LUẬN VĂN ĐH BÁCH KHOÁ: THIẾT KẾ BÀN MÁY 2D

Nội dung của luận văn là nghiên cứu ứng dụng của xử lí ảnh vào bàn máy 2D. Bàn máy 2D sẽ vẽ lại một bức ảnh do người dùng đưa ra.Từ bức ảnh đầu vào sẽ được chương trình xử lí ảnh lấy tọa độ đối tượng cần vẽ. Sau đó, tọa độ này được truyền từ máy tính xuống vi điều khiển để điều khiển bàn máy 2D di chuyển theo tọa độ được truyền.

LỜI CẢM ƠNLời đầu tiên, em xin cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM,đặc biệt là các thầy cô trong khoa Cơ Khí và bộ môn Cơ Điện Tử đã tận tình và hếtlòng truyền đạt những kiến thức cho em trong suốt quãng thời gian em học tập tạitrường.

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Thanh Hải Người thầy đã hếtlòng giúp đỡ và theo sát em trong quá trình làm và hoàn thành luận văn này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn trong lớp CK10KSTN và CK10KSCD.Những người đã cùng học và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và luận văn cuốikhóa

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy phản biện và các thầy trong hội độngbảo vệ luận văn đã dành thời gian để nhận xét và giúp đỡ em trong quá trình bảo vệluận văn

Cuối lời, em xin gửi lời chúc sức khỏe đến các thầy cô trong khoa và bộ môn cơđiện tử

Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2015

Sinh viên

Đỗ Ngọc Khỏe

Tóm tắt

TÓM TẮTNội dung của luận văn là nghiên cứu ứng dụng của xử lí ảnh vào bàn máy 2D.Bàn máy 2D sẽ vẽ lại một bức ảnh do người dùng đưa ra.Từ bức ảnh đầu vào sẽ đượcchương trình xử lí ảnh lấy tọa độ đối tượng cần vẽ Sau đó, tọa độ này được truyền từmáy tính xuống vi điều khiển để điều khiển bàn máy 2D di chuyển theo tọa độ đượctruyền

Các công việc chính bao gồm: thiết kế chế tạo mô hình cơ khí, thiết kế mạchđiện, xử lý ảnh và điều khiển bàn máy 2D đi theo tọa độ điểm của bức ảnh

MỤC LỤC

Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Chương 1: Tổng quan

1.1 Giới thiệu bàn máy 2D và một số ứng dụng

Bàn máy 2D là một cơ cấu vận hành nhờ sự kết hợp chuyển động của hai động

cơ tạo ra một chuyển động bất kì (đường thẳng, đưởng tròn, cung tròn hay một đườngcong) trên một mặt phẳng cố định

Trên thị trường hiện nay có hai dạng bàn máy 2D thông dụng là bàn máy 2D sửdụng cơ cấu truyền động bằng trục vít Cơ cấu này chiếm ưu thế hơn so với cơ cấutruyền động bằng đai

Bàn máy 2D có nhiều chức năng khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng Khilắp vào các bộ phận công tác khác nhau như: đầu tia lazer, đầu cắt plasma, đầu cắt tianước… thì chúng sẽ có những chức năng khác nhau

Máy cắt lazer là một trong những loại máy CNC 2D phổ biến nhất. Chúng làmviệc trên các vật liệu phi kim loại như: mica, gỗ, giấy, vải, da…

Hình 1.1: Máy cắt lazer G1280

Một số chi tiết được cắt bằng máy cắt lazer

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2: Các sản phẩm của máy cắt lazer 2D

Máy cắt plasma thường ứng dụng cho máy cắt kim loại dẫn điện bằng luồngkhí ion hóa có nhiệt độ cao

Hình 1.3: Máy cắt plasma RJ1325

Một số sản phẩm được cắt từ máy cắt plasma

Máy cắt bằng tia nước là một công cụ có khả năng cắt kim loại hay các vậtliệu khác bằng cách sử dụng một tia nước có áp suất rất cao và tốc độ lớn, hoặcbằng một hỗn hợp của nước và hạt mài (loại vật chất dùng để mài mòn như các hạt

Chương 1: Tổng quan

1.2 Giới thiệu về xử lí ảnh và ứng dụng của nó trong bàn máy 2D

1.2.1 Giới thiệu về xử lí ảnh

Ảnh số là ảnh tạo bởi các điểm ảnh, đặc trưng cho một giá trị nào đó là một hàm

n biến Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng Để cóthể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh Trong quá trình sốhoá, người ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấymẫu (rời rạc hoá về không gian) và lượng hoá thành phần giá trị mà về nguyên tắcbằng mắt thường không phân biệt được 2 điểm kề nhau Trong quá trình này người ta

sử dụng khái niệm điểm ảnh được gọi từ picture element

Xử lí ảnh là quá trình biến đổi một hình ảnh thành một hình ảnh khác bằng máytính điện tử một cách tự động phụ thuộc vào mục đích của người sử dụng thông quaảnh số

Quá trình xử lí ảnh bao gồm:

− Thu nhận ảnh: là quà trình máy tính nhận ảnh từ camera hoặc ảnh đượcđưa vào máy tính Sau đó ảnh được số hóa thành ảnh rời rạc (ảnh được tậphợp từ các pixel)

− Tiền xử lí là quá trình nâng cao chất lượng ảnh bằng các biện pháp như:xóa nhiễu, làm trơn biên, lọc, tăng cấp độ sáng… để thuận lợi cho quátrình xử lí về sau

− Trích chọn dấu hiệu là quá trình phát hiện các biên, phân vùng ảnh… tùythuộc vào mục đích của người lập trình

− Nhận dạng ảnh là quà trình tìm kiếm, nhận dạng đến các mô tả mà ngườilập trình mong muốn trong bức ảnh

Ngày nay, xử lí ảnh đã có nhiều ứng dụng trong cuộc sống và đóng một vai tròquan trọng các lĩnh vực như:

− Thông tin, truyền thông: báo điện tử, truyền hình số

− Thị giác máy, robot

− Ảnh không gian, viễn thám

− Y học, sinh học

− Nghiên cứu không gian, thiên văn, địa chất

1.2.2 Ứng dụng của xử lí ảnh trên bàn máy 2D

Việc ứng dụng xử lí ảnh trong bàn máy 2D nhằm mục đích sao chép một bức ảnhđược đưa vào máy tính Bàn máy sẽ vẽ lại các biên dạng của ảnh, bức ảnh chân dunghoặc vẽ các hoa văn trang trí trên giấy, các mặt hàng thuộc da…

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

1.3.1 Mục tiêu

Mục tiêu của đề tài là sử dụng các chức năng của xử lý ảnh, lấy biên dạng của vậtthể và lập trình điều khiển cho bàn máy 2D bám quỹ đạo và vẽ được biên dạng của vậtthể đáp ứng nhu cầu sử dụng cho người sử dụng, các ứng dụng của bàn máy 2D đượcdùng cho các nghiên cứu lớn hơn sau này

1.3.2 Nhiệm vụ

Nhiệm vụ cụ thể của đề tài luận văn như sau:

− Thiết kế, chế tạo mô hình bàn máy 2D để kiểm nghiệm tính đúng đắn của luậnvăn

− Thiết kế phần mạch điện thích hợp cho phần cơ khí của mô hình

− Xây dựng giải thuật và giao diện điều khiển lấy tọa độ của đối tượng cần vẽ từảnh

− Xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D và giao tiếp máy tính

− Chương 2: Thiết kế chế tạo mô hình cơ khí và tính toán động học

− Chương 3: Thiết kế mạch điện điều khiển

− Chương 4: Xây dựng giải thuật lấy tọa độ đối tượng và giải thuật điều khiểnbàn máy

− Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

− Chương 6: Tổng kết và định hướng phát triển

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học cho bàn máy

2.1 Giới thiệu một số cấu trúc bàn máy 2D

Hiện tại, bàn máy 2D có rất nhiều kiểu kết cấu khác nhau Nhưng chủ yếu đềuđược dẫn động bằng vít me hoặc đai răng

Bàn máy 2D dẫn động bằng vít me: đây là kiểu dẫn động phổ biến trên các máyCNC hiện nay Cách dẫn động này thường động cơ sẽ được nối trực tiếp với vít me

Hình 2.1: Bàn máy 2D dẫn động bằng vít me

Ưu điểm của loại bàn máy này là độ chính xác cao do mỗi vòng quay của động

cơ bàn máy chỉ dịch chuyển được một khoảng bằng một bước ren của vít me Khi dẫnđộng bằng vít me thì bàn máy tránh được hiện tượng rung động hơn khi dẫn động bằngđai Do đó, bàn máy hoạt động êm hơn

Nhược điểm của loại bàn máy này là chi phí khá cao, tốc độ chạy thấp so vớibàn máy được dẫn động bằng đai do mỗi vòng quay chỉ đi được một bước ren

Bàn máy 2D dẫn động bằng đai răng có hai loại sau:

˗ Hai động cơ cùng điều khiển một dây đai đơn:

˗ Hai động cơ điều khiển hai dây đai độc lập nhau cho hai chuyển động trênhai trục.

2.2 Lựa chọn phương án thiết kế

2.2.1 Lựa chọn cơ cấu

Đối với độ chính xác đặt ra thì cả hai cơ cấu đều có thể đáp ứng được Đối với

cơ cấu dẫn động bằng đai răng có thể tăng độ chính xác bằng cách dùng pulley có kíchthước nhỏ Nhưng so với kiểu dẫn động bằng đai thì kiểu dẫn động bằng vít me chi phícao hơn và kết cấu có phần phức tạp hơn Do đó luận văn chọn kiểu dẫn động bằngđai

Luận văn sẽ chọn cơ cấu dẫn động bằng đai gồm hai động cơ hoạt động riêngbiệt dẫn động hai chuyển động theo trục x và trục y của bàn máy Một động cơ nằm cốđịnh trên bàn máy điều khiển chuyển động theo trục x, động cơ còn lại di chuyển theotrục x điều khiền chuyển động theo trục y của bàn máy Để bàn máy hoạt động tốt và

x y

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

ổn định ta cần truyền chuyển động của động cơ dẫn hướng trục x qua hai bên thôngqua trục (7) như hình 2.3 bên dưới

˗ Dải tốc độ điều khiển hẹp

˗ Phải có mạch nguồn riêng

˗ Khó có sự điều khiển kết hợp giữa tốc độ và vị trí nếu không có driverchuyên dụng (giá thành khá cao)

b) Động cơ AC servo

y

x

4

˗ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều.

˗ Đa dạng và rất phong phú về chủng loại, giá thành rẻ

Nhược điểm:

˗ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo

an toàn, monen khởi động nhỏ

˗ Mạch điều khiển tốc độ phức tạp, giá thành cao

c) Động cơ bước

Ưu điểm:

˗ Điều khiển tốt kết hợp giữa vị trí và tốc độ, không cần mạch phản hồi

˗ Driver điều khiển giá thành tương đối thấp

˗ Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Nhược điểm:

˗ Momen xoắn nhỏ

˗ Momen nhỏ có thể xảy ra hiện trượt bước khi tải lớn hơn momen của độngcơ

Từ những phân tích trên, luận văn lựa chọn động cơ bước vì:

˗ Bàn máy 2D cần có sự kết hợp giữa điều khiển tốc độ và vị trí Giá thànhcủa động cơ bước không quá cao và driver của động cơ điều khiển động cơbước giá thành thấp hơn nhiều so với driver điều khiển động cơ AC servo và

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

thị trường có hai loại thanh trượt thông dụng thường dùng trong các máy CNC đó làthanh trượt tròn và thanh trượt vuông

Thanh trượt tròn: thì giá cả có phần thấp hơn so với thanh trượt vuông nhưng

nó có một số hạn chế khi chế tạo bàn máy CNC 2D Cơ cấu bàn máy khi chế tạo bằngthanh trượt tròn sẽ phức tạp hơn vì thanh trượt tròn sẽ cần nhiều thanh để định hướnghơn Con trượt trên mỗi trục chúng ta cần hạn chế đến 5 bậc tự do mà thanh trượt trònchỉ giới hạn được 4 bậc tự do trong khi thanh trượt vuông giới hạn đủ 5 bậc tự do Do

đó, luận văn chọn thanh trượt vuông làm thanh dẫn hướng trên mỗi trục

Phần khung bàn máy luận văn chọn nhôm định hình làm vật liệu cho phầnkhung vì nó những ưu điểm sau: nhôm là vật liệu nhẹ và không gỉ giúp giảm khốilượng cho bàn máy mà vẫn đảm bảo độ cứng vững cho bàn máy, nhôm định hình cónhiều rãnh giúp quá trình lắp ráp dễ dàng hơn và độ chính xác về độ phẳng và thẳngcủa nhôm cũng khá cao

Mặt bàn máy cần có độ phẳng nên luận văn dùng ván gỗ ép dày 10mm Vì đây

là vật liệu có độ phẳng tương đối tốt và chi phí thấp Bên cạnh đó luận văn dùng vậtliệu nhựa mica để chế tạo các chi tiết trong mô hình vì đây là vật liệu dễ tìm có khảnăng cắt bằng máy lazer CNC có sẵn trong khoa

Hình 2.4: Mô hình thiết kế trên solidworks

Mô hình được chế tạo

Hình 2.5: Mô hình chế tạo

2.3.2 Thiết kế cơ cấu nhấc bút

Cơ cấu nhấc bút giúp bàn máy nâng bút lên sau khi vẽ hết một đường thẳng haymột đường cong giúp cho bức ảnh được vẽ rõ ràng và đẹp hơn

Đối với một cơ cấu nhấc bút yêu cầu quan trọng là nó có khả năng di chuyểnlên xuống nhưng phải đảm bảo độ cứng vững Đối với yêu cầu này thì có hai phương

án được chọn là dùng cơ cấu đòn bẩy và cơ cấu dùng khớp trượt trên hai thanh cốđịnh

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lí cơ cấu nhấc bút đòn bẩy

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

Cơ cấu đòn bẩy có cấu tạo rất đơn giản, độ cứng vững không cao Quỹ đạo củađầu bút khi hoạt động là một cung tròn như vậy khi nhấc bút sẽ rất dễ để lại vết mựccủa bút trên giấy thay vì nhấc thẳng đứng ngòi bút lên

Đối với cơ cấu nhấc bút dùng khớp trượt thì tuy có cấu tạo phức tạp hơn nhưng

nó sẽ khắc phục được khuyết điểm này cơ cấu dùng hai khớp trượt có độ cứng vữngkhá cao Do đó luận văn chọn cơ cấu nhấc bút theo cơ cấu khớp trượt Ở cơ cấu này cóhai phần một là phần giá cố định, hai là phần giá di chuyển lên xuống và bút được kẹpchặt ở phần này khi hoạt động Đối với bộ phận tác động lực để nâng bút thì ta có thểdùng cuộn solenoid, động cơ bước kết hợp với trục vít hoặc RC servo

Đối với cuộn solenoid thì cơ cấu sẽ đơn giản nhưng chi phí sẽ cao hơn, do khidùng cuộn solenoid thì điện áp để kích solenoid là trên 5V không thể kích trực tiếp từ

vi điều khiển được nên phải thông qua một thiết bị khác Nếu dùng động cơ bước kếthợp với trục vít thì chi phí sẽ rất cao Do đó, luận văn chọn động cơ RC servo để làm

bộ phận tạo lực nâng bút và phương án được chọn có sơ đồ nguyên lí như hình 2.6

1: Phần giá cố định 2: Phần giá di chuyển

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí cơ cấu nhấc bút dùng khớp trượt

Mô hình thiết kế trên solidworks:

Hình 2.8: Cơ cấu nhấc bút thiết kế trên solidworks

Trên thực tế khi chế tạo ban đầu cơ cấu hoạt động tốt nhưng về sau do vật liệukhông chịu mòn tốt nên lỗ khoan trên giá di dộng của cơ cấu bị mòn nên độ cứng vữngcủa cơ cấu không được đảm bảo Khắc phục lỗi này, luận văn dùng vòng trong của ổ

bi lắp chặt vào lỗ mối khớp trượt, vì vòng trong của ổ bi có khả năng chống mòn cao

Và kết quả chế tạo như hình 2.8 bên dưới

Mô hình chế tạo

Hình 2.9: Mô hình chế tạo cơ cấu nhấc bút

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

2.3.3 Thiết kế bộ căng đai

Đối với một hệ thống hoạt động có hệ thống dẫn động bằng đai thì sau một thờigian hệ thống đai sẽ bị chùng lại Do đó, bộ căng đai có vai trò quan trọng trong đề tàiluận văn

Đối với một bộ căng đai thì yêu cầu đặt ra là thao tác căng đai phải dễ dàng Kếtcấu bộ căng đai đơn giản và nhỏ gọn tránh ảnh hưởng đến sự di chuyển của bàn máy

và bộ phận công tác

Lựa chọn phương án thiết kế:

˗ Phương án 1: Sử dụng cơ cấu con lăn

Hình 2.10: Cơ cấu căng đai sử dụng cơ cấu con lăn

Đối với cơ cấu này quá trình căng đai khá dễ dàng và hiệu quả, nhưng chi phícho cơ cấu này rất đắt và cơ cấu này có kích thước to và cần nhiều khoảng không gian.Một số loại căng đai dùng con lăn có khả năng căng đai tự động bằng sức căng củamột lò xo bên trong cơ cấu còn một số khác quá trình căng đai phải thực hiện thủ côngbằng tay để dịch chỉnh vị trí con lăn để căng đai Cơ cấu này thường được sử dụngnhiều trong các hệ thống căng đai của xe hơi

˗ Phương án 2: Sử dụng bu lông siết để căng đai

1: Dây đai 2: Bu lông siết 3: Bộ kẹp đai 4: Giá cố định

Hình 2.11: Cơ cấu căng đai dùng bu lông siết

Cơ cấu căng đai dùng bu lông siết là ta sẽ làm căng đai bằng cách vặn bu lôngcho khoảng cách giữa bộ kẹp đai và giá nhỏ lại Để cho cơ cấu ổn định ta cần sử dụnghai bu lông để căng đai hai bên dây đai

Đối với cơ cấu này thì nó có ưu điểm lớn đó là cơ cấu đơn giản, nhỏ gọn và quátrình căng đai thực hiện dễ dàng

Qua sự phân tích ưu điểm của hai phương án trên, luận văn lựa chọn cơ cấu căngđai theo phương án thứ hai là sử dụng bu lông siết vì nó phù hợp với những yêu cầucủa luận văn

Hình 2.12: Cơ cấu căng đai của mô hình

Chương 2: Thiết kế cơ khí và tính toán động học

2.4 Phân tích động học.

Tính toán động học là một bước quan trọng trong việc thiết kế chế tạo bàn máy2D là cơ sở để hoạch định quỹ đạo cho bộ phận công tác (đầu bút) của bàn máy 2D.Việc phân tích động học thường có hai bài toán là bài toán động học thuận và bài toánđộng học ngược

Bài toán động học thuận dùng để xác định vị trí của bộ phận công tác khi đã xác địnhđược góc quay của động cơ Hay nói cách khác nó là một hệ phương trình thể hiện sự biếnthiên của tọa độ khi góc quay của động cơ thay đổi

Bài toán động học ngược thể hiện sự phụ thuộc của hai góc quay động cơ khi biết được

vị trí của bộ phận công tác Từ phương trình động học ngược này ta có thể điều khiển gócquay của động cơ đến vị trí ta mong muốn

Bàn máy 2D chỉ hoạt động trên tọa độ phẳng do đó bộ phận công tác chủ yếu đi theoquỹ đạo là đường thẳng hoặc một đường cong Vẽ đường thẳng bằng cách cho bàn máy dichuyển từ điểm đầu đến điểm cuối của đường thẳng Đối với đường cong thì việc cho bànmáy chạy theo phương trình của đường cong là rất khó Mặc khác, dựa vào đường cong chúng

ta có thể tính gần đúng bằng cách chia nhỏ nó thành nhiều đoạn nhỏ nên lúc này đường congđược tạo thành từ rất nhiều đoạn thẳng ngắn nối tiếp nhau Như vậy, bài toán chúng ta đặt ra

là cho bộ phận công tác di chuyển qua hai điểm Với mô hình này chúng ta chỉ cần quan tâmđến bài toán động học nghịch là tính góc quay của động cơ khi biết độ dịch chuyển theo haiphương x và y

Hình 2.13: Sơ đồ động học bàn máy 2D

Phương trình động học cho bàn máy

2 1 1 1

1

2 1 2 2

2

.(y )

x x Z M

D

y Z M

D

ππ

˗ M1 và M2 lần lượt là số xung của động cơ 1 và động cơ 2 cần quay

˗ x2 và x1 lần lượt là hoành độ điểm đầu và điểm cuối của đoạn thẳng

˗ Z1 và Z2 lần lượt là số xung của động cơ 1 và 2 cho một vòng quay

˗ D1 và D2 lần lượt là đường kính puly trên hai trục x và y

Chương 3: Thiết kế phần điện

Chương 3: Thiết kế phần điện

3.1 Giới thiệu chung

Phần mạch điện trong hệ thống có vai trò là cầu nối và đường truyền dữ liệu giữacác bộ phận của hệ thống lại với nhau

Phần điện của hệ thống gồm có:

− Mạch điều khiển: có nhiệm vụ nhận giá trị tọa độ từ máy tính truyền xuống cho

vi điều khiển, vi điều khiển xử lí tín hiệu và điều khiển bộ phận công tác củabàn máy

− Mạch động lực: cung cấp nguồn cho động cơ

− Mạch giao tiếp với máy tính: truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển

Hình 3.1: Vị trí các phần của mạch điện trong hệ thống

3.2 Mạch điều khiển

Mạch điều khiển của bàn máy 2D của luận văn chọn vi điều khiển vì vi điềukhiển có giá thành thấp và các chức năng của vi điều khiển đủ khả năng đáp ứng yêucầu của bàn máy

Mạch điều khiển có nhiệm vụ nhận lệnh từ máy tính sau đó xử lí dữ liệu nhậnđược và cấp các tín hiệu điều khiển đến các driver của mạch động lực để điều khiểnđộng cơ và sau đó là gửi tín hiệu phản hồi trở lại lên máy tính.

Việc cấp tín hiệu cho driver điều khiển để điều khiển động cơ bước cần hai timer

để điều khiển Việc cấp xung điều khiển hai động cơ bước có một yêu cầu là tuy haiđộng cơ không cùng quãng đường di chuyển nhưng thời gian cho hai động cơ dichuyển trên hai quãng đường phải bằng nhau Nghĩa là, hai động cơ được kích hoạtcùng lúc và hoạt động để di chuyển trên hai quãng đường khác nhau nhưng khi kếtthúc phải đồng thời Từ yêu cầu này, luận văn yêu cầu vi điều khiển được chọn phải có

ít nhất 2 timer 16 bit Vì nếu quãng đường chênh lệch nhau quá lớn dẫn đến thời giancài đặt giữa hai timer lớn Nếu ta dùng timer 8 bit thì giá trị đếm của timer chỉ cao nhất

là 255 Do đó ta dùng timer có giá trị 16 bit có giá trị đếm lên đến 65355 Với timer

16 bit này, nếu động cơ có quãng đường di chuyển dài thì sẽ có chu kì xung ngắn đượccài đặt giá trị đếm của timer là 500 thì động cơ có quãng đường ngắn có thể cài đặt giátrị đếm gấp 130 lần giá trị đếm của động cơ có quãng đường dài Với yêu cầu này luậnvăn dùng dòng vi điều khiển Pic18F4550, vì dòng vi điều khiển này có các ưu điểmsau:

− Có bộ nhớ tương đối lớn

− Có 3 timer 16 bit là timer 0, timer 1, và timer 3

− Có tốc độ xung có thể lên đến 48 Mhz nếu ta sử dụng thanh ghi PLL

− Có chuẩn truyền UART

Như vậy, mạch điều khiển sẽ sử dụng các chức năng của Pic18F4550 như sau:

− Sử dụng hai chân RC6 và RC7 cho chuẩn truyền RS-232 có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính Chân RC là chân truyền dữ liệu lênmáy tính (TX), chân RC7 là chân nhận dữ liệu từ máy tính (RX)

− Ta sử dụng hai timer 1 và timer 3 cho việc cấp xung hai động cơ bước thông qua 4 chân I/O là RD0, RD1,RD2, RD3 Cụ thể như sau, timer 0 sẽ định thời vàkích chân RD1 là chân điều khiển chiều cho động cơ bước nối vào chân DIR vàcấp xung cho chân RD0 nối vào chân PWM của Driver TB6560 để điều khiển động cơ thứ nhất Tương tự như timer 0, timer 3 sẽ điều khiển chiều thông qua chân RD2 và cấp xung thông qua chân RD3 cho động cơ bước thứ hai

Chương 3: Thiết kế phần điện

− Ta sử dụng timer 0 để điều khiển việc nâng hạ bút khi vẽ thông qua động cơ RCservo Timer 0 sẽ điều khiển thông qua chân RD4 nối với chân PWM của động

cơ RC servo

− Khi bàn máy hoạt động, có những lúc ta cần dừng hoạt động bàn máy để kiểm tra và sau đó là cho hoạt động lại Như vậy, bàn máy sẽ cần đến hai nút nhấn cho yêu cầu này Luận văn sử dụng chân RB0 cho việc ngừng bàn máy đột ngột

và nút nhấn này còn đóng vai trò như một nút nhấn an toàn (nút nhấn Stop) khi xảy ra sự cố Do đó, ta dùng chân RB0 là một chân ngắt ngoài vì trong vi điều khiển ngắt ngoài có chế độ ưu tiên cao nhất Vì thế, khi chân RB0 có tín hiệu thì sẽ được ưu tiên xử lí trước nên đảm bảo được yêu cầu dừng đột ngột đặt ra của nút nhấn Stop

− Khi bàn máy hoạt động thì ta phải giới hạn được hành trình của bàn máy để đảm bảo an toàn khi bàn máy chạy quá hành trình quy định Để đảm bảo yêu cầu này luận văn dùng 4 công tắc hành trình ở đầu và cuối mỗi trục của bàn máy Và 4 công tắc hành trình này sẽ được nối với 4 chân ngắt port B (từ RB4 đến RB7) của vi điều khiển

3.3 Mạch động lực

3.3.1 Giới thiệu về Driver điều khiển động cơ bước TB6560

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại driver điều khiển động cơ bước khácnhau như các Driver dùng cho các động cơ bước trong công nghiệp điều khiển tốtnhưng có giá thành khá cao đến những Driver dùng trong thí nghiệm có dòng quađộng cơ nhỏ như… qua tìm hiểu luận văn chọn dòng Driver TB6560 vì driver này cónhững ưu điểm sau

− Giá thành vừa phải

− Dòng tối đa cho động cơ bước hoạt động đến 3A

− Hỗ trợ điều khiển vi bước lên đến 1/16

− Có chế độ điều chỉnh dòng qua động cơ từ 0.3A đến 3A

Hình 3.3: Driver điều khiển động cơ bước TB6560

Hình 3.4: Sơ đồ khối Driver TB6560

Chức năng của các khối:

Chương 3: Thiết kế phần điện

− Khối nguồn: sử dụng nguồn DC 12V hoặc 24V cấp cho động cơ và biến đổi thành điện áp 5V cung cấp cho các khối còn lại

− Khối cách li quang: cách li tín hiệu điều khiển với driver động cơ

− Khối tín hiệu điều khiển: gồm các chân đầu vào EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+

− Khối thiết lập chế độ: Gồm các switch cho phép người dùng thiết lập các chế độtùy chọn như: chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước

− Khối Driver động cơ: Sử dụng IC TB6560 điều khiển hoạt động của động cơ bước

− Khối động cơ: Gồm 4 chân: A+, A-, B+, B- cho phép kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước lưỡng cực

Các chế độ tùy chỉnh của Driver TB6560:

Chọn dòng

SW1 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF ON ON ON ON ON ON ON

SW2 OFF OFF ON ON ON OFF ON OFF OFF ON OFF ON ON ON

SW3 ON ON OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF ON ON OFF ON

S1 ON OFF ON OFF ON ON OFF ON OFF ON OFF ON OFF OFF

Hình 3.5: Bảng chọn dòng hoạt động cho động cơ

Ở chế độ này người dùng có thể tùy chỉnh dòng cho phù hợp với thông số yêucầu của đông cơ bằng cách ON hoặc OFF các switch SW1, SW2, SW3 và S1 như bảng

Hình 3.7: Sơ đồ kết nối giữa TB6560 và vi điều khiển

Đầu vào của Driver gồm có 6 chân:

− EN-, EN+: Tín hiệu cho phép hoặc không cho phép module hoạt động

− CW-, CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ

− CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ

Với thiết kế 2 chân điều khiển một chức năng như thế này, module TB6560 chophép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1

3.3.2 Giới thiệu khái quát và nguyên lí hoạt động về động cơ bước

Động cơ bước nhờ có bộ chuyển mạch điện tử, để đưa tín hiệu điều khiển vàocác cuộn dây stator, theo một thứ tự và một tần số nhất định tổng góc quay của rotortương ứng với số lần chuyển mạch , cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor,phụ thuộc vào thứ tự dịch chuyển và tần số chuyển đổi

Động cơ bước cơ bản chia làm 3 loại: động cơ bước nam châm vĩnh cữu, động cơbước biến trở từ, động cơ bước lai

a) Động cơ bước nam châm vĩnh cữu

Động cơ bước nam châm vĩnh cữu có 3 loại là: loại đơn cực, loại lưỡng cực vàloại nhiều pha

Hình 3.8: Động cơ bước đơn cực

Chương 3: Thiết kế phần điện

Động cơ bước đơn cực, cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc

8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 3.8, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Hình 3.9: Động cơ bước hai cực

Động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực có cấu trúc cơ khí giống ynhư động cơ đơn cực, nhưng hai mấu của động cơ được nối đơn giản hơn, không cóđầu trung tâm Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhưng mạch điều khiển đểđảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn

Hình 3.10: Động cơ bước nhiều pha

Loại động cơ bước nhiều pha ít thông dụng hơn, loại động cơ này các cuộn dâycủa nó nối tiếp nhau tạo thành một vòng kín

b) Động cơ bước biến trở từ

Nếu động cơ có 3 cuộn dây, được nối như trong biểu đồ hình 1.1, với một đầunối chung cho tất cả các cuộn, thì nó chắc hẳn là một động cơ biến từ trở Khi sử dụng,dây nối chung (C) thường được nối vào cực dương của nguồn và các cuộn được kíchtheo thứ tự liên tục.

c) Động cơ bước lai

Hình 3.12: Động cơ bước lai

Loại động cơ bước lai về cấu tạo giống với động cơ bước kiểu đơn cực Tuynhiên chỉ có 4 đầu ra Rotor cho động cơ bước lai có nhiều răng Ưu điểm của động cơbước loại này là tạo được mômen lớn Tuy nhiên mạch điều khiển loại động cơ nàyphức tạp hơn, chúng ta phải đảo chiều dòng điện cho các cuộn dây Mạch điều khiển

sử dụng mạch cầu H

d) Điều khiển động cơ bước

Có 3 chế độ điều khiển động cơ bước đó là điều khiển đủ bước, điều khiển nửabước, điều khiển vi bước

• Điều khiển đủ bước

Đối với động cơ bước một pha: tai một thời điểm chỉ có một mấu được cấp điện

Chương 3: Thiết kế phần điện

• Điều khiển nửa bước

Miễn là không có phần nào của mạch từ bão hòa, thì việc cấp điện đồng thời chohai mấu động cơ sẽ sinh ra một moment xoắn theo vị trí là tổng của các moment xoắnđối với hai mấu động cơ riêng lẻ Đối với động cơ hai mấu nam châm vĩnh cửu hoặchỗn hợp, hai đường cong này sẽ là S radians khác pha, nếu dòng qua hai mấu bằngnhau thì đỉnh của tổng sẽ nằm ở vị trí S/2 radians kể tử đỉnh của đường cong gốc nhưhình 3.13

Hình 3.13: Điều khiển nửa bước

• Điều khiển vi bước

Điều khiển vi bước cho phép các bước nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khácnhau qua hai mấu động cơ như hình 3.14

Hình 3.14: Điều khiển vi bước

3.4 Mạch giao tiếp

Mạch giao tiếp có vai trò truyền dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển qua chuẩntruyền UART

Hiện tại có rất nhiều dòng IC hỗ trợ cho chuẩn truyền UART như: MAX-232,FT230, PL-232, PL-2303HXD… Với những dòng IC trên luận văn chọn dòng chip cóchuyển đổi giữa USB và UART cho thuận tiện trong quá trình sử dụng Do đó, dòng

IC PL-2303HXD là thích hợp nhất vì dòng IC này hỗ trợ gần hết các hệ điều hànhtrong đó có windows 8 trong khi dòng IC PL-2303 chỉ hỗ trợ trên windows 7 và dòng

IC này có giá thành thấp

Hình 3.15: Mạch nguyên lí USB-UART dùng IC PL-2303HXD

Trong đó, hai chân TXT là chân truyền dữ liệu từ máy tính xuống vi điều khiển,còn chân RXD là chân nhận dữ liệu từ vi điều khiển gửi lên máy tính

Ảnh được tách biên và lấy tọa độ

Truyền tọa độ xuống vi điều khiển

Vi điều khiển dựa vào tọa độ nhận được để điều khiển hai đông cơ

Ảnh được đưa vào máy tính

Chương 4: Chương trình giải thuật

Chương 4: Chương trình giải thuật cho bàn máy

4.1 Tổng quan về giải thuật chương trình

Giảỉ thuật của chương trình sẽ nhập một bức ảnh vào chương trình xử lí ảnh sau

đó bức ảnh sẽ được tách biên và lấy tọa độ của đối tượng trong bức ảnh sau đó các tọa

độ của ảnh sẽ được truyền từ máy tính xuống vi điều khiển thông qua chuẩn truyềnUART Từ tọa độ nhân được vi điều khiển sẽ cung cấp xung cho động cơ để điềukhiển bộ phận công tác Ý tưởng chung này được thể hiện rõ hơn qua sơ đồ 4.1 sau:

Hình 4.1: Sơ đồ khối chung cho chương trình

Như vậy, ở đây ta có hai chương trình cần thực hiện đó là giải thuật xử lí ảnh đểlấy tọa độ và giải thuật điêu khiển của vi điều khiển

Chương trình giải thuật xử lý ảnh bao gồm giải thuật lấy tọa độ vẽ biên và lấy tọa

độ vẽ đầy ảnh Hình ảnh được tách biên thì sẽ có một số điểm ảnh bị mất đi hoặcchúng dư thừa mà bức ảnh ta cần vẽ không cần đến những điểm ảnh đó Như vậy, bên

được tách ra quá ngắn và thực sự không cần thiết trong bức ảnh và chương trình nộisuy thêm những điểm ảnh bị mất đi khi được tách biên làm mất tính liên tục trong lúcvẽ.

Chương trình điều khiển của vi điều khiển dựa vào các tọa độ được truyền mà viđiều khiển sẽ quyết định cho hoạt động các timer để điều khiển vị trí và tốc độ của haiđộng cơ bước và một động cơ RC servo

4.2 Giải thuật xử lí ảnh.

Phần giải thuật xử lí ảnh là một phần rất quan trọng trong luận văn nó quyết địnhquỹ đạo đường đi của bộ phận công tác, các chi tiết vẽ của bức ảnh… Ở phần xử líảnh, luận văn xây dựng hai chương trình giải thuật đó là giải thuật lấy tọa độ cho việc

vẽ biên (hay đường bao của đối tượng trong ảnh) và giải thuật vẽ đầy bức ảnh (tô đầyảnh) Và giải thuật chung cho toàn chương trình xử lí ảnh được thể hiện qua sơ đồ hình4.2 Đầu tiên ảnh sẽ được đưa vào chương trình xử lí ảnh rồi chuyển ảnh sang ảnhxám Đến đây, chương trình sẽ có hai sự lựa chọn là lấy tọa độ theo chế độ vẽ biên(đường bao) hay vẽ đầy ảnh (tô ảnh) Nếu chọn theo chế độ vẽ biên thì ảnh được táchbiên theo Phương pháp Canny và lấy tọa độ Nếu chọn theo chế độ vẽ đầy ảnh thì ảnh

sẽ không được tách biên mà chuyển ảnh xám lúc đầu thành ảnh nhị phân (ảnh chỉ cóhai màu đen và trắng) và từ ảnh này sẽ tọa độ cho chế độ vẽ đầy ảnh

Chương 4: Chương trình giải thuật

Hình 4.2: Sơ đồ giải thuật chung cho xử lí ảnh4.2.1 Khái quát về xử lí ảnh trên C#

Ảnh: là một tập hữu hạn các điểm ảnh nằm liền kề nhau Ảnh thường được biểudiễn bằng một ma trận hai chiều Mỗi phần tử của ma trận là một điểm ảnh

Ảnh số (Digital image): đây là đối tượng mà máy tính xử lý Ảnh số chỉ là một

ma trận 2 chiều, và việc xử lý chúng chỉ là những thao tác trên ma trận này sao cho rakết quả hợp lý Ví dụ một bức ảnh số có độ phân giải 640x480 nghĩa là chiều ngang có

640 điểm ảnh (pixel), chiều dọc có 480 điểm ảnh, và mỗi điểm ảnh được biểu diễn

Hình 4.3: Ảnh số

Ảnh màu: thông thường, ảnh màu thường được tạo nên từ 3 ảnh xám của 3 màu

cơ bản đỏ ( R ), xanh lá ( G ), xanh dương ( B ) Tất cả các màu trong tự nhiên đềuđược kết hợp từ 3 màu cơ bản này

Hình 4.4: Ảnh màu

Ảnh xám: giá trị mỗi điểm ảnh nằm trong giải giá trị từ 0 đến 255, nghĩa là cần 8bit hay 1 byte để biểu diễn mỗi điểm ảnh này

Hình 4.5: Ảnh xám