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
Trang 1MỤC 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
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Sau 9 học kì học tập tại trường, chúng em đã được truyền dạy kiến thứcthuộc nhiều môn học lý thuyết Để mở rộng kiến thức thực tế và kết hợp học vàhành, nhóm sinh viên chúng em được nhà trường và thầy giáo hướng dẫn cử đithực tập tốt nghiệp tại trung tâm thực hành tự động hóa tại trường Đại họcPhương Đông Trong quá trình thực tập chúng em có cơ hội được tiếp xúc vớinhiều hệ thống thí nghiệm, các mô hình của các hệ thống tự động hóa và nhiềuthiết bị điện, điện tử giúp chúng em có thêm kinh nghiệm thực tế để chuẩn bị choquá 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 hìnhmáy phay CNC, để củng cố thờm cỏc kiến thức về điều khiển số, máy gia côngCNC, ghép nối mỏy tớnh… là những môn học mà chúng em đã được dạy ở trongtrường Đồng thời chúng em bước đầu đi vào tìm cách phát xung điều khiển môhình Đây cũng là tiền đề để khi nghiên cứu làm đồ án tốt nghiệp chúng em có thểhoàn 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 họctập 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 ơnchân thành tới nhà trường, các thầy cô trong bộ môn đã bố trí cho chúng em cóđợt 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 tạođiều kiện, nhiệt tình giúp đỡ chỉ bảo và truyền đạt cho chúng em nhiều kinhnghiệm quý báu
Sinh viên thực hiện Nguyễn Ngọc Quang
Trang 3Chương 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 mộtquá 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 dữliệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thậpphân, các chữ cái và một số kí tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc củathiết bị hay hệ thống
Trước đây, cũng đó cú cỏc quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theochương trình bằng các kĩ thuật chộp hỡnh theo mẫu, chộp hỡnh bằng hệ thốngthuỷ lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụngcác 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 cụcác hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linhhoạt hơn thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế caohơn
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 caohơn mà trước đây chưa đủ điều kiện mà ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn tớikết quả gần đúng Chính vì vậy đã cho phộp cỏc nhà chế tạo máy thiết kế và chếtạo cỏc mỏy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũngnhư 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 cùngvới sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lí từ 4bit, 8bit,…cho tới 32bit và cho phépthế 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 caohơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering – Centre) cú cỏc ổ chứa
Trang 4dao 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 sốliệu, các mạng cục bộ và liên thông phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho cácnhà nghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lícủa một máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) với mục đích khaithác một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từngmáy, 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 đạtđến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợpCIM (Computer Intergrated Manufacturing) với việc trang bị them các robot cấpphôi 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 rấtđáng 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 thôngtin có liên quan về công nghệ và hình dáng hình học của chi tiết Với sự hỗ trợcủa hệ điều khiển, các bộ phận cấu thành máy phay được điều khiển và hiệuchỉnh sao cho hình thành được các chi tiết cần gia công như mong muốn Cácchức năng của hệ điều khiển có thể được thiết lập như: nhập dữ liệu, xử lý dữliệu, và xuất dữ liệu (Hình 1.2)
Máy CNC 1
Trang 5Hình 1.2 Cấu trúc hệ điều khiển
Việc nhập dữ liệu trong hệ điều khiển về cơ bản diễn ra trên bảng điều khiểnbao 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 chươngtrỡnh.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 cácthiết 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 khiểnnhận các giá trị cần vào máy mà không cần hiệu chỉnh giá trị của chúng
Hình 1.3 Hệ điều khiển hở
Trang 6Hệ điều khiển kín
Vì điểu khiển hở có thể cho các tín hiệu đầu ra không chính xác, do đó tínhiệu ra phải được phản hồi về hệ điều khiển để tính toán liên tục và điều chỉnh lạicác giá trị thực theo yêu cầu Quá trình điều khiển kín liên tục này được gọi là hệđiều khiển kín ( Hỡnh 1.4)
Hình 1.4 Hệ điều khiển kín
Trang 7vị trí cần thiết.
Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tínhiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số gócquay của rụto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độquay của rụto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi mộtxung điện áp đặt vào cuộn dây stato của động cơ bước thỡ rụto của động cơ sẽquay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xungđiện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thỡ rụto sẽ quay liên tụcnhưng 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 theotừng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máytính yêu cầu
Hình 2.1 Mô hình hoá động cơ bước.
Trang 82.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Rụto của động cơ bước (không có cuộn dây khởi động) được khởi động bằngphương 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) hoặcxung 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 dâystato theo từng cuộn dây riêng lẻ hoặc theo từng nhóm cuộn dây Trị số và chiềucủa lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rụto trong không gian hoàntoàn 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 mụmenđồng 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
Trang 9điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từthành 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 sốchẵn cuộn dây (2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị tríchính giữa hai trục của hai cuộn dây Trờn hỡnh 2.2 c vẽ lực điện từ tổng F khicung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từ tổng Fnằm 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 (sốcuộn dây được cấp điện thay đổi từ chẵn sang lẻ rồi từ lẻ sang chẵn) thì số vị trícân bằng của rụto sẽ tăng lên gấp đôi là 2m, độ lớn của một bước sẽ giảm đi bằng 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 3600 là :
– m : số pha (số cuộn dây điều khiển trên stato)
– p: số đôi cực của rụto
– n1: hệ số; n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng
n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng
– n2 : hệ số; n2 = 1 điều khiển bằng xung một cực
n2 = 2 điều khiển bằng xung hai cực
Bước quay của rụto trong không gian là α =
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 cơđồng bộ thường cú cựng cấu trúc
Trang 10Trong động cơ bước được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ dòngđiện trong các cuộn stato là hằng số:
– α : góc giữa trục cặp cực với trục của cuộn dây pha
– θ : góc giữa trục cặp cực và đường vuông góc với trục của cuộn dây pha.Khi θ thay đổi cùng với sự thay đổi khe hở không khí giữa các răng của stato
và rụto làm cho điện cảm L thay đổi dẫn đến từ thông Φ thay đổi và do đómụmen của động cơ cũng thay đổi
Phần lớn các động cơ bước hiện nay đều có cấu tạo rụto không có cuộn kíchthích Biểu thức mụmen cú dạng sau:
Hình 2.4 vẽ đường cong mụmen tổng M = f(θ) ( đường nét liền) và các thànhphần điều hoà của nó (đường nét đứt):
Trang 11Hình 2.4 Đường cong mụmen của động cơ bước theo góc quay θ
Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường congmụmen đồng bộ M = f(θ), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đường congnày (phần nét đậm trờn hình 2.4) Độ dốc của đường M = f(θ) trong vùng nàycàng lớn thì suất mụmen càng lớn và khả năng đồng bộ của động cơ bướccàng 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 2.5 biểu diễn mối quan hệ giữa các vecto lực điện từ F1, F2 của hai cuộndây 1 và 2 khi được cấp dòng điện đơn cực và vectơ lực điện từ tổng F
Hình 2.5 Giản đồ nguyên lý lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước
– F1, F2 : lực điện từ tác động lờn rụto khi cuộn dây 1, dây 2 được kớch thớch
Trang 12– F : lực điện từ tổng.
– α : góc bước
– β : góc cần điều khiển (góc vi bước)
Nếu ta điều khiển sao cho F1 và F2 có trị số khác nhau thì lực điện từ tổng F sẽ
có hướng thay đổi trong khoảng góc bước α và do đó vị trí của rụto thay đổi được
và có thể cố định được vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bước α
Từ giản đồ nguyên lý lực điện từ khi điều khiển ở chế độ vi bước (hình 2.5) tacó:
AB2 = OA2 + OB2 – 2.OA.OB.cos α (2.5)OC2 = OA2 + OB2 + 2.OA.OB.cos α (2.6)
AB2 = 4.OA2 + OC2 - 4.OA.OC.cos β (2.8)
Tổng quát : cos β = (2.10)
Từ công thức tổng quát ta suy ra các trường hợp sau:
* Điều khiển cả bước:
– Đầu tiên cho F2 = 0 và F1 = F, cosβ = F/F = 1 nên β = 0, rụto ở vị trí trục cuộndây 1
– Rồi cho F1 = 0 và F2 = F, cosβ = cosα hay β = α , rụto ở vị trí trục cuộn dây 2
* Điều khiển nửa bước:
– Đầu tiên cho F2 = 0 và F1 = F, rụto ở vị trí trục cuộn dây 1
– Tiếp theo cho F1 = F2 = F
cos β = (2.11)
Trang 13cosβ = cos(α/2); β = α/2; rụto ở vị trí chính giữa góc α.
– Sau đó cho F1 = 0 và F2 =F, rụto sẽ ở vị trí trục của cuộn dây thứ 2
Trong trường hợp này rụto sẽ chuyển động từng bước θ = α/2,( β = 0, α/2,α)
* Điều khiển vi bước:
Nếu ta điều khiển sao cho lực F1 giảm dần theo từng bước từ F đến 0 và lực F2tăng dần từng bước từ 0 đến F thỡ rụto sẽ quay từng bước từ vị trí OA đến OB.Thực tế, để rụto có thể quay được các bước đều,chẳng hạn vi bước θ (θ = α/n),
ta phải 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.Việcđiều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của xung điều khiển:– Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là điện áp U)
– Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bước)
– Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay)
– Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha được cấp (liênquan đến chiều quay và mụmen tải)
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau:
* Trạng thái không hoạt động:
Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
– Đối với động cơ phản kháng, rụto sẽ quay trơn
– Đối với động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ kiểu hỗn hợp: cú mụmenhãm , rụto có xu hướng dừng ở các vị trí mà đường khép từ thông giữa các cựccủa rụto và stato là nhỏ nhất
Trang 14* Trạng thái giữ:
Khi một số cuộn dây pha được cấp điện một chiều Rụto mang tải sẽ được giữchặt ở vị trí góc bước nhất định do lực điện từ tổng F sinh ra mụmen giữ
* Trạng thái dịch chuyển bước:
Rụto sẽ dịch chuyển từ vị trí bước đang được giữ sang vị trí bước tiếp theo khicác cuộn dây pha được cấp dòng phù hợp
* Trạng thái quay quá giới hạn:
Trong chế độ không tải, nếu xung điều khiển có tần số quá cao, động cơ sẽquay vượt tốc Ở trạng thái này động cơ không thể đảo chiều, không thể dừngđúng vị trí, nhưng vẫn có thể tăng và giảm tốc từ từ Muốn dừng và đảo chiềuđộng 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 đếngiá trị cực đại cho phép
Do tính chất đặc biệt, động cơ bước có thể dừng đột ngột ở bất kỳ vị trí nàotrong độ phân giải của góc bước khi đang quay với bất kì tốc độ nào trong dải tốc
độ cho phép Động cơ bước ít được dùng cho các thiết bị cần quay đều mà nóđược sử dụng chủ yếu cho điều khiển thích nghi (tốc độ quay biến đổi liên tục,thậm chí động cơ phải dừng và đứng yên ở vị trí bám sát)
Vận tốc quay của động cơ bước được hiểu là vận tốc trung bình Trong khoảngthời gian t giây ta thực hiện được n lần dịch bước thì tần số dịch bước là f = n/t.Giả sử góc bước của động cơ là θ0 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 :
V = ( vòng/giây) = ( vũng/phỳt) (2.12)
Việc điều khiển động cơ bước được thực hiện bằng cách thay đổi tần số dịchbước f Việc điều khiển này được thực hiện bởi các bộ vi xử lý Việc lựa chọn tải
Trang 15trọng và vận tốc quay cực đại phải được tính toán trước khi thiết kế hệ truyềnđộng 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 dòngđiện cấp vào mà nó phụ thuộc vào thứ tự chuyển dịch của các bước Khi rụtođang ở vị trí n, nếu ta cấp điện sao cho nó chuyển sang vị trí (n + 1) thì động cơquay phải; nếu ta cấp điện sao cho rụto chuyển sang vị trí (n – 1) thì động cơquay trái Bộ tạo xung điều khiển sẽ thực hiện việc này
Chiều quay của động cơ bước được xác định bằng thứ tự chuyển dịch các trạngthái cấp điện của các cuộn dây stato Với động cơ 2 pha, nếu điều khiển cả bước,
có 4 trạng thái cấp điện, nếu điều khiển nửa bước sẽ có 8 trạng thái cấp điện.Với động cơ 4 pha, nếu cấp xung 1 cực thì cũng có 4 và 8 trạng thái cấp điệnvào các cuộn dây cho 2 trường hợp điều khiển cả bước và nửa bước
Bảng 2.1 Trạng thái cấp điện các pha của động cơ 4 pha
từ trái qua phải thì động cơ quay phải
Trạng
thái
Cuộn
dây
