 dây, 6 dây và 8 dây Trong đó loại 4 dây và 6 dây là 2 loại phổ biến nhất

Hình 2.2: Sơ đồ đấu dây động cơ bước

2.2.3 Phương pháp điều khiển động cơ bước

Cách thông dụng nhất là sử dụng IC chuyên dụng điều khiển động cơ bước Các loại IC hay gặp nhất là TB6560, TB6600, L297, A4988, DRV8825, MA860H Việc lựa chọn dùng loại driver nào phụ thuộc vào loại động cơ và công suất

Ví dụ: A4988 và DRV8825 dùng để điều khiển động cơ công suất nhỏ (động cơ

máy photo hoặc máy in 3D ) TB6560 hoặc TB6600 dùng điều khiển các loại động cơ công suất lớn hơn (động cơ máy CNC mini ) Các loại động cơ công suất lớn người ta dùng MA860H

Trang 19

Cách giao tiếp giữa động cơ bước và module driver tương đối giống nhau Chúng đều có 3 port cơ bản là DIR (điều khiển chiều quay động cơ), CLK (nhận xung điều khiển để điều khiển từng step), EN (cho phép động cơ hoạt động hay không) Ngoài ra ở các module như TB6560 hay MA860H có 6 port CLK-, CLK+, EN-, EN+, CW-, CW+, vì thế chúng ta có thể tùy chọn điều khiển động cơ theo mức 0 hay mức 1

2.3 Mạch driver động cơ bước

Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 là loại được sử dụng nhiều nhất hiện nay, mạch có thể điều khiển được động cơ bước 2 pha (10V – 35V) với dòng tối đa 3A

Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước, được ứng dụng trong hệ thống máy CNC hoặc các hệ cơ khí chính xác

Hình 2.3: Module điều khiển động cơ bước TB6560

Trang 20

 Thông số kỹ thuật

+ Điện áp hoạt động: 10V – 35VDC+ Dòng tải tối đa: 3A

+ Tích hợp opto cách ly 6N317 tốc độ cao giúp cách ly tín hiệu điều khiển với board điều khiển, an toàn và chống nhiễu

+ Tích hợp tản nhiệt nhôm cho TB6560 + Công tắc setup dòng tải (tối đa 3A)

+ Có công tắc setup vi bước: 1:1, 1:2, 1:8, 1:16 + Công tắc setup lực giữ vị trí cố định

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver TB6560

Trang 21

 Các khối lệnh

+ Khối nguồn: cung cấp nguồn từ 12Vdc – 24Vdc cho động cơ hoạt động Được ổn áp

qua IC LM7805 lấy 5Vdc cung cấp cho các khối còn lại

+ Khối cách ly quang: cách ly tín hiệu điều khiển với khối Driver động cơ làm giảm nhiễu và an toàn cho mạch điều khiển

+ Khối điều khiển: gồm 6 chân EN-, EN+, CLK-, CLK+, CW-, CW+

+ EN-, EN+: cho phép/ không cho phép module hoạt động + CW-, CW+: tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ + CLK-, CLK+: tín hiệu xung điều khiển động cơ

Với việc thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng giúp ta linh hoạt tùy biến tín hiệu điều khiển ở mức cao hay mức thấp

Ví dụ: các chân CLK+, CW+, EN+ được nối với 5V, thì tín hiệu điều khiển được cấp vào các chân CLK-, CW-, EN- ở mức thấp.

+ Khối switch: cho phép người dùng thiết lập các thông số: dòng điện chạy qua động

cơ, độ rộng góc bước

+ Khối driver: sử dụng IC TB6560 để điều khiển hoạt động của động cơ

+ Khối động cơ: có 4 chân A+, A-, B+, B- kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước

lưỡng cực

Trang 22

 Thiết lập switch để điều chính thông số

Trên module TB6560 có bảng thiết lập các thông số như sau

Bảng 1: Thiết lập switch để điều chỉnh thông số

Trang 23

 Running Current: thiết lập dòng điện cho động cơ bước hoạt động  Stop Current: thiết lập dòng điện để hãm động cơ

 Excitation Mode: thiết lập vi bước (1:1, 1:2, 1:8, 1:16)

 Decay Settings: thiết lập hạn dòng cho động cơ Khi thiết lập decay là 0% (slow decay) nghĩa là nếu quy định dòng là 1A thì khi IC không cấp dòng

nữa, dòng điện sẽ giảm từ từ qua 1 vài chu kì dao động nội rồi lại cấp dòng lên 1A Trường hợp decay 0% không phù hợp cho động cơ công suất lớn vì khi cấp điện mà ngừng cấp thì cuộn dây sinh ra điện áp ứng Khi thiết lập decay là 100% (fast decay) nghĩa là nếu quy định dòng là 1A, khi dòng đạt 1A thì giảm nhanh xuống 0.7A rồi lại tăng lên 1.2A, trung bình vẫn là 1A Trường hợp decay 100% không phù hợp với động cơ công suất nhỏ vì khi dòng tăng giảm liên tục khiến giảm momen

2.4 Động cơ trục chính spindle

Hình 2.4: Động cơ khoan của mô hình CNC mini

Trang 24

Động cơ khoan của mô hình CNC mini là động cơ DC có các thông số kĩ thuật như sau:

+ Điện áp hoạt động: 12Vdc – 48Vdc + Tốc độ quay: 3000 – 12.000 vòng/phút + Công suất: 300W

+ Moment đầu trục: 230mN.m + Điện trở cách ly: >2 MΩ + Khả năng cách điện: 400V + Chiều dài tổng thể: 175mm + Đường kính: 52mm

+ Chiều dài trục : 43mm + Đường kính trục: 16mm + Sai số: 0.01mm – 0.05mm

+ Tản nhiệt: quạt khí ở cuối động cơ

Hình 2.5: Thông số kích thước Spindle

Trang 25

2.5 Bo mạch CNC AKZ250

Bo CNC AKZ250 là bộ điều khiển kết hợp với phần mềm Mach3 để hỗ trợ vận hành hệ thống máy CNC một cách đơn giản và nhanh chóng, ví dụ : máy khắc công nghiệp, máy khắc CNC, máy chế biến gỗ, máy cắt plasma CNC, máy khắc đá, máy tiện,…

Thông số kỹ thuật và ưu điểm của bo mạch AKZ250:

 Hỗ trợ USB kết nối trực tiếp với máy tình mà không cần trình điều khiển  Tần số xung bước tối đa lên đến 200KHz, phù hợp với motor servo và động cơ

bước

 Có đèn LED nhấp nháy để thông báo trạng thái hoạt động của USB cũng như là tình trạng làm việc

 Có 16 đầu vào, tín hiệu đầu vào có thể nhận biết được rõ ràng

 Hỗ trợ các Window , bao gồm Window2000 / XP / Vista / Windows7.

Hình 2.6: Boa AKZ250 CNC 3 trục

Trang 26

2.5.1 Sơ đồ nguyên lý

 Mạch MCU AKZ250:

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch MCU boa AKZ250

Trang 27

a) Khối EX0, EX1

Chân số 1 ADVREF: Tham chiếu bộ chuyển đổi ADC chuyển đổi tín hiệu tương tự sang dữ liệu số để điều khiển 3 trục động cơ XYZ

Gốc tọa độ EXT0, EXT1 có tác dụng khi bạn muốn tăng giảm các giá trị X,Y,Z Khi cho giá trị của các trục X,Y,Z trong gốc tọa độ EXT giá trị âm hoặc dương thì tọa độ của X,Y,Z, của các gốc sẽ được cộng hoặc trừ đi đúng bằng giá trị của gốc EXT

b) Khối OUTPUT

Các chân PA7,PA8,PA9,PA10,PA11,PA16,PA18,PA23 sẽ là các cổng ngõ ra từ OUTPUT 0 –OUTPUT 7

c) Bộ nhảy Jumper

PA23 là chân điều khiển IO song song

Chân TST là chân ngõ vào lựa chọn chế độ kiểm tra

Jumpers là các liên kết di động được sử dụng giữa hai điểm trong một mạch điện tử Chúng là những mảnh nhỏ với các đầu nối kim loại được kết nối với nhau, được cách điện bằng vật liệu không dẫn điện, chịu trách nhiệm dẫn điện từ điểm này sang điểm khác trên bảng mạch in (PCI)

Jumper có khả năng chuyển hướng, bật hoặc thậm chí tắt dòng điện trong mạch, cho phép cấu hình cụ thể bằng phương tiện vật lý của phần cứng

d) Khối giao tiếp ngoại vi SPI

Giao tiếp ngoại vi nối tiếp hoặc SPI (Serial Peripheral Interface) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song song toàn phần (full – duplex) tức là trong cùng một thời điểm có thể xảy ra đồng thời quá trình truyền và nhận

Giao tiếp ngoại vi nối tiếp (SPI) là một loại giao thức kiểu Master – Slave cung cấp một giao diện chi phí đơn giản và chi phí thấp giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi của nó

Trang 28

Hình 2.8: Giao diện SPI

Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:

MOSI (Master Out Slave In) hay SI - cổng ra của bên master, cổng vào của bên bị động, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị master đến thiết bị slave

MISO (Master In Slave Out) hay SO — cổng vào của bên master, cổng ra của bên bị động, dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị slave đến thiết bị master

SCLK (Serial Clock) hay SCK — tín hiệu xung clock nối tiếp, dành cho việc truyền tín hiệu dành cho thiết bị slave

IRQ0 : Được dùng bởi Programmable Interval Timer( bộ lập trình khoảng thời gian), một bộ đếm tần số được dùng cho kênh số 0 của timer/counter

e) Khối AT24C01BNSHB

AT24C01B cung cấp 1024 bit bộ nhớ chỉ đọc có thể lập trình, có thể xóa bằng điện (EEPROM) được tổ chức thành 128 từ mỗi bit 8 bit.Thiết bị cho phép lưu trữ dữ liệu tương đối nhỏ nhưng cho phép các byte riêng lẻ bị xóa và lập trình lại Thiết bị cung cấp bảo mật cao xác thực giữa máy thiết bị và máy chủ mã hóa luồng cho tất cả các các dữ liệu và mật khẩu trao đổi giữ thiết bị và máy chủ mà không cần phải có hệ điều hành vi xử lí Thiết bị được tối ưu hóa để sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp và thương mại, nơi hoạt động năng lượng thấp và điện áp thấp là rất cần thiết Ngoài ra, AT24C01B có sẵn trong phiên bản 1.8V (1.8V đến 5.5V)

Trang 29

Chức năng các chân của AT24C01BNSHB thể hiện dưới bảng sau:

Bảng 2: Các chân của AT24C01BNSHB

Pin name Function

A0-A2 Địa chỉ ngõ vào SDA Dữ liệu nối tiếp

SCL Đầu vào dữ liệu nối tiếp

 SERIAL DATA (SDA): Chân SDA là hai chiều để truyền dữ liệu nối tiếp

 (A2, A1, A0): Các chân A2, A1 và A0 là các đầu vào địa chỉ thiết bị được nối cứng cho AT24C01B

 WRITE PROTECT (WP): AT24C01B có chân bảo vệ ghi giúp bảo vệ dữ liệu phần cứng Chân bảo vệ ghi cho phép các hoạt động đọc / ghi bình thường khi được kết nối với mặt đất (GND) Khi chân bảo vệ ghi được kết nối với VCC, tính năng bảo vệ ghi được bật

f) Bộ tạo dao động và lọc tần số

Thạch anh là bộ dao động khá ổn định để tạo ra tần số dao động cho vi điều khiển Thạch anh trong điện tử đa phần để tạo ra tần số được ổn định vì tần số của thạch anh tạo ra rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là các mạch dao động RC…

Trong Vi điều khiển bắt buộc phải có thạch anh (trừ các loại có dao động nội) vì xét chi tiết thì VDK có CPU, timer,… CPU bao gồm các mạch logic và mạch logic muốn hoạt động cũng cần có xung clock, còn timer thì gồm các dãy FF cũng cần phải có xung để đếm Tùy loại VDK mà bao nhiêu xung clock thì ứng với 1 chu kì máy, và với mỗi

Trang 30

Để chạy các câu lệnh trong ic vi điều khiển, bạn cần tạo ra xung nhịp Tần số xung nhịp phụ thuộc vào thạch anh gắn trên chân kết nối thạch anh của vi điều khiển

Để tăng độ ổn định tần số, người ta dùng thêm 2 tụ nhỏ C37, C38 (10pF x2), tụ bù nhiệt ổn tần

Điều này cho thấy bạn cũng có thể thay đổi nhịp nhấp nháy của đèn nếu dùng thạch anh có tần số khác

g) PLLRC: Bộ lọc thông thấp thụ động RC

Bộ lọc thông thấp là một mạch có thể được thiết kế để sửa đổi, định hình lại hoặc từ chối tất cả các tần số cao không mong muốn của tín hiệu điện và chấp nhận hoặc chỉ truyền những tín hiệu mà nhà thiết kế mạch muốn

Lọc ra các tín hiệu không mong muốn và một bộ lọc lý tưởng sẽ tách và truyền các tín hiệu đầu vào hình sin dựa trên tần số của chúng Trong các ứng dụng tần số thấp (lên đến 100kHz), các bộ lọc thụ động thường được xây dựng bằng cách sử dụng các mạng RC (Điện trở-tụ điện) đơn giản

Khi tần số của tín hiệu đầu vào thấp, trở kháng của tụ điện cao so với trở kháng của điện trở; do đó, hầu hết các điện áp đầu vào được thả trên tụ điện (và trên tải, song song với tụ điện) Khi tần số đầu vào cao, trở kháng của tụ điện thấp so với trở kháng của điện trở, điều đó có nghĩa là nhiều điện áp được giảm trên điện trở và ít hơn được truyền đến tải Do đó, tần số thấp được thông qua và tần số cao bị chặn

Trang 31

 Mạch PWR (Điều chế và ổn định điện áp)

Trang 32

AMS117 V3.3 (chống quá tải ngắn mạch và quá tải nhiệt)

Dòng AMS1117 của bộ điều chỉnh điện áp cố định và điều chỉnh được thiết kế để

cung cấp dòng điện đầu ra 1A và để vận hành xuống mức chênh lệch đầu vào 1V Điện áp rơi của thiết bị được đảm bảo tối đa 1,3V ở dòng đầu ra tối đa, giảm ở dòng tải thấp hơn.Cắt xén trên chip điều chỉnh điện áp tham chiếu đến 1% Giới hạn hiện tại cũng được cắt giảm, giảm thiểu ứng suất trong điều kiện quá tải trên cả mạch điều chỉnh và mạch nguồn

Các tính năng của AMS117 v3.3

 Thiết bị đầu cuối có thể điều chỉnh hoặc cố định điện áp: 3.3 V sản lượng hiện tại của 1A

 Quy định dòng: 0.2% Max

 Load quy định: 0.4% Max

Ứng dụng của AMS117 v3.3

 Bộ điều chỉnh tuyến tính hiệu quả cao

 Đăng điều tiết để chuyển đổi nguồn cung cấp

 Bộ điều chỉnh tuyến tính 5V đến 3.3V

 Bộ sạc pin

Khối lọc LCL: Bộ lọc LCL có nhiệm vụ lọc sóng hài cao cho ngõ ra của nghịch lưu

trước khi kết nối với lưới điện

VBUS: có nghĩa là lấy nguồn từ máy tính chủ, sau đó cấp nguồn cho bộ thu phát USB

trên PIC khi được cắm Bạn không phải cung cấp năng lượng từ phía PIC của mọi thứ nếu đó là thiết bị USB

Trang 33

 Cổng USB

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch USB

Chân VCC: lấy nguồn từ máy tính chủ, sau đó cấp nguồn cho bộ thu phát USB

trên PIC khi được cắm

Trang 34

 Mạch EPM240 CPLD

CPLD - Complex Programmable Logic Device: là vi mạch mà người dùng có thể lập trình được

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mach EPM240 CPLD

Trang 35

EPM240 CPLD là thiết bị logic được người dùng can thiệp để lập trình trên thiết bị

Bảng 3: Thông tin các chân chuyên dụng cho thiết bị EPM240

Hình 2.12: Sơ đồ vị trí các chân trên EPM240

Trang 36

Chân chuyên dụng 100-Pin TQFP

Trang 37

Ý nghĩa các chân EPM240 được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 4: Định nghĩa các chân cho EPM240

CHÂN CUNG CẤP VÀ THAM KHẢO

VCCIO[1…2] Nguồn I/O(Tín hiệu vào/ tín hiệu ra) cung cấp chân điện áp cho các ngân hàng 1 đến 2 tương ứng

Mỗi ngân hàng VCCIO hỗ trợ một mức điện áp khác nhau với các chân VCCIO cung cấp năng lượng cho bộ đệm đầu vào và đầu ra trong ngân hàng I / O cụ thể đó Mỗi ngân hàng VCCIO có thể được cung cấp với 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V hoặc 1,5 V

GNDIO Nối đất Chân đất cho tất cả các ngân hàng I / O VCCINT Nguồn Chân cung cấp điện áp cho thiết bị GNDINT Nối đất Chân đất để cung cấp nội bộ

tín hiệu ra

Các chân đa năng có thể ghi đè tất cả các lần xóa trên tất cả các thanh ghi thiết bị Tất cả các thanh ghi sẽ bị xóa khi chân được điều khiển ở mức thấp và tất cả các thanh ghi hoạt động như được xác định trong thiết kế khi chân này được điều khiển ở mức cao Nếu không được sử dụng cho chức năng đa mục đích của nó, chân này là I / O thông thường

Trang 38

Tên chân Dạng chân Mô tả chân

LẬP TRÌNH VÀ CÁC CHÂN JTAG DEV_OE Tín hiệu vào/

tín hiệu ra

Các chân đa năng có thể ghi đè tất cả các lần xóa trên tất cả các thanh ghi thiết bị Tất cả các thanh ghi sẽ bị xóa khi chân được điều khiển ở mức thấp và tất cả các thanh ghi hoạt động như được xác định trong thiết kế khi chân này được điều khiển ở mức cao Nếu không được sử dụng cho chức năng đa mục đích của nó, chân này là I / O thông thường TCK Tín hiệu vào Chân đầu vào JTAG chuyên dụng

TDI Tín hiệu vào Chân đầu vào JTAG chuyên dụng TMS Tín hiệu vào Chân đầu vào JTAG chuyên dụng TDO Tín hiệu ra Chân đầu ra JTAG chuyên dụng

CHÂN THỜI GIAN GCLK[0…3] Tín hiệu vào/

tín hiệu ra

Chân thời gian đa mục đích kết nối với mạng thời gian toàn cầu Nếu không được sử dụng cho chức năng đa mục đích của nó, chân này là I / O thông thường

Trang 39

CÁC KHỐI CHÍNH TRONG MẠCH EPM240 CPLD Khối JTAG

Với các ưu điểm của JTAG:

Số lượng chân giao tiếp ít (tối đa 5 chân)

Hoạt động của giao thức đơn giản làm cho thiết kế phần cứng cũng như lập trình phần mềm đơn giản

Tính linh động, cho phép tích hợp nhiều chức năng riêng

Trong sơ đồ EPM240 CPLD, giao thức JTAG được sử dụng với các mục đích như: Program – Nạp chương trình cho chip

Chip test – Kiểm tra kết nối và hoạt động bên trong chip sau khi chế tạo thông qua việc điều khiển các thành phần DFT của chip

Debug – Hoạt động của chip trong quá trình phát triển phần mềm, firmware và software Connection test – Kiểm tra kết nối khi chip tích hợp trên bo mạch in

Hình 2.13: Sơ đồ khối JTAG

Trang 40

 Mạch I/O

SPINDLE

Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý khối I/O spindle

Sử dụng Opto 6N137 giúp truyền tính hiệu và cách ly điện áp giữa mạch đầu vào và đầu ra Với tính hiệu đầu ra ở chân số 6 Nguồn vào V3.3 được đấu vào chân số 2 của Opto Xung PWM đấu vào chân số 3