Báo cáo đồ án tốt nghiệp: Máy phay CNC mini v2

Để có thể hiểu sâu hơn về chuyên ngành cũng như kiến thức thực tế nhóm tác giả đã đăng ký làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế bộ điều khiển máy CNC công nghiệp dùng vi điều khiển

Giáo viên hướng dẫn: ThS Bùi Mạnh Cường

1 Tên đề tài tốt nghiệp :

“Thiết kế bộ điều khiển máy CNC công nghiệp dùng vi điều khiển”

2 Các số liệu ban đầu (nếu có)

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Tổng quan về máy phay CNC mini

- Mở rộng: Xây dựng kết cấu cơ khí cho mô hình máy phay CNC mini

- Thiết kế mạch điều khiển cho máy phay CNC mini

- Lập trình cho máy phay CNC mini

- Kết luận và kiến nghị

4 Số lượng các phần mềm, bảng biểu, bản vẽ (kích thước A0)

- Sử dụng phần mềm Altium Designer và proteus để vẽ mạch và mô phỏng

- Sử dụng phần mềm PIC C Compiler để lập trình cho bộ điều khiển

- Sử dụng phần mềm LinuxCNC để điều khiển máy CNC mini

- 45 hình vẽ

5 Ngày giao nhiệm vụ: 09/03/2014

6 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/05/2014

BAN CHỦ NHIỆM KHOA

(Ký và ghi rõ họ tên) GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)

GVHD : ThS Bùi Mạnh Cường

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước ta đang bước vào thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

với những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn Điều này đặt ra

cho thế hệ trẻ - những chủ nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề

Sự phát triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong

lĩnh vực điện – điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày

Điều khiển Tự Động là một trong những ngành mới, đang có đà phát triển một

cách tích cực trong nền công nghiệp nước nhà, chính vì vậy chúng em những kỹ sư

tương lai của đất nước đang nghiên cứu trên ghế nhà trường, đều ý thức một cách rõ

ràng về Điều Khiển Tự Động Để có thể hiểu sâu hơn về chuyên ngành cũng như kiến

thức thực tế nhóm tác giả đã đăng ký làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế bộ

điều khiển máy CNC công nghiệp dùng vi điều khiển”, đây là một đề tài rất hay là

một ví dụ điển hình tổng hợp các kiến thức về cơ khí, kỹ thuật điều khiển

GVHD : ThS Bùi Mạnh Cường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, trước hết chúng em xin gửi lời cảm ơn chân

thành tới các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp nói chung và các thầy

cô giáo khoa Điện tử, bộ môn Đo lường – Điều khiển nói riêng đã tận tình giảng dạy,

truyền đạt cho chúng em những kiến thức, kinh nghiệm quý báu, và đã tạo điều kiện

thuận lợi để chúng em hoàn thành tốt khóa học

Đặc biệt, chúng em xin trân trọng cảm ơn giảng viên hướng dẫn - ThS Bùi Mạnh

Cường,ThS.Nguyễn Văn Chí ,hai thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng

dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc

với thầy, chúng em không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích mà còn học tập

được tinh thần làm việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là

những điều rất cần thiết cho chúng em trong quá trình học tập và công tác sau này

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, chúng em còn nhận được rất nhiều sự

giúp đỡ, hỗ trợ và động viên của quý thầy cô, gia đình và bạn bè Chúng em xin bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc

Do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên đồ án tốt

nghiệp của chúng em không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận

được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô để kiến thức của chúng em trong lĩnh

vực này được hoàn thiện hơn

Sau cùng, chúng em xin kính chúc quý thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, niềm tin

để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai

sau

Chúng em xin trân trọng cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 05 năm 2014

Sinh viên thực hiện

Mè Hải Anh - Phan Mạnh Cường

GVHD : ThS Bùi Mạnh Cường

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 13

1.1 Giới thiệu chung về máy CNC 13

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC 13

1.1.2 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC 14

1.2 Giới thiệu chung về máy phay CNC 15

1.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta 15

1.2.2 Phân loại máy phay CNC 15

1.2.3 Giới thiệu về một số mẫu mã máy phay CNC đang có trên thị trường 16

1.3 Các phương pháp điều khiển trên máy CNC 17

1.3.1 Điều khiển 2D 17

1.3.2 Điều khiển 21/2D 17

1.3.3 Điều khiển 3D 18

1.4 Cấu trúc tổng thể máy CNC mini 18

1.4.1 Phần điều khiển 18

1.4.2 Phần chấp hành 19

1.5 Hệ trục tọa độ trên máy CNC 19

Chương 2 21

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG KẾT CẤU MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC MINI 21 2.1 Chọn phương án cho chuyển động chạy dao 21

2.1.1 Phương án cho chuyển động chạy dao 21

2.1.2 Chọn phương án cho chuyển động chạy dao 22

2.1.3 Các thông số kỹ thuật cho máy 23

2.2 Sơ đồ động học máy 23

2.2.1 Sơ đồ kết cấu dẫn động theo 3 trục X, Y và Z 23

2.2.2 Lựa chọn bộ truyền vít me – đai ốc 24

2.2.3 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động 25

2.2.4 Chọn các bộ phận khác của máy 26

2.3 Các loại động cơ được sử dụng trong máy CNC 26

2.3.1 Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC mini 26

2.3.2 Động cơ chấp hành một chiều 27

2.3.3 Động cơ bước 28

2.3.4 Động cơ Servo 34

2.3.5 Động cơ điện xoay chiều 36

2.3.6 Chọn động cơ cho mô hình thiết kế 36

Chương 3 XÂY DỰNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH CÔNG SUẤT 39

3.1 Tìm hiểu một số mạch có trên thị trường 39

3.1.1 Mạch dùng chip TB6560 39

3.1.2 Mạch dùng chip L297 – L298 40

3.2 Xây dựng bộ điều khiển 40

3.2.1 Sơ đồ khối nguyên lý 41

3.2.2 Nguyên lý hoạt động 41

3.3 Xây dựng mạch điều khiển 42

3.3.1 Chức năng, nhiệm vụ 42

3.3.2 Chọn Vi điều khiển 42

3.3.3 Sơ đồ nguyên lý 43

3.3.5 Mô tả 44

3.4 Xây dựng mạch công suất 45

3.4.1 Nguyên lý điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực (Unipolar stepping motor) 45

3.4.2 Xây dựng được sơ đồ nguyên lý mạch công suất 45

3.4.3 Hình thực tế mạch công suất 46

3.4.4 Giải thích hướng chọn các linh kiện 46

3.4.5 Mô tả mạch công suất 47

Chương 4 49

LẬP TRÌNH CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT NỐI MÁY TÍNH 49

4.1 Sơ đồ điều khiển 49

4.1.1 Kết nối bộ điều khiển với máy tính thông qua cổng LPT 49

4.1.2 Nguyên lí điều khiển 51

4.2 Phần mềm điều khiển 51

4.2.1 Giới thiệu về LinuxCNC 51

4.2.2 Cài đặt thông số 51

4.3 Sơ lược trình tự gia công 56

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

5.1 Kết quả đạt được 59

5.1.1 Mô hình máy tổng thể 59

5.1.2 Kết quả thử nghiệm 60

5.2 Kết luận 61

5.2.1 Ưu điểm 61

5.2.2 Nhược điểm 61

5.3 Kiến nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 65

Code lập trình 65

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Máy CNC XK 16

Hình 1.2 Loại máy phay CNC kiểu Router 16

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC 18

Hình 2.1 Mô phỏng phương án 1 21

Hình 2.2 Mô phỏng phương án 2 22

Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu bàn máy 23

Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu dẫn động trục Z 24

Hình 2.5 Sơ đồ kết cấu dẫn động trục chính 24

Hình 2.6 Vít me đai ốc thường 25

Hình 2.7 Bi trượt và thanh trượt 26

Hình 2.8 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu 30

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu 30

Hình 2.10 Động cơ bước có từ trở thay đổi 31

Hình 2.11 Động cơ bước hỗn hợp 32

Hình 2.12 Cấu trúc trong động cơ lai 33

Hình 2.13 Kết cấu thực tế của động cơ lai 33

Hình 2.14 Động cơ DC servo 34

Hình 2.15 Động cơ DC trục chính 37

Hình 2.16 Thông số động cơ bước 38

Hình 3.1 Mạch điều khiển động cơ bước TB6560 39

Hình 3.2 Nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước dùng L297 – L298 40

Hình 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều khiển 41

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất spindle 42

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 43

Hình 3.6 Mạch in thực tế của mạch điều khiển 44

Hình 3.7 Nguyên lý điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực 45

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 45

Hình 3.9 Hình thực tế mạch công suất 46

Hình 3.10 Thông số Mosfet IRF540 46

Hình 3.11 Nguyên lý cổng logic AND 48

Hình 4.1 Sơ đồ kết nối và điều khiển 49

Hình 4.2 Sơ đồ chân LPT 50

Hình 4.3 Tạo một cài đặt mới 52

Hình 4.4 Trang thông tin cơ bản 53

Hình 4.6 Thông số trục X 54

Hình 4.7 Thông số trục Y 54

Hình 4.8 Thông số trục Z 55

Hình 4.9 Thông số Spindle 55

Hình 4.10 Hoàn tất cài đặt 56

Hình 4.11 Giao diện chương trình 56

Hình 5.1 Tủ điện máy CNC 59

Hình 5.2 Mô hình máy tổng thể 60

Hình 5.3 Sản phẩm thực tế 60

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, thế giới cũng vừa trải qua cuộc khủng hoảng kinh tế trầm trọng đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến nền công nghiệp toàn cầu Chính vì thế, việc ứng dụng các kĩ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành chấp nhận được ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển Thị trường ngày càng xuất hiện nhiều chủng loại và mẫu mã hàng hóa thay đổi thường xuyên Để giải quyết những yêu cầu về sự đa dạng này thì giải pháp máy CNC là hoàn toàn phù hợp Ở Việt Nam, máy CNC đã được đưa vào sử dụng ở các

xí nghiệp dân sự và quốc phòng nhưng chưa phổ biến

Do vậy nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế bộ điều khiển máy CNC công nghiệp dùng vi điều khiển” kết hợp xây dựng mô hình máy phay CNC mini

Ngoài ra nhóm tác giả cũng mong muốn đề tài tạo cơ sở cho việc chế tạo một máy phay Mini CNC hoàn chỉnh, phục vụ cho công tác giảng dạy của nhà trường nói chung và của khoa Điện tử nói riêng

Sự ra đời của đề tài còn do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, sự say mê tìm hiểu cách thức hoạt động, các cơ cấu bộ phận của máy CNC và đây cũng là cơ hội

để nhóm tác giả ôn lại các kiến thức tổng quát đã được học về cơ khí và điện tử

2 Giới hạn đề tài

Vì điều kiện cơ sở vật chất, trang thiết bị và thời gian chuẩn bị còn hạn chế nên nhóm chỉ tập trung thiết kế và hoàn thành một máy phay CNC mini cơ bản có thể hoạt động được, còn rất nhiều vấn đề khác cần phải hoàn thiện thêm

Do kinh phí để chế tạo hạn hẹp nên không thể sử dụng được hết những chi tiết,

cơ cấu hiện đại, như động cơ Servo xoay chiều, hệ thống thay dao, hệ thống làm mát, hệ thống thoát phoi

Bên cạnh đó, với vốn kiến thức còn hạn chế và không chuyên về lĩnh vực chế tạo máy, nên nhóm tác giả gặp rất nhiều khó khăn trong việc tiếp cận và lĩnh hội các thông tin về đề tài

3 Mục đích nghiên cứu

Đề tài "“Thiết kế bộ điều khiển máy CNC công nghiệp dùng vi điều khiển” được

nghiên cứu với các mục đích sau:

- Sử dụng những kiến thức được học để xây dựng bộ điều khiển có thể điều khiển hoạt động cho máy CNC

- Sự ra đời của đề tài do sự ham thích tìm hiểu về máy CNC, xây đựng được

mô hình máy CNC có thể chạy được thông qua sự điều khiển của bộ điều khiển đã thiết kế

- Máy được chế tạo có kích thước nhỏ gọn, kết cấu đơn giản, dễ vận hành thao tác, có thể di chuyển từ nơi này đến nơi khác trong không gian làm việc, máy

có khả năng phay các chi tiết một cách tự động

- Xây dựng giao diện điều khiển hệ thống đẹp mắt, hoạt động đơn giản và thuận tiện

- Đề tài được cho ra đời nhằm mục đích giúp sinh viên có điều kiện tiếp cận nhiều hơn với máy CNC Ngoài ra nhóm tác giả mong muốn đề tài còn tạo cơ sở cho việc chế tạo một máy phay Mini CNC hoàn chỉnh, phục cho công tác giảng dạy của nhà trường và của khoa

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tham khảo tài liệu:

 Tham khảo tài liệu về công nghệ CNC, tài liệu về thiết kế mô phỏng, tài liệu về lập trình vi điều khiển, tài liệu về động bước, động cơ Servo…

 Tham khảo, nghiên cứu kết cấu một số máy CNC có cấu trúc trên thị trường

và giá thành của chúng

 Tham khảo các tài liệu về thiết kế bộ điều khiển cho máy CNC mini

- Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ DC step, bộ điều khiển chính, cổng truyền thông song song của máy tính, kết nối điều khiển, gia công toàn bộ các chi tiết và lắp ráp hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC mini

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Giới thiệu chung về máy CNC

Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC

- Năm 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) do MIT (Viện công nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay

- Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cincinnati Hydrotel được trưng bày tại MIT

- Những năm 1960:

 Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp

 Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng

 Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được

 Giao tiếp người - máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím

- Năm 1970:

 Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp

 Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,

 Các băng đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ,

 Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng

- Đầu những năm 1970, máy CNC (Computer Numerical Control) ra đời: Các

bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt

- Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn,

- Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diện với người dùng và các thiết bị ngoại vi khác

Ưu điểm của các máy CNC ngày nay:

- Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng

- Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công,

- Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất

- Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet

Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào nhiều lĩnh vực cuộc sống nhiều nước trên thế giới Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điều khiển bởi bộ vi xử lý Nhờ tốc độ xử lý của các phần tử này mà nhịp độ làm việc của các máy CNC được ghép với chúng không bị thay đổi Có thể coi sự ra đời của máy CNC là một cuộc cách mạng lớn trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, đó là một phần tử vô cùng quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt Nó góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóa nhằm dần dần thay thế vai trò của con người trong quá trình sản xuất

1.1.2 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC

- Khả năng tự động hoá cao

- Năng suất gia công cao, thời gian phụ (thay dao, chạy không,…) giảm

- Khả năng đạt độ chính xác cao, tính ổn định cao

- Có khả năng tập trung nguyên công cao, khả năng gia công nhiều bề mặt trong cùng một lần gá

- So với máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (cam, cữ hành trình, trục gài bi…) máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm được thời gian điều chỉnh máy đạt được tính chính xác cao ngay cả với sản xuất hàng loạt nhỏ

- Một ưu điểm nổi bậc khác chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử – số hóa” Phương thức này cho phép nối

ghép với hệ thống xử lý số trong phạm vi quản lý xí nghiệp Đồng thời cũng tạo điều kiện cho việc ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng liên kết cục bộ ( LAN) hay mạng liên thông (WAN)

Máy công cụ CNC tuy có được nhiều ưu điểm so với máy vạn năng nhưng cũng còn có nhược điểm là:

- Không thích hợp với việc gia công những chi tiết đơn giản

- Chi phí cho việc mua sắm trang thiết bị quá cao

- Đòi hỏi người thợ đứng máy phải có một kiến thức tương đối rộng cả về cơ khí, lẫn điện tử khi tiến hành gia công

1.2 Giới thiệu chung về máy phay CNC

1.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta

Cho đến nay ở nước ta số lượng máy CNC được sử dụng chưa nhiều Mà phần lớn những máy được sử dụng là máy phay CNC vì máy này có thể đảm nhận được nhiều công việc như gia công lỗ, rãnh, mặt phẳng, các loại mặt định hình phức tạp

Ở nước ta, máy CNC thường dùng để gia công những nguyên công khó, vì thế giá thành để gia công tương đối cao, đây là nhược điểm cần được khắc phục

Hiện nay, một số trường đại học kỹ thuật cũng đã trang bị được một vài máy CNC phục vụ cho công tác giảng dạy và học tập Mặc dù số lượng còn rất khiêm tốn và sinh viên cũng không có nhiều cơ hội tiếp xúc

Gần đây, phong trào tự chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang được nhiều bạn sinh viên cũng như kỹ sư quan tâm

1.2.2 Phân loại máy phay CNC

Tùy thuộc vào vị trí tương đối của trục chính so với các bề mặt làm việc máy người ta phân thành hai loại:

- Máy phay CNC có trục đứng: như máy phay đứng, phay Revolve, phay khoan, doa tọa độ một phía, hai phía, phay giường

- Máy CNC có dạng trục ngang: trục chính nằm ngang, dao cắt được đặt trên

cơ cấu chứa dao, cơ cấu này có thể có dạng hình mâm cặp hoặc hình băng tải Việc lấy dao từ ổ chứa dao và đưa dao từ trục chính vào ổ chứa dao được thực hiện bằng

cơ cấu tay máy Loại CNC trục ngang có thể gia công được từ nhiều phía

1.2.3 Giới thiệu về một số mẫu mã máy phay CNC đang có trên thị trường

Máy CNC dùng trong công nghiệp:

Hình 1.1 Máy CNC XK

- Ưu điểm:

 Gia công chính xác các loại vật liệu

 Chạy hoàn toàn tự động (thay dao tự động)

- Nhược điểm:

 Giá thành cao, khó chế tạo

Hình 1.2 Loại máy phay CNC kiểu Router

 Không có khả năng thay dao tự động

1.3 Các phương pháp điều khiển trên máy CNC

1.3.1 Điều khiển 2D

Với điều khiển 2D hai trục có thể điều khiển

đồng thời Do vậy các dịch chuyển của dụng cụ có thể

thực hiện theo đường thẳng và dạng tròn trên cùng một

mặt phẳng

Ví dụ: Một máy phay CNC 3 trục, điều khiển 2D,

nghĩa là các biên dạng có thể phay theo hai trục còn

trục thứ ba phải được tiến dao đặc biệt độc lập với hai

trục kia

1.3.2 Điều khiển 21/2D

Điều khiển 21/2D tạo ra các chuyển động của

dụng cụ cắt trong nhiều mặt phẳng, bằng cách nội suy

chuyển đổi giữa một trong ba mặt phẳng chính

Tất cả 3 trục được điều khiển trong điều khiển

21/2D tuy nhiên trong mỗi mặt phẳng luôn luôn chỉ

có hai trục được điều khiển đồng thời Trục thứ ba gọi

là trục tiến dao

Tuỳ thuộc vào mặt phẳng gia công được chọn

mà các trục khác nhau được điều khiển đồng thời Do

vậy, các chuyển động có thể có các mặt phẳng sau:

- Mặt phẳng X/Y

- Mặt phẳng X/Z

- Mặt phẳng Y/Z

1.3.3 Điều khiển 3D

Ba trục được nội suy đồng thời trong điều

khiển 3D, nhờ đó các chuyển động của dụng cụ

cắt được thực hiện trong không gian theo kích

thước ba chiều

Qua đó có khả năng gia công được các biên

dạng phức tạp, ví dụ như chế tạo dao cắt, chế tạo

khuôn mẫu gia công trong một lần kẹp

Ngày nay hầu hết các máy công cụ được điều

khiển bằng 3D

1.4 Cấu trúc tổng thể máy CNC mini

Máy CNC gồm có hai phần chính như sau:

Hình 2.3 Cấu trúc tổng thể máy CNC 1.4.1 Phần điều khiển

Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:

+ Chương trình điều khiển: là phần mềm trên máy tính có nhiệm vụ đọc chương trình, thực hiện các biến đổi cần thiết để đưa tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển, nó bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu,

cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh

+ Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch công suất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược (công tắc hành trình) Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển

đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu

đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu

1.4.2 Phần chấp hành

Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ cấu chạy dao truyền động trên máy phay CNC mini, nó nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển tạo ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ

Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết

Bộ truyền động thường sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vít me

- đai ốc bi…

1.5 Hệ trục tọa độ trên máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC phải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:

+ Đặt ngửa bàn tay phải lên bàn máy với phương chiều các ngón tay như hình

vẽ, chiều ngón giữa là chiều trục Z, ngón trỏ là chiều trục Y, ngón cái là chiều trục X + Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục

và 3 chuyển động quay theo 3 trục

+ Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà theo đó khoảng cách giữa dao và chi tiết tăng dần

+ Trục X: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC

Ví dụ: Trên máy phay là chuyển động dọc trục, trên máy tiện là chuyển động theo phương ngang Cũng tương tự như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cách giữa dao và chi tiết gia công

+ Trục Y: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục toạ độ

Ví dụ: trên máy phay là chuyển động chạy dao ngang Trên máy tiện không có trục này (cho dạng chi tiết là tròn xoay)

Một lưu ý quan trọng khi xét hệ trục tọa độ của một máy CNC thì phải coi chi tiết đứng yên, còn dao chuyển động theo các phương của hệ trục tọa độ

Trong quá trình làm việc, để gia công được trên máy CNC thì hệ tọa độ của máy phải được xác định Nói cách khác vị trí của hệ tọa độ phải được xác định so với một số điểm cố định nào đó mà người ta gọi là điểm chuẩn

Trong một máy CNC gồm có các điểm chuẩn sau đây:

+ Chuẩn M (Machine Datum Point): là chuẩn máy Máy sẽ đo lường từ vị trí này đến vị trí khác khi làm việc

+ Chuẩn R (Reference Point): đây là chuẩn qui định trên máy, thường là vị trí thay dao

+ Chuẩn T (Tool offset): chuẩn dao

+ W (Work Datum Point): chuẩn chi tiết

+ P (Program Datum Point): chuẩn chương trình

- Vị trí và ứng dụng của các chuẩn này thể hiện ở bảng sau:

M Không thể thay đổi

Gốc của hệ thống tọa độ máy

Dùng làm chuẩn đo lường khi máy làm việc

R

Do dao cắt không thể đi tới được điểm gốc

tọa độ máy, nên người thiết kế máy ấn định

điểm này để dao cắt có thể di chuyển tới

một cách dễ dàng

Không thể thay đổi được

Dùng để thay thế chuẩn máy, thường là vị trí thay dao khi có

ổ chứa dao và thay dao tự động

W

Là gốc của hệ toạ độ của chi tiết gia công,

có thể thay đổi

Dùng làm gốc của hệ toạ độ làm việc trong quá trình gia công

Chương 2 THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG KẾT CẤU MÔ HÌNH

MÁY PHAY CNC MINI 2.1 Chọn phương án cho chuyển động chạy dao

2.1.1 Phương án cho chuyển động chạy dao

+ Độ cứng vững của máy không cao

+ Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy

2.1.2 Chọn phương án cho chuyển động chạy dao

Sau khi nghiên cứu các phương án cho mô hình, ta chọn phương án thứ 2 làm làm phương án cho chuyển động chạy dao của mô hình vì:

- Đề tài nghiên cứu chỉ ở mức là mô hình phục vụ cho giảng dạy, học tập

- Đảm bảo độ cứng vững cũng như kích thước đơn giản của máy

- Dễ chế tạo trên các mô hình cũ sẵn có

2.1.3 Các thông số kỹ thuật cho máy

- Lượng dịch chuyển dao theo phương X: Sx = 180 mm

- Lượng dịch chuyển dao theo phương Y: Sy = 250 mm

- Lượng dịch chuyển dao theo phương Z: Sz = 40 mm

- Tốc độ trục chính lớn nhất 10.000 vòng/phút

- Công suất của động cơ chạy dao trục chính N = 52W

2.2 Sơ đồ động học máy

2.2.1 Sơ đồ kết cấu dẫn động theo 3 trục X, Y và Z

a Sơ đồ kết cấu dẫn động bàn máy theo 2 trục X, Y

Hình 2.3 Sơ đồ kết cấu bàn máy

Hai bộ truyền vít me – đai ốc bi đặt vuông góc với nhau sẽ làm trục Z (chứa động cơ mang dao cắt) dịch chuyển theo mọi hướng trong mặt phẳng OXY

b Sơ đồ kết cấu dẫn động theo trục Z

3 2

Trên trục động cơ có lắp đầu gá dao làm quay dụng cụ cắt

2.2.2 Lựa chọn bộ truyền vít me – đai ốc

Do kinh phí chế tạo máy nhỏ nên nhóm không thể dùng vít me bi để đảm bảo

độ chính xác cao mà lựa chọn giải pháp dùng vit me đai ốc thường Ưu điểm của loại vít me này là giá thành rẻ, sai số ở mức cho phép, đảm bảo được độ bền và ổn định Thông số bộ truyền vít me - đai ốc được chọn như sau:

– Đường kính trục vít me: d = 16 mm

– Bước vít p: p = 2,54 mm

– Chiều dài trục vít me cho 3 trục: X: L1 = 400 mm

Y: L2 = 500 mm

Z: L3 = 200 mm

Hình 2.6 Vít me đai ốc thường 2.2.3 Chọn cơ cấu dẫn hướng cho chuyển động

Sóng trượt thì được dùng phổ biến trong công nghiệp, dùng cho các loại máy lớn (máy phay, máy bào gường, máy tiện), gồm có sóng trượt thẳng, sóng trượt V, sóng trượt đuôi én)

Ưu điểm của 3 loại trên là độ chính xác cao, ma sát thấp, tuy nhiên nhược điểm là giá thành khá cao

Trong mô hình máy phay CNC, sau khi cân nhắc tác giả quyết định chọn giải pháp dùng vòng bi kết hợp với ống trụ tròn để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao theo 3 trục Z của máy vì:

+ Giá thành rẻ (so với các loại ray trượt có sẵn dùng cho máy CNC)

Hình 2.7 Bi trượt và thanh trượt 2.2.4 Chọn các bộ phận khác của máy

a Tác dụng, yêu cầu của thân máy

- Thân máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh Chính vì thế thân máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong không gian

- Mặt khác thân máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác, cứng vững của nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác gia công Do đó thân máy phải thỏa những yêu cầu sau: Đảm bảo đầy đủ độ cứng vững khi máy chạy và độ giảm chấn

b Vật liệu dùng làm thân máy

Do loại đầu làm máy với kiến thức về gia công cơ khí còn hạn chế nên nhóm tác giả quyết định chọn vật liệu làm máy bằng gỗ và phíp thủy tinh với các lý do sau:

- Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm

- Dễ gia công, chế tạo

- Dễ gá lắp, chỉnh sửa

2.3 Các loại động cơ đƣợc sử dụng trong máy CNC

2.3.1 Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành (ĐCCH) trong máy CNC mini

a Vai trò của động cơ chấp hành trong máy CNC

Trong hệ thống máy CNC, ĐCCH đóng một vai trò cực kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy

Mặc khác trong động cơ máy CNC, bất cứ mỗi chuyển động của máy như trục chính, bàn xe dao, tay máy thay, bôi trơn, làm nguội đều được điều khiển bởi một ĐCCH Nhờ đó mà kết cấu cơ khí gọn nhẹ, đơn giản

b Yêu cầu kỹ thuật của động cơ chấp hành trong máy CNC

Trong máy CNC, ĐCCH thường làm việc ở dạng khởi động, dừng máy hoặc đảo chiều quay, đây là điều kiện làm việc “khắc nghiệt” của động cơ Vì vậy động

cơ cần có những yêu cầu sau:

– Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển

– Đặc tính cơ và đặc tính điều khiển là phi tuyến

– Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc

– Tác động nhanh

– Công suất điều khiển nhỏ

– Dễ điều khiển vô cấp

– Dãy điều khiển tốc độ rộng

– Điện áp khởi động nhỏ

– Độ tin cậy cao

– Kích thước, trọng lượng nhỏ

2.3.2 Động cơ chấp hành một chiều

So với động cơ điện xoay chiều, động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như sau:

Dễ điều chỉnh vô cấp vì số vòng quay của động cơ được tính theo công thức sau:

Từ biểu thức trên ta nhận thấy, muốn điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể:

- Thay đổi điện trở phần ứng

- Thay đổi điện áp (bằng mạch chiết áp)

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi vì tiết kiệm năng lượng, không gây tổn hao công suất

Làm việc ổn định ở mọi cấp tốc độ (trong phạm vi điều khiển)

Không có hiện tượng tự quay

Khối lượng, kích thước nhỏ so với động cơ xoay chiều cùng công suất

Mặt khác động cơ một chiều có nhược điểm lớn đó là: do có chổi than nên thường xuất hiện tia lửa điện ở vùng tiếp xúc Chính vì vậy động cơ điện một chiều không làm việc ở những nơi dễ cháy nổ Ngoài ra tia lửa điện là tác nhân gây ra tín hiệu nhiễu, cần phải có bộ lọc nhiễu và lưới chặn

- Phân loại động cơ điện một chiều

Theo cấu trúc động cơ điện một chiều dùng trong hệ thống CNC có thể phân thành:

 Động cơ điện một chiều có kích thích độc lập hoặc bằng nam châm vĩnh cửu

 Động cơ điện một chiều có phần ứng nhẵn

 Động cơ điện một chiều có quán tính nhỏ

Trong các loại động cơ một chiều trên, hiện nay trên các máy công cụ CNC phổ biến vẫn dùng loại động cơ điện một chiều kích từ dùng vòng mạch từ phụ với nam châm vĩnh cửu Sở dĩ loại động cơ này được dụng rộng rãi vì:

- Tổn hao công suất điện năng nhỏ hơn loại động cơ kích từ bằng mạch ngoại lai

- Lượng nhiệt tỏa ra thường nhỏ đến mức có thể qua vỏ động cơ mà truyền ra môi trường xung quanh

là một động cơ đồng bộ Vì lí do này động cơ bước rất phù hợp cho sử dụng với các

hệ thống điều khiển trên cơ sở số (digital)

Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc (trái ngược với đặc tính chuyển động quay liên tục và trơn như các loại động cơ khác)

Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định gọi là bước góc

So với động cơ servo, động cơ bước có những ưu điểm sau:

- Điều khiển định vị chính xác, không yêu cầu sự điều chỉnh

- Giá thành rẻ

- Có thể làm việc trong vòng mở

- Có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số nên trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC)

- Cấp mômen cao tại tốc độ thấp và mômen thấp tại tốc độ cao

- Chi phí bảo dưỡng thấp (do không có chổi than), rất khỏe trong mọi môi trường

Tuy nhiên nhược điểm của chúng là ồn, tiêu thụ dòng bất kể có hay không có tải, kích thước bị giới hạn và có thể bị cản trở hoặc mất định vị vị trí (mất bước) khi không có vòng điều khiển

Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:

- Tốc độ hoạt động (bước/giây)

- Mômen xoắn

- Mômen quán tính

- Góc bước yêu cầu

- Thời gian để tăng tốc (ms)

- Thời gian để giảm tốc (ms)

- Kiểu truyền động được sử dụng

- Kích thước và trọng lượng

Vậy bước động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao

- Phân loại động cơ bước:

Động cơ bước có 3 loại cơ bản:

 Nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)

 Từ trở thay đổi (Variable Reluctance)

 Động cơ lai (Hybrid) – kết hợp hai loại trên

a Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent Motor)

- Cấu tạo:

Rôto sử dụng trong động cơ bước loại này gồm một nam châm vĩnh cửu hình tròn, lắp vào một trục thép có độ cách từ cao Rôto thường không có răng, được từ hóa vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) Stato có dạng hình móng được từ hóa với các cực N & S xen kẽ nhau và trên các cực có quấn các cuộn dây pha Động cơ bước PM cho góc bước rộng, từ 450 ÷ 1.200, tốc độ chậm nhưng mômen khá lớn

Hình 2.8 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Nguyên lý làm việc:

Hình bên dưới trình bày động cơ bước có hai cặp cuộn pha Cuộn L1, L3 hình thành một cặp cuộn pha và L2, L4 là cặp cuộn pha thứ hai

Hình 2.9 Nguyên lý hoạt động của động cơ nam châm vĩnh cửu

Ta giả thiết vị trí ban đầu của động cơ như hình 2.9

Ban đầu 4 chuyển mạch S1, S2, S3, S4 đều hở nên không có dòng qua các cuộn dây (hình 2.9A)

Đóng chuyển mạch S1 và S3, dòng điện đi qua các cuộn dây pha L1 và L3, trường điện từ xuất hiện và rôto quay đến vị trí như trong hình 2.9B Nếu ta cứ giữ nguyên như vậy thì rôto cũng sẽ đứng yên

Ngắt chuyển mạch S1 và S3, rôto ở nguyên vị trí như hình 2.9C

Đóng chuyển mạch S2 và S4 thì dòng điện, điện trường và vị trí của rôto như hình 2.9D

Cứ luân phiên đóng và ngắt các cặp chuyển mạch S1, S3 và S2, S4 thì rôto sẽ quay tròn theo một hướng

b Động cơ bước có từ trở thay đổi

- Cấu tạo:

Rôto làm bằng thép non có độ dẫn từ cao và có từ trở thay đổi theo góc quay Mỗi răng của stato và rôto gọi là một cực Mỗi pha trên stato được quấn thành hai cuộn nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối trên stato Kết cấu stato trên từng pha của động cơ bước biến từ trở giống với động cơ bước PM Loại động cơ này cấp góc bước nhỏ đến trung bình và có khả năng hoạt động với tốc độ chạy bước cao

Hình 2.10 Động cơ bước có từ trở thay đổi

- Nguyên lí hoạt động:

Khi cấp điện cho pha A, các cuộn A1 và A2 có cùng cực tính là cực bắc (N),

từ thông của hai cực này tăng dần và khép kín với rôto Cực A3 và A4 mang cực tính nam (S), từ thông của hai cực này cũng tăng dần và khép kín với roto Đường sức từ rời khỏi cực bắc A1 vào răng 1 trên rôto, sau đó tách thành 2 nhánh, nhánh thứ nhất phát triển đến răng 3 trên rôto, qua cực nam A3 vào stato và khép kín mạch

từ tại cực bắc A1 Nhánh thứ hai phát triển đến răng 4 trên roto, sau đó qua cực A4 vào stato và cũng khép kín mạch từ ở A1

Tương tự cho đường sức từ xuất phát từ A2

Dòng điện cấp cho cuộn pha A, ở vị trí đang khảo sát thì từ trở là nhỏ nhất,

Bây giờ ta ngắt điện trên cuộn pha A và cấp điện cho cuộn pha B thì ngay lúc này từ trở trong động cơ lớn nên trục roto sẽ quay theo chiều giảm từ trở (cùng chiều kim đồng hồ) cho đến khi từ trở nhỏ nhất thì động cơ lại đứng yên ở vị trí mới

Cứ luân phiên cấp điện cho các cuộn dây A, B, C, A thì động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ Muốn động cơ quay theo chiều ngược lại thì ta đảo ngược thứ

tự cấp điện cho các cuộn dây thành C, B, A, C

Một điểm cần lưu ý là rôto của động cơ bước biến từ trở làm bằng thép non nên khi không có dòng điện qua các cuộn dây thì trên rôto cũng không tồn tại từ dư

do đó nó không bị hãm và quay tự do dưới tác dụng của tải Đây cũng chính là

khuyết điểm của loại động cơ này

c Động cơ bước hỗn hợp

Về cấu tạo, nó kết hợp cả hai loại động cơ trên Thường stato có một số cực, được cấp năng lượng bởi cuộn 2 pha Rôto gồm một nam châm hình trụ, được cấp năng lượng quanh trục

Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ có từ trở thay đổi: có mômen hãm (khi ngắt điện), có mômen giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn Góc bước phụ thuộc vào kết cấu, thường từ 0,450

÷ 50 Phương pháp bố trí và nối các cuộn pha trong động cơ bước biến từ trở và động cơ lai cũng khác nhau Ở động cơ bước biến từ trở thì các cuộn pha được lắp riêng biệt trên từng đoạn stato còn ở động cơ lai thì các cuộn pha được quấn nối tiếp từ đoạn stato này sang đoạn stato kia

Hình 2.11 Động cơ bước hỗn hợp

Hai đoạn roto của động cơ được chế tạo từ thép non và lắp chặt trên trục nam châm vĩnh cửu nên các đoạn roto này được từ hóa tương ứng với các cực của nam châm

Hình 2.12 Cấu trúc trong động cơ lai

Trong thực tế, trên các cực ngời ta lắp 2 cuộn dây có chiều quấn ngược nhau

để có thể dễ dàng thay đổi cực tính trường điện từ

Hình 2.13 Kết cấu thực tế của động cơ lai

d Hệ điều khiển động cơ bước

* Hệ điều khiển động cơ bước cần phải có hai chức năng:

– Cấp nguồn cho các cuộn dây theo trình tự tín hiệu vào Chức năng này được thực hiện nhờ mạch logic, mạch trình tự và phần mềm điều khiển

– Xung điện cấp cho cuộn dây phải đủ rộng Đây là yếu tố rất quan trọng đối với momen động cơ Vì vậy hệ số thời gian điện (Lm/Rm) phải lớn hơn đáng kể so với chiều rộng xung vào

* Các cách điều khiển: có 3 cách:

– Điều khiển cả bước (Full Step)

– Điều khiển nửa bước (Half Step)