Đề tài thiết kế mô hình máy CNC loại nhỏ

một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổchức sản xuất và quản lý chất lượng sản phẩm...Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY GIA CÔNG TỰ ĐỘNG 4

1.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC 4

1.2 Cấu tạo của các máy NC, CNC 6

1.2.1 Phân biệt máy CNC và máy NC 6

1.2.2 Các kết cấu cơ bản về cơ khí 6

1.3 Các động cơ sử dụng trên máy CNC 15

1.3.1 Động cơ 1 chiều 15

1.3.2 Động cơ xoay chiều 15

1.3.4 Động cơ bước 16

1.3.5 Động cơ servo 18

1.4 Cảm biến sử dụng trong máy CNC 18

1.4.1.Khái niệm chung 18

1.4.2.Phân loại 19

1.5 Lập trình 19

1.5.1 Lập trình bằng máy 20

1.5.2 Ngôn ngữ lập trình 20

1.5.3 Ngôn ngữ lập trình tự động 20

1.6 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ CẢI TIẾN MÁY GIA CÔNG ĐA NĂNG MICRO LATHER 21

2.1 Cơ bản về thiết bị cần cải tiến 22

2.2 Phân tích và cải tiến chiếc máy MICRO LATHE thành máy gia công bán tự động 23

2.2.1 Thiết kế mạch điện phần cứng thay đổi cấp tốc độ cho trục chính bằng vi xử lý 24

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển vị trí ăn dao vào chi tiết 27

2.2.3 Phần thiết kế mạch cho vi xử lý 29

2.2.4 Modul giao tiếp máy tính để lập trình 31

2.2.5 phần hiển thị cho biết trạng thái đang làm việc của hệ thống 32

2.2.6 Phần mềm lập trình trên máy tính 33

2.3 Kết luận chương 2 34

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CNC LOẠI NHỎ 35

3.1 Tổng quan, phạm vi và chức năng của máy 35

Sơ đồ khối 35

3.2 Phân tích và đưa ra giải pháp gia công phần cơ khí cho mô hình 38

3.2.1 Kết cấu cơ khí trục Z 38

3.2.2 Kết cấu cơ khí trục X 40

3.2.3 Kết cấu cơ khí trục Y 42

3.2.4 Công tắc hành trình 43

3.2.5 Gá mạch và tản nhiệt cho IC công suất 43

3.2.6 Lắp ghép mô hình 44

3.3 Phân tích và thiết kế mạch điện điều khiển 45

3.3.1.Phân tích lựa chọn vi điều khiển sử dụng điều khiển mô hình 45

3.3.2 Thiết kế khối giao tiếp với máy tính thông qua cổng truyền thông đa năng USART 53

3.3.3 Sơ đồ mạch điện cho bộ nhớ ngoài 54

3.3.4 Sơ đồ mạch điện phần công suất điều khiển động cơ 56

3.3.4 Sơ đồ mạch nguồn 59

3.4 Thiết kế phần mềm 60

3.4.1 Thiết kế phần mềm cho vi điều khiển 60

3.4.2 Thiết kế giao diện trên máy tính 70

3.5 Chạy thử mô hình và đánh giá kết quả 76

3.6 Kết luận chương 3 76

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay máy tính càng ngày càng đi sâu vào các lĩnh vực của đời sống xãhội, đặc biệt là các nghành khoa học và kĩ thuật thì máy tính hầu như không thểthiếu được Nếu không có sự ra đời của bộ máy tính thì nghành khoa học kĩ thuậtcũng như các nghành khác sẽ phát triển như thế nào Thử lấy một ví dụ, người côngnhân muốn thiết kế ra một chi tiết máy sử dụng các công cụ có sẵn của mình Khi

đó, anh ta phải căn cứ vào bản vẽ và tất nhiên phải có khả năng đọc bản vẽ, căn cứvào bản vẽ để thực hiện gia công chi tiết đó trên máy gia công của mình Anh tacần phải biết được gia công phần nào trước, phần nào sau Độ chính xác của chi tiếtthì lại không thể tính toán được bằng các công thức mà nó chỉ phụ thuộc vào chiếcmáy anh ta gia công và trình độ bậc thợ của anh ta Như vậy ta cũng có thể thấyđược chi tiết gia đời mất rất nhiều thời gian và công sức, mà kết quả đem lại lạikhông được cao Nếu đem gia công 1000 chi tiết thì sẽ thấy được năng suất côngviệc rất thấp Do đó sự can thiệp của máy tính vào lĩnh vực này là điều tất yếu,chiếc máy CNC đã được ra đời để giải quyết vấn đề cho người công nhân

Đề tài này tôi chọn nghiên cứu về chiếc máy gia công tự động Bên cạnh đótôi cũng sẽ tiến hành cải tiến một chiếc máy gia công đa năng thành một chiếc máygia công bán tự đông Cuối cùng tự tay tôi sẽ thiết kế ra một mô hình máy CNCloại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đãđược học và nghiên cứu tại trường Trong quá trình thực hiện đề tài này tôi đã nhậnđược sự giúp đỡ của rất nhiều thầy cô giáo cũng như bạn bè của tôi Đặc biệt tôi xintrân trọng gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Th.S Nguyễn Văn Tiềm đã giúptôi rất nhiều trong việc hoàn thành đề tài này

Trong đề tài này, nội dung được chia ra làm 3 chương, bao gồm:

Chương 1 Tìm hiểu về máy gia công tự động

Chương 2 Thiết kế cải tiến máy gia công đa năng Micro Lathe

Chương 3 Thiết kế mô hình máy CNC loại nhỏ

Phần nội dung đề tài tôi sẽ trình bày chi tết các nội dung đã giới thiệu ở trên

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU VỀ MÁY GIA CÔNG TỰ ĐỘNG

1.1 Khái quát về điều khiển số và lịch sử phát triển của máy CNC

Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá

trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là mộtquá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại,robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi vàsản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên baogồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên mộtchương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theochương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủylực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic Ngày nay, với việc ứng dụng các thànhquả tiến bộ của Khoa học - Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tinhọc đã cho phép các nhà Chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệthống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn,thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Về mặt khoa học: Trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kỹthuật đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xáccao hơn mà trước đây hoặc chưa đủ điều kiện hoặc quá phức tạp khiến ta phải bỏqua một số yếu tố và dẫn đến một kết quả gần đúng Chính vì vậy đã cho phép cácnhà Chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độchính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phứctạp và chính xác hơn

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hangkhông vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xetăng là cao nhất (có độ chính xác và độ tin cậy cao nhất, có độ bền và tính hiệuquả khi sử dụng cao ) Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trìnhphát 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 mạnhhơn về khả năng lưu trữ và xử lý

Từ các máy CNC riêng lẽ (CNC Machines - Tools) cho đến sự phát triển cao hơn là các trung tâm gia công CNC (CNC Engineering - Centre) có các ổ chứa dao

lên tới hàng trăm và có thể thực hiện nhiều nguyên công đồng thời hoặc tuần tựtrên cùng một vị trí gá đặt Cùng với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, cácmạng cục bộ và liên thông phát triển rất nhanh đã tạo điều kiện cho các nhà côngnghiệp ứng dụng để kết nối sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lý của

một máy tính trung tâm DNC (Directe Numerical Control) với mục đích khai thác

một cách có hiệu quả nhất như bố trí và sắp xếp các công việc trên từng máy, tổchức sản xuất và quản lý chất lượng sản phẩm

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạtđến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ 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, cáckiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đángkể

Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC

Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM

1.2 Cấu tạo của các máy NC, CNC

1.2.1 Phân biệt máy CNC và máy NC

Máy NC, CNC đều là các máy gia công tự động, sự khác biệt cơ bản giữa hailoại này đó là:

- Máy NC có qui mô lớn hơn, nó thường được chia ra làm các dây chuyền,công đoạn sản xuất chi tiết Toàn bộ quá trình sản xuất chi tiết được chia ra làmcác công đoạn khác nhau như gia công thô, gia công tinh, chuyển phôi …Ngoài rachương trình làm việc và quá trình gia công được quyết định chủ yếu bởi các linhkiện điện tử phần cứng, sự thay đổi chương trình chỉ ở một phần nhỏ các thông sốhoạt động của hệ thống, và dĩ nhiên nó không có sự can thiệp của máy tính trongmục đích lập trình cũng như thay đổi chương trình làm việc

- Đối với máy CNC, nó là một sản phẩm của lý thuyết điều khiển số, có nghĩa

là toàn bộ quá trình vận hành từ khi đưa phôi vào máy cho đến khi ra sản phầm đều

có sự dám sát và điều khiển của hệ thông các cảm biến và các bộ sử lý Sự khácbiệt với máy NC là máy CNC có thể thay đổi chương trình làm việc của mình trênmáy tính thông qua một chuẩn giao tiếp nào đó Vì lý do đó làm cho nó có khảnăng linh hoạt trong sản xuất các chi tiết khác nhau, không bị bó cứng khả năng của

hệ thống

1.2.2 Các kết cấu cơ bản về cơ khí.

Về cơ bản chúng đều có kết cấu khung giống nhau như hình 1.3 đó là:

- Ổ chứa dao: Chứa các dao sẽ sử dụng trong quá trình gia công, tùy thuộc vàođặc thù của chi tiết cũng như đặc thù của phôi để dao nào được chọn mang đigia công, dao ở đây có thể là mũi khoan, dao phay, mũi dao tiện…các daođược đánh số theo mã số, khi có nhu cầu cần thay mũi dao hiện tại bằng mộtmũi dao nào đó thì người lập trình phải cung cấp mã của dao vào trong mộtcâu lệnh được qui định sẵn Cụ thể ngôn ngữ lập trình cho máy sẽ được giớithiệu chi tiết ở phần sau, khi đó, chúng ta có thể biết được cần phải làm gì đểcho máy hoạt động

- Cơ cấu thay dao tự động: Cơ cấu này có nhiệm vụ nhận lệnh thay dao từchương trình và thực hiện chuyển dao đang gia công vào ổ chứa dao vàchuyển dao cần thay vào cán dao Khi thay dao, hệ thống phải dừng lại.

- Các động cơ giúp tạo chuyển động cho quá trình gia công, có thể là động cơtrục chính, động cơ tiến dao, động cơ thay dao hay động cơ trượt bàn…

- Bảng điều khiển và màn hình: Cho phép ta nhìn thấy trạng thái làm việc củathiết bị cũng như can thiệp vào quá trình làm việc của máy

a Phần thân và đế máy

Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp

10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác

Yêu cầu:

Hình 1.3: Cấu tạo máy CNC

- Phải có độ cứng vững cao.

- Phải có các thiết bị chống rung động

- Phải có độ ổn định về nhiệt

Mục đích:

- Đảm bảo độ chính xác cao khi gia công

- Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy

b Bàn máy và bàn xoay

Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển độnglinh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tănglên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp Đa sốtrên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là dạng bànmáy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làm tăng tính vạnnăng cho máy CNC

Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ ổn định, cứng vững , được điều khiểnchuyển động một cách chính xác Hình vẽ bên dưới là hình ảnh thực tế của bànxoay

Phân loại: Bàn xoay trên máy phay CNC và các trung tâm gia công có thểđược phân ra làm các loại như sau:

 Loại tiêu chuẩn:

Là loại bàn xoay này dùng để gá đặt chi tiết sao cho tâm của chi tiết trùngvới tâm trục chính Có thể gia công được nhiều dạng bề mặt khác nhau như giacông mặt phẳng, gia công rãnh thẳng hoặc rãnh xoắn và gia công các mặt định hìnhvới dao định hình, đôi khi dùng để cắt bánh răng với dao phay môđun

Loại bàn xoay tiêu chuẩn có thể phân ra làm hai loại :Loại có trục chính nằmngang.và loại có trục chính thẳng đứng Hình 1.5 bên dưới là hình ảnh về loại bànxoay có trục chính nằm ngang

Hình 1.4: Bàn xoay

 Loại bàn xoay có động cơ lắp phía sau

- Loại bàn xoay này có khả năng hạn chế sự rung động khi máy đang làmviệc

- Loại động cơ này có thể che chắn nước và phoi vụn, không cho chúng rơivào động cơ

Hình 1.6 là hình ảnh thực tế của một loại bàn xoay có động cơ lắp phía sau:

 Loại bàn xoay có lỗ trục chính lớn

Loại bàn xoay này có trục chính có lỗ lớn, dùng để gia công các phôi dàihoặc các ống Kích thước lỗ trục chính của chúng có khả năng được mở rộng để mởrộng phạm vi làm việc cho máy Loại này thích hợp cho việc sản xuất hàng khối.Tương tự như loại bàn xoay tiêu chuẩn, loại bàn xoay này cũng được chia làm hailoại trục chính nằm ngang và loại trục chính thẳng đứng Nhìn vào hình 1.7 ta cũng

có thể thấy bàn xoay này có lỗ rất lớn ở tâm

Hình 1.5: Bàn xoay có trục chính nằm ngang

Hình 1.6: Bàn xoay có động cơ lắp phía sau

 Loại bàn xoay có nhiều trục chính

Loại bàn xoay nhiều trục chính cho phép gá đặt cùng lúc nhiều chi tiết Loạibàn xoay nhiều trục chính có năng suất gấp nhiều lần so với loại bàn xoay tiêuchuẩn, thích hợp cho sản xuất hàng loạt và hàng khối Hình 1.8 minh họa cho loạibàn xoay có nhiều trục chính

 Loại bàn xoay nghiêng

Loại bàn xoay này có hai trục Bàn xoay có thể nghiêng đi nhờ xoay quanhđược một trục nào đó Do đó loại này có khả năng công nghệ cao, có thể sử dụnglàm đồ gá để gia công các mặt phẳng, các rãnh các gờ lồi và đặt biệt là gia công các

bề mặt nghiêng ở nhiều góc độ khác nhau Loại bàn xoay này được phân ra hai loạinhư sau:

- Loại điều khiển nghiêng tự động: cả hai trục của bàn xoay được điều khiểnhoàn toàn tự động từ hệ thống CNC

- Loại điều khiển nghiêng bằng tay: chuyển động làm nghiêng trục được thựchiện bằng tay

Dưới đây là hình ảnh minh họa cho loại bàn xoay có trục chính nằm nghiêng

Hình 1.7: Loại bàn xoay có lỗ trục chính lớn

Hình 1.8: Loại bàn xoay nhiều trục chính

 Loại cỡ lớn

Ngoài các loại nêu trên, các nhà sản xuất bàn xoay còn chế tạo loại bàn xoay

có kích thước bàn từ 1m đến 3m hoặc lớn hơn Loại bàn xoay này có trục chínhthẳng đứng hoặc nằm ngang với độ chính xác cao Chúng được dùng để gia công

các chi tiết lớn, nặng (có thể lên đến 10.000kg) và cho các ứng dụng về đo lường

c Cụm trục chính

Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắtgọt phôi trong quá trình gia công

 Nguồn động lực điều khiển trục chính

Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servotheo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác

và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phầnquay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh

Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chínhlên rất nhanh

 Các dạng điều khiển trục chính

Hình 1.9: Loại bàn xoay nghiêng

d Hệ thống thanh trượt

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyểnđộng của bàn theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính Yêucầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứng vữngtốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

Điều khiển Đai

- Ưu điểm chính là

nó có thể cải thiện được tốc độ trục

12000v/p

- Tạo ra quá trình làm

việc êm

Điều khiển Bánh răng

- Nó có khả năng duy trì tốc độ 10000v/p chế

độ tải nặng

Hình 1.10: các kiểu truyền động trục chính

Hình 1.11: Hệ thống thanh trượt

e Ổ tích dụng cụ

Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổ tíchdao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liêntiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mangtính tự động hóa cao Có 3 dạng chính là:

Ưu điểm so với thao tác bằng tay

 Rút ngắn được thời gian đổi dụng cụ

 Tránh được lỗi

 Tránh được rủi ro tai nạn

 Có khả năng tự động hóa ở cấp độ cao

Nhược điểm

 Nhu cầu đầu tư bổ sung

 Tăng chi phí cho lắp đặt

Cơ cấu thay dao tự động

Cùng với ổ tích dao cơ cấu thay dao tự động giúp cho việc thay dao đượcchính xác và nhanh gọn, nâng cao tính tự động hóa Trong quá trình gia công khicần chuyển sang nguyên công cắt gọt khác cần phải thay dao thì ta không phảidừng máy để thay dao bằng tay mà hệ thống sẽ tự động thay dao theo chương trình

ta đã lập trình sẵn

Hình 1.12: Các kiểu ổ tích dao

f các xích động học của máy CNC

Các đặc điểm của hệ thống máy công cụ điều khiển số:

Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2 loại cơ bản sau:

- Xích động học tốc độ cắt gọt ( hình b )

- Xích động học của chuyền động chạy dao ( hình a )

Thông thường các xích cắt gọt bắt đầu từ một động cơ có tốc độ thay đổi vô cấp, dẫn đông trục chính thông qua một hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp độ, nhằm khuyếch đại các mômen cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu của động

cơ Xích động học chạy dao bao gồm các phần tử, các cụm kết cấu đảm bảo cácchuyển động của bàn xe dao trên máy công cụ điều khiển số Xích chạy dao phải thỏa mãn một số chức năng sau:

- Truyền động cho các bộ phận dịch chuyển với tốc độ đều, chạy êm và ổnđịnh

- Thực hiện được các thay đổi vận tốc theo chương trình, xác định được cả

về trị số và chiều, không có sự tháo lỏng chi tiết hoặc thay đổi vị trí tươngđối giữa dao và chi tiết gia công

- Cung cấp các lực cần thiết để thắng các thành phần lực cắt theo chiềuchuyển động

- Trong trường hợp cần thiết, các bộ phận nào đó cần phải đảm bảo nhiềuchức năng đo lường các dịch chuyển của bàn xe dao

Hình 1.13: Cơ cấu thay dao

Để thỏa mãn 2 yêu cầu đầu tiên, xích chạy dao cần có tần số dao động riênglớn nhất theo điều kiện có thể tính ngay từ đầu nguồn động lực của xích Giả địnhrằng khối lượng của bàn máy và chi tiết gia công là một dữ kiện, ta cố gắng dùngnhững cơ cấu có quán tính nhỏ nhất có thể, đồng thời có độ cứng vững cao nhất.Như vậy, ta nhận thấy lí thuyết tính toán thiết kế động học các xích truyền độngtrong máy công cụ vạn năng thông thường không còn ý nghĩa nhiều đối với máycông cụ điều khiển số Những nguyên tắc như truyền dẫn vô cấp, truyền dẫn độclập và nguyên tắc môđun hóa các kết cấu là những nguyên tắc cơ bản cho tính toánthiết kế máy công cụ điều khiển số.

1.3 Các động cơ sử dụng trên máy CNC

1.3.1 Động cơ 1 chiều

Ưu điểm:

 Momen khởi động lớn,dễ điều khiển tốc độ và chiều, giá thành rẻ

Nhược điểm:

 Dải tốc độ điều khiển hẹp

 Phải có mạch nguồn riêng

1.3.2 Động cơ xoay chiều

Ưu điểm:

 Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều

Hình 1.14: Hai loại xích động học

Hình 1.15: Hình ảnh thực tế của động cơ bước

Hình 1.16: Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu

 Đa dạng vâ 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, momen khởi động nhỏ

 Mạch điều khiển tốc độ phức tạp,(biến tần)

1.3.4 Động cơ bước

Ưu điểm:Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, khônng cần mạch phản hồi

Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Nhược điểm: Giá thành cao, momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ

Động cơ bước được chia ra làm nhiều loại, bao gồm:

a Động cơ nam châm vĩnh cửu :

Hay còn gọi là động cơ bước kiểu tác dụng và thường được chế tạo có cựcmóng Động cơ này có góc bước thay đổi từ 60 450 trong chế độ điều khiển bước

đủ, mômen hãm từ 0,5  25 Ncm, tần số khởi động lớn nhất là 0,5 và tần số làmviệc lớn nhất ở chế độ không tải là 5 Khz

Ở hình 1.16 thì số 1 và 2) Hai nửa Stator có dạng cực móng được từ hóa vớicực N và S xen kẻ nhau; 3) Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một

cuộn điều khiển lưỡng cực) được đặt ở bên trong hai nửa stator; 4)Rotor nam châmvĩnh cửu cĩ các cực từ xen kẻ

b Động cơ bước cĩ từ trở thay đổi :

Hay cịn gọi là động cơ phản kháng Kiểu động cơ này cĩ gĩc nằm trong giớihạn từ 1,80  300 trong chế độ điều khiển bước đủ, mơmen hãm từ 1 50 Ncm, tần

số khởi động lớn nhất là 1 Khz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện khơngtải là 20 Khz Stato được chế tạo thành dạng răng với bước cực s Cuộn dây pha(2) được quấn trên 2 hoặc 4 răng đối xứng nhau, roto của động cơ cũng được chếtạo thành dạng răng cĩ bước cực r

Hình 1.17: Cấu tạo động cơ bước cĩ từ trở thay đổi

1) Stato được chế tạo thành dạng răng; 2) Cuộn dây pha; 3) Roto có từ

trữ thay đổi được chế tạo thành dạng răng

c Động cơ bước hổn hợp :

Hình 1.18 : Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp

Hay cịn gọi là động cơ bước cảm ứng, cĩ gĩc bước thay đổi trong khoảng0,36 - 150 trong chế độ bước đủ, mơmen hãm từ 3 - 1000 Ncm, tần số khởi độnglớn nhất là 40 khz Trong các loại động cơ bước kể trên thì động cơ bước hổn hợpđược sử dụng nhiều hơn cả Vì loại động cơ này kết hợp các ưu điểm của hai loại

động cơ trên đó là: Động cơ nam châm vĩnh Cửu với dạng cực móng, và động cơ

có từ trở thay đổi

Cấu tạo của động cơ bước thay đổi hổn hợp là sự kết hợp giữa động cơ bướcnam châm vĩnh cữu và động cơ bước có từ trở thay đổi Phần Stato được cấu tạohoàn toàn giống Stator của động cơ bước có từ trở thay đổi Trên các cực của Statođược đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 4 cuộn dây (h.2-3)hoặc được quấn thành 2 cuộn dây (h.2-4) đặt xen kẻ nhau để hình thành lên các cực

N và S đồng thời đối diện với mỗi cực của bối dây là răng của Roto và cũng đượcđặt xen kẽ giữa hai vành răng số 3 của Roto

1.3.5 Động cơ servo

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu

ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay vận tốc và vịtrí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kì lí do nào ngăn cảnchuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạtđược vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạtđược điểm chính xác Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sửdụng trong nhiều máy khác nhau từ máy tiện điều khiển bằng máy tính đến các môhình máy bay, xe hơi Ứng dụng mới nhất là sử dụng trong robot Những ứng dụngnày là tiền đề cho việc đưa vào quá trình sản xuất những thành tựu như điều khiểnmáy CNC, trung tâm gia công Đối với chuyển động chất lượng cao ta buộc phải

sử dụng động cơ servo xoay chiều ba pha, loại là động cơ không đồng bộ Roto lồngsóc hay đồng bộ kích thích vĩnh cửu Loại động cơ này có một số đặc điểm chungnhư sau:

vi xử lý thì chỉ cần một vài dòng lệnh là đủ Một động cơ DC điển hình cần cáctransistor công suất, MOSFET hay relay nếu muốn kết nối với máy tính Còn servo

có thể gắn trực tiếp với máy tính hay bộ vi xử lý mà không cần một linh kiện điện

tử nào cả Tất cả yếu tố cần thiết để điều khiển công suất đều được quản lý bởimạch điều khiển để tránh rắc rối Đây là lợi ích chủ yếu khi sử dụng servo cho cácrobot điều khiển bằng máy tính

1.4 Cảm biến sử dụng trong máy CNC

1.4.1 Khái niệm chung

Encoder là đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trígóc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác địnhđược vị trí trục hoặc bàn máy Tín hiệu ra của Encoder cho dưới dạng tín hiệu số.Encoder được sử dụng làm phần tử chuyển đổi tín hiệu phản hồi trong các máyCNC và robot Trong máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy đượcdẫn động từ một động cơ qua vit me đai ốc bi tới bàn máy Vị trí của bàn máy cóthể xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyền dẫn Ngoài ra, nếu ta tính kèmtheo thời gian ta cũng có thể biết được vận tốc chuyển động của chi tiết hoặc dao ởtrong những trường hợp cần thiết.

1.4.2 Phân loại

Tùy thuộc vào chuyển động của Encoder mà người ta chia nó thành hai kiểu

có nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống nhau:

- Encoder thẳng: chiều dài của encoder thẳng phải bằng tổng chuyển động thẳngtương ứng có nghĩa là chiều dài cần đo phải bằng chiều dài thước

- Encoder quay: là một đĩa nhỏ và kích thước encoder không phụ thuộc vào

khoảng cách đo Nó có thể đo được cả thong số dịch chuyển và tốc độ

Rõ ràng nếu ta sử dụng encoder dạng đĩa quay thì không cần quan tâm nhiều nhưngnếu ta sử dụng encoder thẳng thì buộc lòng chiều dài của encoder phải dài ít nhấtbằng chiều dài của dịch chuyển cần đo Trong máy CNC điều khiển số, chuyểnđộng của bàn máy được dẫn động từ động cơ qua trục vít me_đai ốc_bi tới bànmáy Vị trí bàn máy có thể được xác định được nhờ encoder lắp trong cụm truyềndẫn Hình

Hình 1.19: Đĩa quay encoder dạng tròn

1.5 Lập trình

Tương tự như lập trình bằng tay, nhưng các tính toán trong quá trình lậptrình

được giảm xuống một cách đáng kể và thực hiện nhanh hơn nhờ trong các máy tính

đã được trang bị các bộ xử lý, bộ nội suy và chứa các dữ liệu cần thiết mà người ta

có thể sử dụng bất kỳ khi nào muốn

1.5.1 Lập trình bằng máy

Từ cơ sở CAD: Vẽ và thiết kế trên máy tính, người ta đã đưa vào một hệthống biên dịch trợ giúp cho quá trình lập trình, sau khi đã thiết kế xong chi tiết,người ta có thể lựa chọn quy trình công nghệ gia công và cách thức gia công (Nhưcắt thô, cắt bán tinh hay cắt tinh và rất tinh, các kiểu tiến hành ăn dao ) và từ kiểuđược lựa chọn đó máy tính sẽ thông qua bộ vi xử lý (Processor) sẽ xác định mộtchương trình gia công thích hợp dưới dạng mô tả các quá trình dịch chuyển dụng

cụ và các chế độ công nghệ tương ứng Công việc tiếp theo là mã hóa chương trìnhgia công trên do bộ hậu xử lý (Postprocessor) theo code của hệ thống điều khiển sốtương thích được lắp trên máy để cho ra chương trình gia công thích hợp với ngônngữ máy Kỹ thuật đó gọi là CAM Hiện nay, các phần mềm CAD/CAM càng ngàycàng mạnh hơn và có nhiều chức năng hơn cũng như giá thành ngày càng rẽ hơn và

đã cho phép người sử dụng rất thuận lợi trong quá trình lập chương trình gia công.Đặc biệt là với các máy 3D, 4D, 5D

1.5.2 Ngôn ngữ lập trình

Về ngôn ngữ lập trình cho các máy NC, người ta phân chia thành 2 loại:ngôn ngữ lập trình bằng tay và ngôn ngữ lập trình tự động Đối với ngôn ngữ lậptrình bằng tay, về cơ bản thì hiện nay đã được tiêu chuẩn hóa bởi ISO Tuy nhiêncũng còn một số quốc gia, một số hãng chế tạo máy vẫn có một số mã code riêngkhác với tiêu chuẩn mà nó chỉ có thể dùng thích hợp trên các thiết bị đó Đây cũng

là một trong những vấn đề gây khó khăn và trở ngại cho các cán bộ lập trình vì thóiquen khi sử dụng ngôn ngữ đã có trước đó, đặc biệt là khi mà nhà máy hoặc xínghiệp của họ có rất nhiều loại máy được sản xuất từ nhiều hãng khác nhau (có thể

từ nhiều nguồn cung cấp và tài trợ ) Vì thế, đây cũng là vấn đề mà các nhá đầu tưcần phải tính đến khi mua sắm máy CNC

1.5.3 Ngôn ngữ lập trình tự động

Với ngôn ngữ lập trình bằng máy tính hay còn gọi là lập trình tự động , thì về

cơ bản đều dựa theo tiêu chuẩn thống nhất - Đó gọi là ngôn ngữ lập trình tự độngAPT (Automatically Programmed Tools : công cụ lập trình tự động) Ngôn ngữ nàyđược phát triển từ Viện nghiên cứu công nghệ Illinoi của Mỹ (Illinois Institute ofTechnology Research Institution -IITRI) Hiện nay nó được sử dụng và phổ biến

nhất Với APT, cho phép lập chương trình với các máy 5D với gồm trên 3.000 từ.APT bao gồm các nhóm cơ bản sau:

 Mô tả kích thước và hình dáng hình học của chi tiết gia công

 Mô tả trình tự và quỹ đạo chuyển động của dụng cụ cắt

 Điều khiển các cơ cấu của máy cũng như thay đổi các thông số cắt gọt

 Bổ sung các chức năng chuyên dụng như chu trình ăn dao, bù dao và cácchức năng chuyển tiếp khác

Về thực chất, ngôn ngữ APT là biểu diễn một chương trình gia công bằngcách mô tả các hoạt động của dao cùng với các chức năng cắt gọt của nó bằng cáccâu lệnh trên cơ sở viết tắt của các từ trong tiếng Anh

Ví dụ:

• Kích thước và hình dáng hình học:

Điểm P = POINT ( P1/20.0, 10.0, 0.0; P2/15.23, 20.5, 2.7)

Đường thẳng L = LINE.( L1/P1,P2; L2/P1, ATANG26)

Đường tròn C = CTRCLE/X,Y,R = CIRCLE/CENTER,P1, RADIUS,R

Điểm đặc biệt P = POINT/INTOF, L1, L2(điểm cắt nhau của 2 đường L1,L2).Đường đặc biệt L = LINE/P2, PARLEL, L3( đường qua P2 và song song L3)

Mặt phẳng PL=PLANE.(PL1/P!, P2, P3: mặt phẳng qua 3 điểm P1,P2,P3)

(PL2/P4, PARLEL,PL1: mặt phẳng qua P4 và song song PL1)

1.6 Kết luận chương 1

Chương 1 đã nghiên cứu được về tổng quan cũng như các cấu trúc bên trongcủa máy CNC Bên cạnh đó hiểu được nguyên lý làm việc và cách lập trình vớimáy CNC

LATHER

MICRO LATHE là một chiếc máy gia công cơ khí có xuất sứ ở từ TrungQuốc Nó là một trong những máy gia công đa năng có nghĩa là toàn bộ quá trìnhhoạt động của nó phải được gắn với một người thợ có khả năng làm việc với nó.Giả sử để gia công một chi tiết nào đó, người thợ phải nhìn vào bản vẽ, chọn ra loạiphôi mà mình cần sử dụng Sau đó gắn vào trục chính để tiến hành gia công, cụ thể

là sẽ tiến dao theo phương ngang như thế nào, tiến dao theo phương thẳng như thếnào để có được chi tiết cần gia công Vì nó là một chiếc máy gia công cơ khí đơnthuần không có sự can thiệp của điều khiển số cho nên hiệu quả sản xuất và chấtlượng chi tiết sản phẩm phụ thuộc hoàn toàn vào người thợ gia công Qua phân tích

về cấu tạo và họa t động tôi quyết định đưa ra phương án cải tiến chiếc máyMICRO LATHE trên thành một chiếc máy bán tự động, có khả năng hoạt độnghiệu quả hơn và cho ra chi tiết tốt hơn lúc đầu Sở dĩ được gọi là bán tự động là bởi

Hình 2.2: hình dạng bên ngoài máy MICRO LATHE

vì hệ thống chỉ hoạt động một cách tự động khi gia công, nhưng các thao tác nhưthay dao gia công, tháo lắp phôi vào máy, đều phải được thực hiện bằng tay

2.1 Cơ bản về thiết bị cần cải tiến.

Trên máy tiện có thể thực hiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: tiện trụ ngoài,tiện trụ trong, tiên mặt đầu, tiện côn, tiện định hình Trên máy tiện cũng có thể thựchiện doa, khoan và tiện ren bằng các dao cắt, dao doa, tarô ren…Kích thước giacông trên máy tiện có thể từ cỡ vài mili đến hàng chục mét, hình vẽ dưới đây làhình ảnh thực tế của chiếc máy tiện MICRO LATHE, ta có thể thấy được các chitiết của nó

Cũng như chiếc máy gia công vạn năng khác, nó cũng bao gồm các chi tiết:

1 Vỏ máy và thân máy.(1)

Được thiết kế bằng gang có tác dụng bảo vệ máy và lắp gá các chi tiết lên đó Sở

dĩ gang được chọn làm thân và vỏ máy bởi vì nó là hợp kim bền, ít bị oxi hóa.Ngoài ra nó còn có khối lượng lớn giúp cho khi gia công không bị rung, đảm bảochắc chắn cho máy

2 Núm xoay điều khiển cấp tốc độ chục chính (2)

Khi gia công các chi tiết khác nhau, có những chi tiết chi gia công với tốc độ quaytrục chính với vận tốc nhỏ, nhưng có những chi tiết cần gia công với vận tốc quaytrục chính lớn Vì vậy cần phải có bộ phận điều chỉnh vận tốc quay trục chính chophù hợp với chi tiết cần gia công Núm xoay ở trên hình vẽ thực hiện yêu cầu đó

Nó có các mức để chọn cấp tốc độ cho trục chính Ở đây cụ thể là 3 mức cấp tốc

độ Đây là bộ phận không thể thiếu cho tất cả các máy gia công cơ khí

3 Núm xoay điều chỉnh các thông số khác cho máy(3)

Các núm dùng điều chỉnh các thông số khác cho máy

4 Đế trượt.(4)

Khi gia công thì ngoài hành động tiến dao vào ăn sâu vào chi tiết thì dao cần phảitịnh tiến qua lại để tạo nên chi tiết Do đó đế trượt (4) là nơi để dao có thể thực hiệntịnh tiến qua lại

5 Trục chính gắn với động cơ

Phôi cần gia công được gắn trực tiếp ở đây, và nó được liên động trực tiếp đếntrục động cơ điều khiển trục chính Có nhiều cách để động cơ dẫn động đến đây, cóthể dẫn động dùng bánh đai hoặc bánh xích, có thể dùng dẫn động bánh răng, hoặc

có thể trục chính chính là trục của động cơ Khi động cơ quay, làm cho phôi gắntrên nó quay theo và bắt đầu quá trình gia công Để gắn được chi tiết vào với trụcchính thì cần có sự phối hợp của chốt đầu trục chính như ở trên hình vẽ

6 Nơi lắp gá các dao gia công, các dao được gắn vào đây và ép chặt nhờ cáccon ốc, nhìn ở trên hình vẽ ta cũng có thể thấy ta chỉ có thể lắp tối đa được 4 mũidao lên trên

7 Khi gia công, nếu ta xoay tay quay này, dao sẽ ăn sâu vào chi tiết

8 Chi tiết này cùng với trục chính để ép chặt phôi trong quá trình gia công

9 Khi gia công, nếu ta xoay tay quay này, mũi dao sẽ chạy dọc theo chi tiết.phối hợp với chi tiết số 7 để tao nên đường gia công đa dạng cho chi tiết cần giacông

2.2 Phân tích và cải tiến chiếc máy MICRO LATHE thành máy gia công bán

tự động.

Từ các phân tích trên tôi xin đưa ra phương án cải tiến các bộ phậnbao gồm cải tiến bộ phận tiến dao theo chiều ngang, bộ phận tiến dao theo chiềudọc, bộ phận thay đổi cấp tốc độ cho trục chính Ngoài ra xin đưa thêm vào một sốchức năng khác giúp cho quá trình gia công chi tiết của người thợ trở nên đơn giản

và hiệu quả hơn Bao gồm màn hình hiển thị cho biết trạng thái làm việc của máy

Bộ phận kết nối với máy tính cá nhân cho phép lập trình trực tiếp trên máy tính tạothành chu trình làm việc của máy Bên dưới là sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống cải điều khiển

Hình 2.2: hình dạng bên ngoài máy MICRO LATHE

2.2.1 Thiết kế mạch điện phần cứng thay đổi cấp tốc độ cho trục chính bằng vi

xử lý

Thực tế bộ phận để điều chỉnh cấp tốc độ cho trục chính được thực hiện bằng mộtnúm xoay bằng tay Điều chỉnh này sẽ được người công nhân đứng máy thực hiệntuỳ thuộc vào đặc thù của chi tiết cần gia công

Nếu tháo bên trong núm xoay ta sẽ nhìn thấy các tiếp điểm bằng điện, khi xoaynúm xoay nghĩa là ta dùng cơ khí để thay đổi các tiếp điểm này Cụ thể có thể nhìnthấy ở hình vẽ dưới đây:

Tại một vị trí của núm xoay, tiếp điểm xoay 1 chỉ có thể tiếp xúc được với mộttrong các tiếp điểm còn lại, ứng với mỗi tiếp điểm thì động cơ điều khiển trục chính

sẽ quay ở một tốc độ nhất định Để thay việc xoay núm chuyển mạch em sử dụngcác rơle để có thể điều khiển được bằng vi điều khiển Sơ đồ mạch ở hình dưới đây:

Hình 2.2: Sơ đồ mạch chấp hành điều khiển tốc độ trục chính

23

546

G 2 B

G 2 A

G 1

73

1 2 v

IN 1

8

Mỗi tiếp điểm của núm điều chỉnh cấp tốc độ sẽ được thay bằng một con role

1 tiếp điểm, như hình vẽ trên em đưa ra sơ đồ điều khiển cấp tốc độ cho loại máytiện có 4 cấp tốc độ, khi mà số cấp tốc độ nhiều hơn thì mình chỉ việc sử dụng thêmcác rơle mà thôi Các role làm nhiệm vụ đóng ngắt các tiếp điểm khi cần thay đổi

Ở trên hình, các transistor là các van đóng ngắt dòng điện qua cuộn dây role Cáctransistor này là các transistor ngược, có thể sử dụng các loại ngoài thì trường nhưlà: C828 hay C2383 đều được do yêu cầu dòng qua cuộn dây nhỏ nên có thể sửdụng được các loại transistor này Ở modul này, khi có một điện áp kick ở các chânInx sẽ làm cho các transistor mở thông cho phép dòng điện chạy qua các cuộn dâylàm cho role bị hút tiếp điểm, lúc này thì tiếp điểm của máy tiện sẽ được đóng

Do đặc thù của núm xoay đó là tại một thời điểm làm việc chỉ có 1 tiếp điểmđược đóng do đó nên khi mạch điều khiển làm việc thì tại một thời điểm cũng chỉ

có một rơle được phép đóng, nếu không sẽ sảy ra hiện tượng xung đột và có thểlàm cháy hỏng mạch điều khiển động cơ trục chính của máy Do vậy nên em lựachọn IC 74HC138 sử dụng để điều khiển các tiếp điểm, do đặc điểm của IC này làkhi hoạt động thì tại một thời điểm chỉ có một đầu ra được cho phép đúng như yêucầu của núm xoay ở trên Đầu ra nào được cho phép được cho phép là tuỳ thuộcvào tổ hợp bit đầu vào ở các chân đầu vào A, B và C Đối với IC này cho phépchúng ta điều khiển cho loại máy tiện có cấp tốc độ tối đa là 8 cấp (Do IC chỉ có 8đầu ra), khi mà ứng dụng cần nhiều hơn thì khi đó ta phải ghép thêm nhiều ICgiống nhau hoặc có thể sử dụng một loại khác có tính năng tương tự nhưng với sốđầu ra lớn hơn Các đầu vào của 74HC138 được nối với vi điều khiển để có thểthực hiện điều khiển cấp tốc độ thông qua các chân cổng

Về nguyên lý thì cứ mỗi một tổ hợp bít được đưa ra từ vi điều khiển qua cácchân cổng, IC 74HC138 thực hiện việc giải mã và sẽ đặt trạng thái đầu ra của mộtchân nào đó lên mức cao(Các chân còn lại vẫn ở mức thấp) Khi đầu ra nào đó của

IC ở mức cao sẽ kéo theo transistor tương ứng nối với chân đó mở thông, dòng điện

sẽ đi qua cuộn hút của role và làm cho tiếp điểm tương ứng đóng lại (Trong khi cáctiếp điểm khác vẫn được mở) Như vậy việc điều khiển cấp tốc độ bây giờ là việcgửi tổ hợp bit qua chân cổng đã định sẵn

2.2.2 Thiết kế mạch điều khiển vị trí ăn dao vào chi tiết

Khi vận hành máy, người công nhân phải trực tiếp dùng tay quay 2 tay quaysao cho mũi dao tiến đến vị trí cần xác định với tốc độ nhất định nào đó mà dongười công nhân quyết định Để có thể thay được khối này em quyết định chọnphương án thay 2 tay quay bằng hai động cơ bước để điều khiển

Ở tại hai vị trí ở hình vẽ dưới đây, hai tay quay của máy sẽ được thay thếbằng hai động cơ bước, loài động cơ 2 cuộn dây vào có góc bước 1,8 độ

Hình 2.2: Hai vị trí thay thế tay quay bằng động cơ bước

Cấu tạo và các phương pháp điều khiển động cơ bước ở trên đã trình bày, ởđây tôi xin phép không được nhắc lại

Từ những đặc tính cơ bản của động cơ bước đã phân tích ở trên, để xây dựngđược một bộ điều khiển động cơ bước đạt các yêu cầu đưa ra thì bộ điều khiển cầnphải đáp ứng đước các yêu cầu về công suất, góc bước, tốc độ di chuyển, các yêucầu về tính ổn định và khả năng thực thi

Động cơ bước lựa chọn ở đây là loại động cơ bước hai cuộn dây Do đó khiđiều khiển ta cần đến 2 cầu H, trong đó mỗi cầu H điều khiển một cuộn dây Tôilựa chọn IC cầu H là L298, ở bên trong đã có tích hợp sẵn hai bộ điều khiển động

cơ cầu H Chi tiết về L298, các bạn có thể xem ở phía sau, nơi mà tôi trình bày về

mô hình máy CNC của tôi, ở đó tôi sẽ nói rõ ràng về hoạt động của nó hơn Ở đâytôi chỉ xin phép trình bày sơ qua để các bạn hiểu dễ dàng Như hình vẽ bên dưới,các chân đầu ra của L298 (dc1,dc2,2c3,dc4) được nối vào 4 chân của động cơbước, còn lại các chân điều khiển (33,34,35,36) được nối trực tiếp với chân cổngcủa vi điều khiển Như vậy việc làm cho động cơ quay chỉ là xuất lệnh vi xử lý rachân cổng

Giả sử động cơ bước có cuộn 1-2, 3-4 Theo một thứ tự đấu dây nào đó, nếu

ta cấp nguồn cho động cơ theo thứ tự 1-2, 3-4, 2-1, 4-3 động cơ quay theo chiềukim đồng hồ thì khi ta cấp theo theo thứ tự 4-3, 2-1, 3-4, 1-2 sẽ làm cho động cơquay ngược lại chiều kim đồng hồ

Hình 2.2: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước

Sơ đồ mạch phần cứng thiết kế cho một động cơ bước, để thiết kế cho haiđộng cơ bước thì quá trình hoàn toàn tương tự Khi đó ta sử dụng đến IC thứ hai vàmạch điều khiển hoàn toàn giống, thuật toán điều khiển thì hoàn toàn tương tự

Khi có mạch và phần cứng rồi thì làm sao để có thể điều khiển ăn dao vàochi tiết theo một khoảng cách nào đó Giả sử cần cho dao ăn sâu vào trong chi tiết1.5mm chẳng hạn, lúc đó vi xử lý phải làm gì Câu trả lời là đếm bước của động cơ,

sẽ cho ta khoảng cách dịch chuyển của dao Bây giờ ta giả sử một phép tính đơngiản Khi chưa thiết kế, nếu ta dùng tay quay tay quay của máy sẽ làm cho dao dịchchuyển một khoảng cách là delta=1mm Ta sử dụng động cơ có góc bước là 1.8 độ,nghĩa là để bước hết một vòng thì đông cơ phải bước tất cả là 360/1.8 =200 bước.Như vậy nếu bước 200 bước thì dao tiến được một khoảng là 1mm, vậy thì để daotiến 1.5mm thì rõ ràng ta phải bước 300 bước Đây chính là cơ sở để tính toán khigia công

2.2.3 Phần thiết kế mạch cho vi xử lý

Vi xử lý làm nhiệm vụ giải mã lệnh NC được gửi xuống từ máy tính để đưa

ra các tín hiệu điều khiển cho máy sao cho đạt được các yêu cầu của người giacông

Trong phần điều khiển này em chọn vi điều khiển AVR cụ thể là chipAtmega8 sẽ làm nhiệm vụ điều khiển Đây là một dòng chip 8 bit hoạt động với tốc

độ cao (một chu kì lệnh khoảng bằng 100 ns) và với độ ổn định cao nên nó ngàycàng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng thực thế Chip bao gồm 3 cổng vào rađược thiết kế sẵn cho việc lập trình, để đáp ứng được yêu cầu đề ra nó phải đáp ứngđược các yêu cầu có sẵn của hệ thống Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống đượcđưa lại như ở trên để nắm rõ hơn về những yêu cầu của nó:

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Như trên sơ đồ khối ta có thể thấy được vi điều khiển phải đảm bảo đủ sốcổng vào ra để điều khiển được 2 động cơ bước và điều khiển bộ phận thay đổi tốc

độ cho trục chính Ngoài ra nó yêu cầu phải có thêm một bộ phận giúp cho việctruyền nhận thông tin với máy tinh thông qua cổng giao tiếp COM

Mạch vi điều khiển bao gồm bộ phận cấp nguồn, bộ phận tạo xung giao động

và các thành phần khác liên quan để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động đượcDưới đây là lưu đồ thuật toán của chương trình vi xử lý

Hình 2.2:Lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển

Hình 2.2:phần chuyển đổi mức tín hiệu

2.2.4 Modul giao tiếp máy tính để lập trình

Do sự không đồng bộ giữa mức tín hiệu giữa cổng giao tiếp máy tính vớimức tín hiệu của vi điều khiển cho nên cần phải sử dụng một modul chuyển đổimức tín hiệu sao cho hai bên có thể hiểu được thông điệp của nhau Cùng là chuẩngiao tiếp nối tiếp RS232 nhưng đối với máy tính, mức tín hiệu của nó là +12v và -12v, trong khi đó ở vi điều khiển thì mức tín hiệu lại là mức quen thuộc 0 và 5v Ởđây, IC max232 được sử dụng làm bộ phận chuyển đổi mức tín hiệu trên

Hình 2.2: Khối hiển thị

Có thể thấy ở sơ đồ mạch hình phía trên, ngoài nguồn điện được cấp chochip thì cần thêm các tụ mắc xung quanh để đảm bảo cho sự truyền nhận được diễn

ra theo đúng yêu cầu

2.2.5 phần hiển thị cho biết trạng thái đang làm việc của hệ thống.

Toàn bộ các quá trình gia công chi tiết sẽ được thể hiện ở khối hiển thị LCD, đây là một khối có sẵn trên thị trường và rất dễ sử dụng trong việc hiển thị dữ liệu

từ vi xử lý Nó được giao tiếp với máy tính qua một cổng có tối thiểu 7 bít dữ liệu

Và để làm việc với nó chỉ mất vài dòng lệnh

Bảng x.x : Bảng chức năng các chân của LCD 16x2.

6 E Enable signal

Giải thích sơ đồ

 Các chân PC.0 …PC.7 sẽ được nối vào các chân tương ứng ở cổng PORTC trên chip.Chân PC.3 sẽ được nối vào chân 34 để điều khiển đèn nền của LCD

 Biến trở R48 10K dùng để điều chỉnh độ tương phản của màn hình

 Các điện trở R49, R50 cùng với transistor Q7 sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ MCU để bật tắt đèn nền của LCD

2.2.6 Phần mềm lập trình trên máy tính

Để có thể làm việc được tốt, hệ thống cần có một giao diện để người

sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống Phần mềm này có thể được xây dựngtrên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft Có thể hình dung qua giaodiện của phần mềm như sau:

Ở trên tôi đã trình bày hết toàn bộ các thiết kế phần cứng và mạch điều khiểncũng như lưu đồ thuật toán cho vi điều khiển, tuy nhiên mới thế thì hệ thống vẫnchưa thể hoạt động được Mà cần phải có một phần mềm lập trình để người thợ cóthể đưa các ý tưởng của mình vào đó mà máy có thể hiểu được Ta tạm hiểu đó làmột trình dịch và dịch một ngôn ngữ qui định nào đó Để làm được nhiệm vụ đó taphải đưa ra những qui định cụ thể để làm việc với chiếc máy, giả sử như muốn tiếndao ăn sâu vào chi tiết thì cần sử dụng lệnh nào, muốn tăng tốc hay giảm tốc trụctrình thì phải dùng lệnh nào Khi đó phần mềm của tôi viết ra phải có nhiệm vụ cómôi trường cho người thợ soạn thảo, phải phát hiện ra những lỗi trong quá trình lậptrình và thông báo cho người sử dụng sửa chữa Phải có khả năng kết nối với mạchthiết kế cho máy để gửi toàn bộ chương trình xuống cho máy hoạt động

Để có thể làm việc được tốt, hệ thống cần có một giao diện để người

sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống Phần mềm này có thể được xây dựng

Hình 2.2: Giao diện lập trình điều khiển máy MICRO LATHE

trên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft Có thể hình dung qua giaodiện của phần mềm như sau:

2.3 Kết luận chương 2

Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề sau:

- Nghiên cứu tổng quan và chi tiết cấu tạo của máy Micro Lathe

- Thiết kế chi tiết phương án cải tiến máy trên thành máy gia công bán tự động cả phần mềm lẫn phần cứng

Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu cơ khí của mô hình máy CNC loại nhỏ

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CNC LOẠI NHỎ.

3.1 Tổng quan, phạm vi và chức năng của máy

Sơ đồ khối

3.1.1 Sơ đồ phần kết cấu cơ khí

Sơ đồ phần kết cấu cơ khí của mô hình được thiết kế như hình 3.1 bêndưới

3.1.2 Sơ đồ khối phần mạch điện tử

Có thể tạm hiểu về hoạt động của phần mạch điện tử như sau: Mạch cónhiệm vụ nhận dữ liệu được gửi xuống từ máy tính qua cổng COM Dữ liệu nàyđược đẩy vào EEPROM, khi vi điều khiển hoạt đông, nó sẽ lấy toàn bộ dữ liệu này

để đưa ra các điều khiển cho các động cơ Do đó mạch cần phải có các khối chứcnăng để thực hiện được yêu cầu này

Sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ được thiết kế như hình 3.2 bêndưới

Hình 3.2: sơ đồ khối mô hình máy CNC loại nhỏ

Về cơ bản sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ ở chương này cũnggần giống với mô hình thiết kế cho máy Micro Lathe Nhìn trên mô hình ta có thểthấy được cơ bản về chức năng của các khối có trong mô hình

- Do mô hình sử dụng 4 động cơ vận hành cho nên cũng cần 4 mạch côngsuất điều khiển cho mô hình Tuy nhiên trong 4 động cơ thì có 3 động cơmột chiều và 1 động cơ bước, do đó các mạch điều khiển cho các loại động

cơ khác nhau cũng phải khác nhau

- Các động cơ sử dụng là các động cơ loại nhỏ, dòng chảy qua nhỏ khi hoạtđộng bình thường do đó có thể sử dụng các mạch công suất nhỏ để có thểđiều khiển được các động cơ này

- Khối truyền thông có nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu từ máy tính xuống

vi điều khiển để cho hai khối này có thể gửi dữ liệu cho nhau một cáchbình thường

- Khối vi điều khiển có nhiệm vụ giải mã toàn bộ chương trình và đưa ra cáchành động điều khiển động cơ tịnh tiến các trục cũng như động cơ khoantheo yêu cầu

- Mạch hiển thị cho biết trạng thái của hệ thống

3.1.3 Làm việc với mô hình máy

Do tầm quan trọng và những ứng dụng thực tế của chiếc máy CNC đã đượctrình bày ở trên Ở phần này, tôi xin được trình bày về một mô hình thực tế đã đượcthiết kế và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt Mô hình ở đây được chế tạo hoàn toàntrên những nguyên liệu rời rạc chứ không cải tiến từ một chiếc máy nào đó Nóđược bắt đầu từ những thanh nhôm, những tấm phíp nhựa và từ những chiếc đinhốc…Nó được thiết kế hoàn toàn dựa trên tất cả những kiến thức đã thu nhận đượctrong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học giao thông vận tải Mô

hình hoàn toàn có thể trở thành tài liệu học tập vì nó cũng bao gồm đầy đủ các chứcnăng cơ bản của một mô hình Tôi xin được phép trình bày nó ngắn gọn để các bạn

có thể hiểu sơ qua về hoạt động và phạm vi ứng dụng của nó

Có thể nói một cách dễ hiểu hơn mô hình chính là một chiếc máy khoan tựđộng, chạy theo một chương trình được lập trình sẵn trên máy tính… Để bắt đầugia công, việc đầu tiên là viết chương trình cần gia công trên máy tính, việc viếtchương trình này tuân theo một vài qui tắc do tôi tự lập ra thể hiện các hành độngcủa mô hình Ví dụ như nếu viết X20;Z-30; chẳng hạn, thì khi đó máy sẽ thực hiệndịch chuyển bàn khoan một khoảng theo trục X là 20mm, tiếp sau đó là nâng mũikhoan lên cao một khoảng là 30mm Và cứ như thế, toàn bộ quá trình làm việc của

mô hình sẽ được mô tả qua ngôn ngữ Chương trình soạn thảo có thể được viết trênmột phần mềm soạn thảo bất kì nào, hoặc có thể sử dụng ngay trình soạn thảonotepad của window XP được tích hợp sẵn Khi chương trình soạn thảo viết xongcần lưu nó dưới dạng file_name.txt

Bước tiếp theo ta sẽ tiến hành dịch file vừa viết xong Tất cả các lỗi về cúpháp cũng như các lỗi về dịch chuyển không hợp lý sẽ bị phát hiện và báo lỗi buộcngười sử dụng phải sửa lỗi ngay trước khi cho phép nạp xuống mô hình Quá trìnhdịch và phát hiện lỗi sẽ được thực hiện do một phần mềm viết trên nền visual basic

có nhiệm vụ liên kết đến file chương trình, kiểm tra các lỗi phát sinh và đưa rathông báo Khi không có một lỗi nào được tìm thấy trong quá trình dịch, chươngtrình sẽ thông báo dịch thành công và cho phép người dùng gửi toàn bộ chươngchình xuống mô hình thông qua giao tiếp cổng COM Và tất nhiên cổng COM chỉđược sử dụng trong quá trình thay đổi hoặc nạp chương trình mới cho mô hình.Còn lại trong quá trình nó hoạt động hoàn toàn ta có thể rút bỏ mà không có một sựảnh hưởng nào đến quá trình làm việc của nó

Ở tại vi điều khiển, tất cả các dữ liệu nhận được sẽ được đẩy vào nội dungcủa bộ nhớ EEPROM, đề phòng trường hợp khi mất điện hoặc hệ thống bị treo thì

dữ liệu vẫn còn và mô hình vẫn có thể làm việc được một cách bình thường.EEPROM có độ rộng 64kb và được ghép nối ngoài với vi điều khiển và vị bộ nhớgiới hạn như vậy cho nên giới hạn file lập trình không được quá 64kb Khi toàn bộ

dữ liệu đã được đưa vào nội dụng EEPROM thì quá trình giải mã bắt đầu được tiếnhành, dữ liệu sẽ được giải mã và biến thành các hành động của các trục để thựchiện quá trình gia công Các hành động của mô hình bao gồm dịch chuyển trục Xtheo hai hướng, dịch chuyển trục Y theo hai hướng, dịch chuyển trục Z theo haihướng (nâng hạ mũi khoan), điều khiển cấp tốc độ cho động cơ khoan và đảo chiềuquay cho động cơ khoan Khi gia công hết chương trình, vi điều khiển kiểm tra mãlệnh xem có cần lặp lại quá trình gia công hay không, nếu có thì lặp lại còn nếukhông thì kết thúc và chuyển qua chế độ chờ

Hình 3.3: Động cơ và trục bulong sau khi đã ghép với nhau.

3.2 Phân tích và đưa ra giải pháp gia công phần cơ khí cho mô hình.

3.2.1 Kết cấu cơ khí trục Z.

Như phân tích phần cơ khí ở trên, mô hình sẽ bao gồm 3 trục đó là trục X, Y

và trục Z Khi hoạt động các trục được tịnh tiến qua lại bằng các động cơ điềukhiển nhờ các cơ cấu trục vít bánh vít Cũng có thể nhìn thấy luôn, khi hoạt độngmũi khoan tiến theo trục Z và chỉ được phép di chuyển lên xuống (nâng, hạ) Dokhi khoan, tốc độ tiến mũi khoan chậm và yêu cầu cần di chuyển các khoảng nhỏcho nên ở đây tôi đưa ra phương án chọn động cơ bước Động cơ bước tôi sử dụng

là loại động cơ 2 cuộn dây và có góc bước là 1.8 độ Có nghĩa là nếu bước đủ vòngthì cần phải đi 200 bước Bên cạnh đó, cơ cấu trục vít bánh vít có tác dụng hạn chếchuyển động tối đa vòng quay của động cơ và đồng thời tạo lực ép mũi khoan lớn

Cơ cấu trục vít bánh vít sử dụng loại bulong đai ốc có bước ren là 1mm Với kếtcấu như vậy thì động cơ bước khi bước 200 bước sẽ chỉ làm cho mũi khoan tiếndọc trục được một khoảng là 1mm Như vậy khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của mũikhoan là 1mm/200=0.005mm Với khoảng cách này đảm bảo cho tốc độ tiến mũikhoan

Để có thể thực hiện ghép trục bulong vào với trục động cơ, tôi khoan một lỗnhỏ ở đầu trục có đường kính vừa khít với đường kính của trục động cơ và thựchiện đóng cốt để ghép chặt hai chi tiết này với nhau Bằng cách này trục động cơ vàbulong được ghép chết với nhau Hình vẽ 3.3 bên dưới là hình chụp của động cơ vàtrục sau khi đã tiến hành đóng cốt với nhau

- 2: Đầu bulong sau khi đã ghép với động cơ

- 1: Động cơ bước gắn với bulong

Yêu cầu đặt ra ở đây là làm sao khi động cơ bước quay thì mũi khoan của tacần phải di chuyển lên xuống dọc trục tùy theo chiều quay của động cơ Để thực

Hình 3.3: hệ thống trượt được nối với trục động cơ.

hiện được điều này một cách êm ái và trơn tru thì tôi sử dụng một loại đệm trượtdùng bi để gắn giữa hai thanh nhôm Thanh nhôm làm khung và thanh nhôm chứađộng cơ khoan Khi gắn xong, hai thanh có thể trượt nhẹ nhàng trên nhau Phần đai

ốc của bulong sẽ phải được gắn cố định lên một thanh nhôm có chứa động cơkhoan để sao cho khi động cơ quay làm cho bulong quay, đai ốc sẽ tiến dọc trụcđộng cơ khoan kéo theo sự chuyển động lên xuống của động cơ khoan Tiến hànhgia công và lắp ghép ý tưởng tôi được một kết cấu di chuyển như hình vẽ 3.4 dướiđây

Như chỉ số ở trên hình, bulong số 3 được ghép chặt với thanh trượt số 4 làthanh trượt có mang động cơ khoan trên đầu Bulong được sẻ rãnh và ép chặt bằnghai bulong nhỏ ở hai đầu, nhìn trên mô hình chúng ta có thể thấy được điều này.Đệm trượt dùng bi số 2 đệm giữa thanh trượt 4 và khung 5 làm cho quá trình dịchchuyển lên xuống được nhẹ nhàng

Ở đầu thanh trượt 4, ta cần lắp ghép động cơ khoan với thanh trượt đảm bảochắc chắn, khi khoan không bị rung hay bị tuột ra khỏi thanh trượt Tôi sử dụng đai

để cố định hai chi tiết này với nhau Hình vẽ 3.4 thể hiện điều này Động cơ khoanyêu cầu phải là loại động cơ có mômen đủ để thực hiện gia công trên một vài phôinào đó Ngoài ra nó phải thay đổi được tốc độ khoan, đảo chiều khi cần thiết Tôichọn loại động cơ 1 chiều công suất nhỏ có gắn mũi khoan ở đầu Ở hình vẽ bêndưới, động cơ khoan 1 được ghép vào với thanh trượt 2 thông qua đai số 3