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

Báo cáo thực tập tốt nghiệp Luận văn Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay 1 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 về động cơ bước………………………………………… 7 2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ……………………………………8 2.3 Mụmen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước…………………….9 2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ truyền động……………………………11 2.4.1 Ba chế độ điều khiển động cơ bước………………………………………11 2.4.2 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước…………………… 13 2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước……………………………… 14 2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước……………………………… 15 CHƯƠNG III: TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG 3 TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHA……………………………………………………………………17 3.1 Tìm hiểu về cơ khớ………………………………………………………….17 3.1.1 Mô hình máy phay thực tế……………………………………………… 17 3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống……………………………………… 19 3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay ….19 3.3 Phần mềm điều khiển động cơ 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 2 Báo cáo thực tập tốt nghiệp LỜI NÓI ĐẦU Sau 9 học kì học tập tại trường, chúng em đã được truyền dạy kiến thức thuộc nhiều môn học lý thuyết. Để mở rộng kiến thức thực tế và kết hợp học và hành, nhóm sinh viên chúng em được nhà trường và thầy giáo hướng dẫn cử đi thực tập tốt nghiệp tại trung tâm thực hành tự động hóa tại trường Đại học Phương Đông. Trong quá trình thực tập chúng em có cơ hội được tiếp xúc với nhiều hệ thống thí nghiệm, các mô hình của các hệ thống tự động hóa và nhiều thiết bị điện, điện tử giúp chúng em có thêm kinh nghiệm thực tế để chuẩn bị cho quá trình làm đồ án tốt nghiệp và áp dụng trong công việc sau này. Suốt quá trình thực tập, chúng em được phân công tập tìm hiểu về mô hình máy phay CNC, để củng cố thờm cỏc kiến thức về điều khiển số, máy gia công CNC, ghép nối mỏy tớnh… là những môn học mà chúng em đã được dạy ở trong trường. Đồng thời chúng em bước đầu đi vào tìm cách phát xung điều khiển mô hình. Đây cũng là tiền đề để khi nghiên cứu làm đồ án tốt nghiệp chúng em có thể hoàn thiện và nâng cấp hệ điều khiển của mô hình. Thực tế quá trình đó, chúng em đã thu nhặt được thêm không ít các kiến thức bổ ích mà trong quá trình học tập chúng em chưa trang bị được cho bản thân. Đợt thực tập đã thực sự rất bổ ích cho nhóm em. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới nhà trường, các thầy cô trong bộ môn đã bố trí cho chúng em có đợt thực tập này. Chúng em đặc biệt gửi lời cảm ơn tới thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình hướng dẫn chúng em trong quá trình thực tập; cảm ơn thầy giáo Lưu Đức Dũng cùng các anh chị tại trung tập thực hành đã tạo điều kiện, nhiệt tình giúp đỡ chỉ bảo và truyền đạt cho chúng em nhiều kinh nghiệm quý báu. Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Quang 3 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) ra đời với mọc đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trờn cỏc máy công cụ. Về thực chấy, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia cụng…) trờn cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số kí tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Trước đây, cũng đó cú cỏc quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kĩ thuật chộp hỡnh theo mẫu, chộp hỡnh bằng hệ thống thuỷ lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Về mặt khoa học: trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kĩ thuật đã cho phét chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn mà trước đây chưa đủ điều kiện mà ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn tới kết quả gần đúng. Chính vì vậy đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy thiết kế và chế tạo cỏc mỏy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn. Ngày nay, lịch sử phát triển của NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lí từ 4bit, 8bit,…cho tới 32bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ cũng như xử lí. 1.2 Máy CNC Từ cỏc mỏy CNC riêng lẻ (CNC Machines – Tools) cho đến sự phát triển cao hơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering – Centre) cú cỏc ổ chứa 4 Báo cáo thực tập tốt nghiệp dao lên tới hàng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần tự trên cùng một vị trí gá đặt. Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục bộ và liên thông phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lí của một máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) với mục đích khai thác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất và quản lí chất lượng sản phẩm… Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị them các robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Cấu trúc hệ điều khiển trờn mỏy phay: Hệ điều khiển có nhiệm vụ giải mã chương trình NC và xử lý tiếp các thông tin có liên quan về công nghệ và hình dáng hình học của chi tiết. Với sự hỗ trợ của hệ điều khiển, các bộ phận cấu thành máy phay được điều khiển và hiệu chỉnh sao cho hình thành được các chi tiết cần gia công như mong muốn. Các chức năng của hệ điều khiển có thể được thiết lập như: nhập dữ liệu, xử lý dữ liệu, và xuất dữ liệu (Hình 1.2) 5 Máy CNC 1 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hình 1.2. Cấu trúc hệ điều khiển Việc nhập dữ liệu trong hệ điều khiển về cơ bản diễn ra trên bảng điều khiển bao gồm bàn phím và màn hình. Ở đây các chương trình NC có thể được thiết lập và quản lý, dữ liệu có thể được nhập vào, có thể gọi mô phỏng chương trỡnh.Chương trỡnh NC có thể được ghi nhớ hoặc lưu trữ dữ liệu ở bên ngoài. Đồng thời nó cũng có khả năng liên kết với các thiết bị bên ngoài thông qua các thiết bị giao tiếp. Hệ điều khiển hở Các điều khiển hiện nay trờn mỏy phay được thực hiện bởi điều khiển CNC. Đặc điểm của hệ điều khiển này là mạch tác dụng hở ( Hình 1.13). Hệ điều khiển nhận các giá trị cần vào máy mà không cần hiệu chỉnh giá trị của chúng. Hình 1.3. Hệ điều khiển hở 6 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Hệ điều khiển kín Vì điểu khiển hở có thể cho các tín hiệu đầu ra không chính xác, do đó tín hiệu ra phải được phản hồi về hệ điều khiển để tính toán liên tục và điều chỉnh lại các giá trị thực theo yêu cầu. Quá trình điều khiển kín liên tục này được gọi là hệ điều khiển kín ( Hỡnh 1.4) Hình 1.4. Hệ điều khiển kín 7 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Chương II TÌM HIỂU VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC 2.1. Khái niệm chung về động cơ bước Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rụto và có khả năng cố định rụto vào những vị trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của rụto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rụto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato của động cơ bước thỡ rụto của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thỡ rụto sẽ quay liên tục nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc. Có thể coi động cơ bước là linh kiện ( hay dụng cụ) số ( Digital Device) mà ở đó các thông tin số hoỏ đó thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu. Hình 2.1. Mô hình hoá động cơ bước. 8 Báo cáo thực tập tốt nghiệp 2.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước Rụto của động cơ bước (không có cuộn dây khởi động) được khởi động bằng phương pháp tần số; rụto của động cơ bước có thể được kích thích (rụto tích cực) hoặc không nhận được kích thích (rụto thụ động ). Hình 2.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rụto 2 cực và các lực điện từ khi điều khiển bằng xung 2 cực. Xung điện áp cấp cho m cuộn dây có thể là xung một cực (hình 2.3 a) hoặc xung hai cực (hình 2.3 b). Hình 2.3. Xung điện áp cấp cho cuộn dây stato. Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây stato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm cuộn dây. Trị số và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rụto trong không gian hoàn toàn phụ thuộc và phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây. Để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mụmen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây. Lúc đó rụto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng ( ổn định) trùng với vectơ lực 9 a. Xung một cực b. Xung lưỡng cực Báo cáo thực tập tốt nghiệp điện từ tổng F. Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato ( hình 2.2 b; hình 2.2 c) Trờn hình 2.2 b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây). Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây. Trờn hỡnh 2.2 c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây). Lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn. Nếu cấp điện theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số lẻ cuộn dây (số cuộn dây được cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn) thì số vị trí cân bằng của rụto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi bằng m π . Trường hợp này là điều khiển không đối xứng (điều khiển nửa bước). Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi thỡ thỡ rụto cú m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng (điều khiển cả bước). Tổng quát số bước quay của rụto trong khoảng 0 ữ 360 0 là : K = m.n 1 .n 2 .p (2.1) – m : số pha (số cuộn dây điều khiển trên stato). – p: số đôi cực của rụto. – n 1 : hệ số; n 1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng. n 1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng. – n 2 : hệ số; n 2 = 1 điều khiển bằng xung một cực. n 2 = 2 điều khiển bằng xung hai cực. Bước quay của rụto trong không gian là α = K 0 360 . 2.3 Mụmen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước Động cơ bước được cấp bởi dòng điện một chiều do đó biểu thức mụmen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác so với biểu thức mụmen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường cú cựng cấu trúc. 10 [...]... module điều khiển được đơn giản và gọn nhẹ cũng như nâng cao độ chính xác trong quá trình điều khiển Hai vi mạch L297 và L298 đã được ứng dụng để thiết kế module điều khiển cho động cơ truyền động trong máy phay * Động cơ bước truyền động 3 trục của máy phay: Thông số: VEXTA Model C6244–9212K 2 phase 1.8o/step DC 5.7V – 1.6A Hình 3.6 Động cơ bước trong mô hình máy phay * Module điều khiển động cơ bước: –... tìm hiểu về cấu trúc phần cứng, chỉnh định lại tủ điều khiển cho hợp lý hơn về ghép nối và thuận tiện cho chạy thử 3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay Với sự phát triển của kĩ thuật vi xử lý các nhà sản xuất đã cho ra đời các vi điều khiển tích hợp các mạch công suất cần thiết: mạch phát xung, mạch đảo chiều quay, mạch điều chỉnh tốc độ…vv Nhờ đó giúp cho việc thiết... bước, mà phải điều khiển ở chế độ giữ và dịch bước 17 Báo cáo thực tập tốt nghiệp Chương III TÌM HIỂU MÁY PHAY ĐỨNG 3 TRỤC SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHA 3.1 Tìm hiểu về cơ khí: 3.1.1 Mô hình máy phay thực tế: Hình 3.1 Mụ hỡnh mỏy phay Máy phay ở phân xưởng bao gồm 3 chuyển động sau: – Chuyển động của bàn máy theo trục X – Chuyển động của giá gắn mũi phay theo trục Y – Chuyển động của mũi phay theo trục Z... nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ Muốn dừng và đảo chiều động cơ phải giảm xuống dưới tốc độ tới hạn để hoạt động trong chế độ bước Động cơ bước chỉ được coi là làm việc khi ở hai trạng thái b và c 2.4.3 Điều khiển tốc độ quay của động cơ bước Động cơ bước có thể quay với bất kì tốc độ nào trong giải từ 0 vũng/ phỳt đến giá trị cực đại cho phép Do tính chất đặc biệt, động cơ bước có thể dừng đột... lý mạch điều khiển và ghép nối máy tính 27 D8 Báo cáo thực tập tốt nghiệp 3.3.1 Thuật toán điều khiển: Số bước của động cơ chính là số xung phát vào chân Clock của L297 Số bược trong 1 giây hay là vận tốc của động cơ bước sẽ phụ thuộc vào số xung trong 1 giây Mặt khác 1 vòng quay của động cơ tương ứng với 400 lần dịch bước (do 1 bước là 1.8 và chế độ là nửa bước) Bởi vậy nếu ta muốn động cơ quay 1 vòng... giải phương trình (2.10) để tìm F1 và F2 ứng với cỏc gúc quay β = θ, 2θ, 3θ, ,nθ Phương trình (2.10) là một phương trình bậc 2 với 2 ẩn số về nguyên tắc là không giải được Bằng việc thêm điều kiện biên nhất định phương trình (2.10) sẽ giải được 2.4.2 Các đặc trưng của tín hiệu điều khiển động cơ bước Tín hiệu điều khiển của động cơ bước là các xung rời rạc kế tiếp nhau.Việc điều khiển động cơ bước. .. tốt nghiệp trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyền động sử dụng động cơ bước 2.4.4 Điều khiển chiều quay của động cơ bước Với động cơ bước, chiều quay nhìn chung không đồng nhất với chiều dòng điện cấp vào mà nó phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch của các bước Khi rụto đang ở vị trí n, nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí (n + 1) thì động cơ quay phải; nếu... cáo thực tập tốt nghiệp Và để bàn máy và các trục tọa độ trượt trên thanh trượt này ta sử dụng dây cu–roa gai gắn vào các trục máy và tỉ số truyền của bộ truyền này là 1:1 Để điều khiển chuyển động tịnh tiến của 3 trục đó nờu trên, cơ cấu chấp hành là 3 động cơ bước Bên cạnh 3 trục tọa độ trên, mũi phay được quay bởi động cơ đồng bộ lắp vào nguồn 220V xoay chiều 3.2 Mạch lực và phần cứng của hệ thống... lần dịch bước thì tần số dịch bước là f = n/t Giả sử góc bước của động cơ là θ 0 thì để đạt được 1 vòng quay ta phải cho động cơ quay 3600/θ0 bước quay Vận tốc trung bình V của động cơ bước trong thời gian t giây là : n θ θ θ = f f 360 ( vòng/giây) = 60 ( vũng/phỳt) V = t 360 (2.12) Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịch bước f Việc điều khiển này được thực hiện bởi... độ động cơ Tần số f của xung clock sẽ được lập trình để vận tốc của động cơ quay theo tốc độ mong muốn Chân Dir là điều khiển chiều quay của động cơ Khi chân này ở mức logic cao thì động cơ qua theo chiều kim đồng hồ, còn mức thấp thì ngược chiều kim đồng hồ Chân Dir và Clock được điều khiển bởi máy vi tính qua cổng mạch in Với 3 chân đầu vào đã được nối vào 5V thì mỗi động cơ ta phải điều khiển 2 . tìm hiểu về cấu trúc phần cứng, chỉnh định lại tủ điều khiển cho hợp lý hơn về ghép nối và thuận tiện cho chạy thử . 3.2.1 Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay Với. văn Giới thiệu về động cơ bước và phương pháp điểu khiển cho máy phay 1 Báo cáo thực tập tốt nghiệp MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU……………………………………………………………………1 CHƯƠNG I: KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ MÁY. lớn và khả năng đồng bộ của động cơ bước càng lớn. 2.4 Cơ sở lý thuyết điều khiển động cơ truyền động 2.4.1 Ba chế độ điều khiển động cơ bước Giả sử ta cấp điện cho hai cuộn dây của động cơ bước: Hình