Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục

Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất

1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển 7

1.2 Cơ sở của máy CNC 8

1.3 Đặc điểm và phân loại 9

II Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số 10

2.1 Chương trình gia công một chi tiết 10

2.2 Khối điều khiển 10

2.3 Điều khiển logic 10

2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 11

III.Hệ thống tính toán và điều khiển 12

3.1.Khái niệm và phân loại 12

3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC 12

3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC 15

3.4 Hệ DNC 16

3.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS 16

Kết luận chương I 17

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 18

I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống 18

II.Động cơ AC Servo 19

2.1.Động cơ AC Servo 19

2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo 21

III.Mạch điều khiển AKZ250 22

3.1.Giới thiệu mạch AKZ250 22

3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250: 23

3.3.Cài đặt và ứng dụng 24

IV.Biến tần và trục chính 28

4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính 28

4.2.Tìm hiểu về biến tần 28

V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện 30

5.1 Thiết bị đo tốc độ 30

5.2 Thiết bị đo vị trí 31

5.3.Công tắc hành trình 31

5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy 31

5.5 Nút dừng khẩn 32

5.6 Đèn báo hiệu 32

5.7 Nguồn DC 32

VI Mô đun thay dao tự động 33

6.1.Xylanh khí nén 34

6.2.Cơ cấu quay đài dao 35

6.3.Thuật toán điều khiển cụm thay dao 37

Kết luận chương 2 39

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 40

I Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống 40

1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển 40

1.2.Động cơ bước 41

1.3.Driver động cơ bước 44

1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính 56

II Thiết kế mạch điều khiển CNC tương thích với phần mềm Mach3 64

2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC 64

2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC 66

2.3.Sử dụng các cổng ra vào và cài đặt trên Mach3 67

Kết luận chương 3 72

CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 73

I.Chế tạo 74

II Lập trình gia công sản phẩm 80

Kết luận chương 4 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

Phụ Lục 88

1.5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 11

3.2 Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực 42

3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC 69

4.18 Khung điều khiển quá trình gia công 84

Lời nói đầu

Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạy được” Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết

kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ

đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước

Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế

và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu

ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự động

em chưa thể hoàn thiện Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy

cô để hoàn thiện hơn để tài

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Lâm và thầy Bùi Văn Hạnh, các thầy cô trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, 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 công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên 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 ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không

vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng là cao nhất Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8bit cho đến nay đã đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử lý

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 Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm 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

Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC

1.2 Cơ sở của máy CNC

Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn

máy và của dụng cụ cắt Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy

CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải

Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo

các trục tương ứng Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z Một điểm

trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó

lên ba trục X, Y, Z

Hình 1.4 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các

1.3 Đặc điểm và phân loại

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau

- Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện

- Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo

- Hệ thống định vị : Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp

- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín

- Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng,

có thể được chia thành các nhóm sau:

-Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài

-Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi

-Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các

bề mặt và các goc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp

-Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ

-Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa

II Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số

2.1 Chương trình gia công một chi tiết

Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin ( băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số liệu về dụng cụ cắt được nạp vào từ bẳng điều khiển

Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang

hệ điều khiển số của từng trạm gia công ( hệ DNC)

2.2 Khối điều khiển

Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ

sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài

Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của các trục

Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và điều khiển tốc độ các trục

2.3 Điều khiển logic

Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối

đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ.Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như : Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le

Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC

1.Màn hình 2.Bảng điều khiển 3.Mạch ghép nối 4.Tay quay điện tử

Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống

Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống

Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy,

do chi tiết mà phải mở cửa làm việc

Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU

III.Hệ thống tính toán và điều khiển

3.1.Khái niệm và phân loại

Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.6 Giai đoạn đầu tiên,

những thông tin về kích thước đông nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình, sau đó là cộng việc lập trình điều khiển

Hình 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu điều khiển các hệ truyền động điện tự động

Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: Nc và CNC

Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sao cho chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào

bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiển công nghệ như tốc độ cắt,xoay chi tiết, thay dao

3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC

3.2.1 Chuẩn bị chương trình bằng tay

Nhưng thông tin cần thiết đê chuẩn bị chương trình là: Bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ Người soạn thảo chương trình phải chuyền thông tin đó thành các chương trình điều khiển số cho máy gia công

Hình 1.7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

+ Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ ban đầucần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công

+ Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ) Nếu như dùng phương pháp gần đúng thì phải tính sai số

+ Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt, thành lập biểu đồ công nghệ

3.2.2 Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo Ngày nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính Đặc trưng của lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng

Hình 1.8.Lưu đồ lập trình bằng máy

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bằng tay

- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công

- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện

- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán

đơn giản dễ sử dụng

2 Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công

3.Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra

4 Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể

3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC

Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình Ngoài ra nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích

để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN Bảng điều khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công

Hình 1.9 Cấu trúc của hệ CNC

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ

Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh tốc độ ) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình

3.4 Hệ DNC

Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký tự

số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác Trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong muốn và giá trị thực

Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online) nhiều máy CNC với một máy tính

3.5 Hệ thống gia công linh hoạt FMS

Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do

Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong

hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC

và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt Máy CNC có nhiều chủ ng loại khác nhau, mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất

cả các loại máy CNC đều bao gồm : Phần xử lý trung tâm (Giao diệ n người máy

và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo , động cơ servo , phản hồi tốc độ , vị trí Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, ngày nay hầu hết người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên trong nước nói chung và sinh viên đại học Bách Khoa nói riêng, thì việc nghiên cứu chế tạo một máy CNC điều khiển vòng kín với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy CNC tiêu chuẩn

là rất khó Vì giá thành động cơ Servo và hệ thống dẫn động vít mebi rất đắt và điều khiển nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy CNC đối với sinh viên là rất khó

Trong đồ án này em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong

hệ thống điều khiển của máy CNC tiêu chuẩn Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô hình máy phay CNC 3 trục cỡ nhỏ Mục tiêc của em trong đồ án này là chế tạo được

mô hình máy CNC 3 trục hoạt động tốt và có thể gia công được những vật liệu có

độ cứng vừa phải như nhôm, gỗ, nhựa Máy có thể nhận file G-code và có thể lập trình bằng tay trên phần mềm điều khiển Các sản phẩm có thể phay ra là các bức tranh 3D trên gỗ và trên nhựa

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC

3 TRỤC

I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống

Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết kế như sau

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục sử dụng mạch điều khiển AKZ250

- Công tắc hành trình và các cảm biến: bảo vệ và cảnh cáo về hệ thống khi có sự cố hoặc bàn máy chuyển động quá hành trình cho phép

II.Động cơ AC Servo

2.1.Động cơ AC Servo

Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ điều khiển điện, hiện nay chuyển động chạy dao trong máy công cụ điều khiển số dùng khá phổ biến động cơ AC Servo Hình 2.2 chỉ ra cấu tạo của động cơ AC Servo

Hình 2.2 Động cơ AC Servo

Khi lưa chọn động cơ người thiết kế phải xem sét nhiều yếu tố và các đặc trưng về dải tốc độ, sự biến đổi momen tốc độ, tính thuận nghịch, chu kì làm việc, momen khởi động và công suất yêu cầu

Đặc biệt lưu ý tới đường cong momen tốc độ động cơ bởi vì các đường cong này cho ta những thông tin quan trọng.Để lựa chọn lựa công suất chúng ta cần chọn lưạ các vấn đề sau:

a.Momen khởi động động cơ

Momen ở tốc độ quay bằng 0 được gọi là momen khởi động cơ Để động cơ

tự khởi động được, động cơ phải sinh ra momen lớn hơn momen ma sát và momen tải đặt lên trục của nó Nếu gọi a là gia tốc góc của động cơ và đuợc đo bằng Rad/s2,

Tm là momen động cơ, Ttải là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán tính của Rôto và tải ta có quan hệ:

a = (Tm-Ttải)/J

b.Tốc độ cực đại của động cơ

Là tốc độ quay lớn nhất khi momen động cơ bằng 0 Tốc độ này gọi là tốc độ không tải

c.Công suất yêu cầu tải

Cần chọn động cơ sao cho có thể đáp ứng tốt được yêu cầu tải trong chu kỳ làm việc, nghĩa là công suất động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất tải

d độ phân giải của encoder

Độ phân giải của encoder hay là cố xung trên một vòng quay mà encoder nhận được, điều này có ý nghĩa trong việc điểu khiển và giám sát vị trí góc quay của động cơ Độ phân giải của encoder sau động cơ càng lớn thì cấp chính xác hệ thống càng cao

2.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo của một động cơ Servo được thể hiện trong hình 2.3 Một động cơ AC Servo thường có 2 bộ phận chính, một là động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ 3 pha, hai là encoder Encoder được gắn liền với động cơ và nhận tín hiệu về vị trí cũng như tốc độ để phản hồi đến driver Servo

Hình 2.3 Cấu tạo động cơ Servo

Hình 2.4 Driver servo và động cơ Servo

Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver

Hình 2.5 Driver Servo của Mishubishi

III.Mạch điều khiển AKZ250

3.1.Giới thiệu mạch AKZ250

Mạch AKZ250 là mạch kết nối giữa phần mềm điều khiển ( phần mềm Mach3) trên máy tính và các phần tử điều khiển như driver điều khiển động cơ bước hoặc Servo, ngoài ra còn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và công tắc hành trình và đưa về phần mềm sử lý

Hình 2.6: Mạch AKZ250

3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250:

- Hỗ trợ giao tiếp với tất cả các phiên bản của phần mềm Mach3, bao gồm cả phiên bản Mach3 R3.042.040

- Tương thích với Windows2000/XP/Vista/win 7

- Không cần cài đặt thêm bất cứ USB driver nào thêm cho máy tính, có thể sử dụng ngay sau khi cắm vào máy tính

- Tương thích hoàn toàn với mọi cổng USB, mạch liên tục giám sát trạng thái của cổng USB

- Bù được các thiết sót và sai lệch của phần mềm Mach3

- Tần số dao động tối đa là 200KHz, thích hợp cho động cơ Servo cũng như động

cơ bước

- Có các đèn LED báo trạng thái kết nối cổng USB và trạng thái hoạt động của mạch

- Có 16 đầu ra cho các mục đích khác nhau

- Tốc độ chạy dao và tốc độ trục chính có thể được điều khiển bởi núm điều khiển

- Cấp nguồn qua cổng USB, không cấp cần nguồn nuôi riêng

Tất cả các tín hiệu ra từ Mach3 cần được cài đặt ở chế độ tích cực thấp

3.3.1 Chân đầu ra tín hiệu điều khiển động cơ các trục tọa độ.

Hình 2.7 : Chân điều khiển các trục

Mạch AKZ250 hỗ trợ tối đa là điều khiển 5 trục tọa độ Với phiên phản như hình vẽ thì chỉ điểu khiển được tối đa 4 trục tọa độ là X, Y,Z và A Mạch AKZ250

hỗ trợ điều khiển động cơ bước và động cơ Servo

Trên board mạch có chú thích rõ ràng về các tín hiệu điều khiển cho từng

trục X, Y, Z, A Với mỗi trục ta có 2 tín hiệu điều khiển, một là tín hiệu xung Step

cung cấp đến driver động cơ để điều khiển tốc độ động cơ, tín hiệu còn lại là tín

hiệu Direct điểu khiển hướng quay của động cơ Tất cả các tín hiệu điều khiển từ

AKZ250 đều phải đưa qua driver động cơ mới có thể điều khiển được động cơ vì tín hiệu ra chỉ là tín hiệu điểu khiển với mức điện áp 5V

Tín hiệu ra điều khiển động cơ được tạo ra qua IC6N137 như hình vẽ

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính

3.3.2 16 đầu và đa mục đích

Trên mạch AKZ250 có 16 đầu vào để người dùng sử dụng với các mục đích khác nhau, với mỗi mục đích sử dụng cho mỗi đầu vào ta phải cài đặt để hệ thống nhận biết mục đích sử dụng, việc cài đặt mục đích đầu vào được thực hiện trên phần mềm điều khiển Ở đây ta sử dụng phần mềm Mach3 Chi tiết phần cài đặt hệ thống trong Mach3 được để cập chi tiết trong phần tiếp theo

Hình 2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250

Các mục đích sử dụng cho các cổng vào thường thấy như tín hiệu tạm dừng chương trình, tín hiệu từ các cảm biến, công tắc hành trình

Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 được trình bày như hình bên dưới

Hình 2.10 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250

3.3.3 8 đầu ra đa mục đích

Các đầu ra của AKZ250 được dùng để điều khiển đóng mở các thiết bị ngoại vi,

các công tắc tơ, hay bật tắt các đèn báo trạng thái toàn hệ thống Dưới đâu là vị trí đầu ra trên AKZ250 và cấu tạo mỗi chân ra

Hình 2.11 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250

Hình 2.12 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250

Tại mỗi cổng ra của AKZ250 được các ly với toàn bộ mạch chính bởi một photo transistor Photo transistor này có tác dụng bảo vệ cho mạch chính khi đầu vào từ mạch ngoài gặp sự cố như đoạn mạch hay chập mạch Tín hiệu ra qua photo transistor rồi đi qua cặp transistor để khuếch đại tín hiệu cho đầu ra

Các cổng ra trên mạch AKZ50 cần được cài đặt trên phần mềm điều khiển khi được sử dụng cho mỗi mục đích khác nhau

3.3.4 Đầu ra tín hiệu xung điều khiển trục chính

Dưới đây và vị trí đầu ra điều khiển trục chính và các đi dây từ mạch AKZ250

ra biến tần để điểu khiển trục chính

Hình 2.13 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần

Để điều khiển biến tần ta cần sử dụng chân tạo dao động PWM và hai chân đầu ra từ 8 đầu ra của AKZ20 để bật tắt trạng thái biến tần

IV.Biến tần và trục chính

4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính

Động cơ trục chính thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ 3 pha,

sở dĩ loại động cơ không đồng bộ ba pha hay được chọn để làm động cơ trục chính

vì loại động cơ này có dải công suất lớn từ vài trăm woat đến vài trăm kilowat, một

lý do nữa để chọn động cơ không đồng bộ ba pha là giá thành rẻ hơn nhiều so với động cơ đồng bộ cùng công suất

Công thức tính tốc độ động cơ:

𝜔 = 2𝜋 𝑓

𝑛 𝑠 Trong đó: ω là tốc độ roto động cơ

4.2.Tìm hiểu về biến tần

Biến tần là thiết bị biến đổi tần số, điện áp với mục đích chính thay đổi momen

để đạt được tốc độ mong muốn cho động cơ xoay chiều ba pha

Về phân loại biến tần ba pha gồm có hai loại :

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp: - Biến tần nguồn dòng

- Biến tần nguồn áp

số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr thay đổi, qua khâu trung gian một chiều Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các thiết bị nghịch lưu

4.2.1.2 Các khâu cơ bản

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khâu cơ bản

1.Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều

2.Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu 3.Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ

Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc Transitor công suất

Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp.

Do tính chất khác nhau của các khâu trung gian ta có hai loại biến tần là biến tần áp và biến tần dòng

4.2.2.Biến tần Siemens

Hình 2.15 Biến tần của hãng SEIMENS

Biến tần của hãng SEIMENS có 3 dòng phổ biến ở Việt Nam là MM410, MM420 và MM440 Với nhu cầu điểu khiển tốc độ của một động cơ trục chính nên

ta chọn loại MM410 là đủ để đáp ứng yêu cầu điều khiển

Thông số kỹ thuật của biến tần SEIMENS MM410

- Điện áp: 220V-240V

- Công suất 120W-750W

- Tần số điện vào : 47-63Hz

- Tần số điện ra 0 đến 650Hz

- Các đầu vào số: 3 đầu vào lập trình được, chung đất phù hợp với PLC

- Các đầu vào tương tự: 1 đầu vào dùng cho điểm đặt

- Các đầu ra rơ le : 1, tùy chọn chức năng 30VDC/5A hay 250VAC//2A

- 1 cổng giao tiếp nối tiếp RS-485 USB

V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện

5.1 Thiết bị đo tốc độ

Thiết bị đo tốc độ để đo tốc độ quay thực của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi tốc độ của động cơ về bộ điều chỉnh tốc độ Tín hiệu phản hồi này được so sánh với tốc độ đặt của động cơ, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ Để

của bàn theo trục X trên hình 2.1) Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường

phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định toạ độ chính xác của các trục máy

Hình 2.16 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC

Các dụng cụ này đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định toạ độ thực tế tức thời của các trục toạ độ Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ Tín hiệu đầu ra của các thiết bị này được đưa về so sánh với các giá trị đặt của vị trí, kết quả được đưa vào các đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí

5.3.Công tắc hành trình

Là thiết bị để bảo vệ máy khi bàn máy trượt quá hành trình cho phép, khi chạm công tắc hành trình mạch điện ngoài sẽ bị ngắt và bàn máy ngừng chuyển động, trành va chạm vào các chi tiết khác trong hệ thống

Hình 2.17 Công tắc hành trình D4MC-5000

5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy

Nút nhấn không đèn, nhấn giữ, Ø 22 YW1B-A1E11 ( B, G, R, Y, W, S )

Encod

Y

Z

X

Hình 2.22 Sơ đồ modul thay dao tự động

Các thông số của cụm thay dao:

- Số dao đài dao chứa : 8

- Đường kính lớn nhất của dao : 30(mm) Lấy theo đường kính của dao phay mặt đầu

- Loại chuôi dao : BT30

- Chiều cao chuôi dao : 85(mm)

- Khối lượng dao : 0.5 kg

- Hành trình dân đài mang dao L = 250 mm

Để điều khiển bộ phận thay dao tự động ta phải thiết kết mạch vi điều khiển ngoài, mạch vi điều khiển này có chức năng nhận số dao cần thay từ bàn phím sau

đó ra lệnh thay dao đến các cơ cấu chấp hành Sau khi kết thúc quá trình thay dao, mạch vi điều khiển này báo đến mạch AKZ250 và chương trình gia công tiếp tục

thực hiện Khi có lệnh tiếp theo thì AKZ250 lại gửi tín hiệu đến bộ điều khiển thay dao và chương trình gia công dừng cho đến khi nhận lệnh thay dao tiếp theo

6.1.Xylanh khí nén

Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tịnh tiến của Tang

về phía trục chính.Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thực hiện quá trình chuyển động thẳng nên để tạo ra chuyển động của Tang về phía trục chính ta dùng hệ thống xylanh khí nén

a Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

Hình 2.23 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén

Nguyên lý hoạt động :

Khi có lệnh thay dao, tín hiệu sẽ được truyền xuống động cơ khí nén sẽ hoạt động Khi đó bơm khí nén 2 sẽ hút không khí từ ngoài qua van lọc thô 1 và đầy với

áp suất pb được đo trên đồng hồ đo áp 3 qua hệ thống van lọc tinh 4, van điều áp 5

và van tra dâu 6 với áp suất p1 Dòng khí sẽ qua van đảo chiều 4/3 được điều khiển bằng điện từ qua đường ống dẫn khí lên xylanh-piston 8 tạo ra chuyển động đài dao tiến vào và lui ra xa trục chính

Quá trình chuyển động của piston được điều chỉnh nhờ van đảo chiều 5 Khi van đảo chiểu ở vị trí (a) nguồn khí nén sẽ từ cửa P của van đi qua cửa A và dẫn lên buồng A của xylanh với áp suất p đầy piston di chuyển sang phái với vận tốc vo, dòng khí bên buồng B sẽ truyền qua các ống dân khí về của B của van đảo chiều và

Sau khi thực hiện qúa trình thay dụng cụ ở trục chính, tin hiệu được truyền

về van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị trí (b) Khi đó dòng khí nén từ nguồn khí truyền từ cửa P sang cửa B của van và được dẫn lên buồng B của xylanh với áp suất đẩypiston di chuyển sang trái Dòng khí từ buồng A của xylanh được dẫn về cửa A và qua cửa T của van đảo chiều ra ngoài Piston di chuyển với hành trình Lxl được đo bằng cảm biến vị trí, tín hiệu từ cảm biến sẽ qua xử lý và truyền

về dừng động cơ Quá trình dẫn động khí nén kết thúc

6.2.Cơ cấu quay đài dao

Để dẫn động cho đài chứa dao, ta sử dụng cơ cấu Mante và động cơ dẫn động cho

cơ cấu Mante là động cơ bước

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1 Chuyển động gián đoạn của đĩa O1 chính

là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8, ,16,18,20,22,24

Với hệ thống thay dao gồm có 8 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh

Hình 2.25 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Động cơ bước quay đài dao:

Ta chọn động cơ bước để quay đài dao vì động cơ bước có nhiều ưu điểm riêng phù hợp với yêu cầu chế tạo của đồ án Do đài quay dao không hoạt động liên tục khi gia công, mạch điều khiển động cơ bước đơn giản mà có thể điểu khiển chính xác từng góc bước, hơn nữa giá thành của động cơ bước rất rẻ so với động

cơ Servo

Động cơ bước được sử dụng là loại động cơ bước lưỡng cực kiểu lai

Về chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước được trình bày

cụ thể trong chương III



 

 



Hình 2.26 Sơ đồ thuật toán trả dao

6.3.2: Sơ đồ lấy dao

Hình 2.27: Sơ đồ thuật toán lấy dao

tìm mua và giá thành cũng không cao

Trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC 3 trục em nhận thấy

để có một hệ thống điều khiển ổn định và đảm bảo độ chính xác trên thực tế là rất khó Trước nhất độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào kết cấu cơ khí, tuy nhiên quy trình công nghệ gia công cơ khí của ta phần lớn chưa đạt độ chính xác để thi công chế tạo máy công cụ CNC sử dụng cho lĩnh vực cơ khí chế tạo

Về kết quả thu được sau nhiều tháng tìm hiểu, thiết kế và đi vào chế tạo mô hình,

em nhận thấy hệ thống điều khiển em thiết kế có thể ứng dụng tốt hơn rất nhiều trong các máy CNC gia công gỗ, máy cắt chữ CNC, máy khoan mạch CNC, cũng như mô hình để sinh việc học tập và nghiên cứu Còn thực tế để áp dụng vào việc gia công cơ khí thì còn rất nhiều bất ổn, như đã đề cập ở trên, nếu ta dùng một máy công cụ có độ chính xác cơ khi chưa đảm bảo để gia công chế tạo những máy công

cụ khác thì cấp độ sai số sẽ rất lớn

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY

I Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống.

1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC

Các phần tử trong hệ thống:

- Phần mềm Mach3 và máy tính: Có vai trò như bộ điều khiển CNC, điều khiển

toàn hệ thống

- Mạch đệm LPT: có nhiệm vụ kết nối bộ điều khiển với các thiết bị điều khiển

- Động cơ bước và driver động cơ bước: Dẫn động các bàn máy để hình thành quỹ

đao chuyển động của đầu gia công

- Trục chính: động cơ AC 1 pha Tạo chuyển động cắt