THIẾT kế CHẾ tạo bộ HIỂN THỊ tọa độ XYZ NÂNG cấp máy GIA CÔNG cơ

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ HIỂN THỊ TỌA ĐỘ XYZ NÂNG CẤP MÁY GIA CÔNG CƠ DESIGN AND FABRICATION OF XYZ DIGITAL READOUT SYSTEM FOR UPGRADING CONVENTIONAL MACHINING Lê Văn Bạn, Lê Tấn Phúc Trường Đại học Nông Lâm TPHCM levanban@hcmuaf.edu.vn ; tanphuc.nlu@gmail.com TÓM TẮT Ngày nay, loại máy gia công khí đại, xác, làm việc với suất cao thường sử dụng công nghệ NC CNC Trong đó, loại máy NC bước chuyển tiếp máy gia công máy CNC, ưu điểm máy độ xác cao cải thiện đáng kể suất lao động quản lý kích thước gia công số Ở nước ta, số máy gia công khí phay, tiện tồn sử dụng nhiều, đồng thời số lượng máy NC dạng qua sử dụng nhập lớn, phần lớn hư hỏng phần đọc kích thước Do nhu cầu trang bị thước quang đầu đọc hiển thị số lớn, nhập trọn thước đầu đọc từ nước giá thành cao, tốn ngoại tệ Do “Thiết kế chế tạo hiển thị tọa độ trục XYZ để nâng cấp máy gia công cơ” cần thiết Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh thiết kế - chế tạo đọc tín hiệu từ thước quang hiển thị tọa độ XYZ Kết đạt được: • Chế tạo hiển thị trục tọa độ XYZ, hiển thị giá trị số LED đoạn • Giá trị hiển thị từ - 999.999 đến +999,999 mm • Độ phân giải hiển thị đạt µm • Bộ hiển thị kết nối với thước quang có độ phân giải từ đến 10 µm • Bộ hiển thị thiết kế dựa vi xử lý ARM STM32 • Bộ hiển thị lắp đặt lên máy phay, gia công chi tiết theo kích thước số hiển thị Từ khóa: Máy NC, mã hóa dạng thẳng, thước quang, đọc hiển thị giá trị từ thước quang ABSTRACT Numerical Control (NC) and Computer Numerical Control (CNC) machines are part of precision machining in recent decades where NC machining can be considered as a transition from conventional machining to CNC machining These kinds of machines provide both high precision and high efficiency in the machining process In Vietnam, the number of conventional machines is still dominated Updating these machines with numerical controlling part is seen to be easier and more affordable than purchasing new CNC machine However, the cost of updating is still high when importing the entire NC’s set from overseas Therefore, the aim of this paper is to design and fabricate a compact, inexpensive three axes XYZ Digital Readout (DRO) module which reads and displays signals from three optical linear encoders for conventional machines updating purposes The module which was designed based on STM32 ARM’s microcontroller can display measurement in range of ±1000mm with 1μm resolution Real test on milling machine has been conducted to validate the stability and precision of the module Keywords: NC machine, linear encoder, linear scale, DRO… 157 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU 1.1 Ứng dụng hiển thị Bộ hiển thị tọa độ XYZ sử dụng rộng rãi không máy gia công khí NC máy tiện, máy phay, máy cắt dây tia lửa điện để kiểm soát tọa độ gia công chi tiết, ngày sử dụng máy cắt laser để cắt kim loại vật liệu phi kim vải, kính, Bộ hiển thị tọa độ XYZ thực chất đọc tín hiệu số từ thước quang học hay linear encoder Tùy theo số trục dịch chuyển máy công cụ trục XY máy tiện, máy cắt dây tia lửa điện hay trục XYZ máy phay, hiển thị có giá trị hiển thị tương tứng đồng thời có số thước quang dịch chuyển theo trục Hình Máy phay đứng NC JET Hình Máy phay đứng NC MAKINO 158 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 1.2 Một số hiển thị thước quang thực tế Trong thực tế, hiển thị số sản xuất theo loại thước quang cố định với hiển thị đó, tùy theo yêu cầu sử dụng có 2,3,4 trục kèm theo 2,3,4 thước quang tương ứng Hình Bộ HT trục 5002 thước quang STERLING Hình Bộ HT trục KA – 173 thước quang MITUTOYO Hình Bộ HT trục DSC-804 thước quang JENIX Độ phân giải: 1÷5µm Độ phân giải: 1÷5µm Độ phân giải: 10 µm Độ xác: ±5 µm Độ xác: ±2 µm Độ xác: ±5 µm Chiều dài: 200÷1500mm Chiều dài:100÷2500mm Chiều dài: 200÷1000mm 1.3 Cấu tạo nguyên lý hoạt động thước quang học Cấu tạo thước quang gồm ba phần chính: - Thước chia vạch đầu đọc tín hiệu: bên thước suốt chạy dọc chiều dài thước, khắc vạch tính hiệu quang học tương tự đĩa CD Thước nằm mắt phát thu tín hiệu đầu đọc tín hiệu - Đầu đọc tín hiệu: bên bố trí mắt phát thu, đầu đọc dịch chuyển, mắt thu nhận tín hiệu truyền xử lý - Dây cable: truyền tín hiệu từ cảm biến giải mã Hình Cấu tạo thước quang Hình Cấu tạo mắt đọc tín hiệu Nguyên lý hoạt động mắt đọc dựa vào dịch chuyển tương đối thước mắt đọc tín hiệu Thông thường máy công cụ mắt đọc tín hiệu cố định thước di chuyển theo bàn máy Nguyên lý hoạt động dựa vào phương pháp tiếp nhận ánh sáng mắt đọc: 159 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mắt đọc xuyên thấu ánh sáng Thước bao gồm vạch đen cách bước T có độ truyền qua 1, độ rộng T/2 Số bước T/1mm độ phân giải thước Hình Nguyên lý xuyên thấu ánh sáng Mắt đọc phản xạ ánh sáng: Dựa vào khả phản xạ bề mặt vật liệu, vạch khắc thước có khả phản xạ cao thước để ngăn không cho ánh sáng truyền qua Ánh sáng chiếu lên thước dịch chuyển phản xạ trở lại tới thu Từ biết dịch chuyển dựa vào số vạch đọc Hình Nguyên lý phản xạ ánh sáng PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu Để tiến hành nghiên cứu, phương pháp truyền thống sử dụng để tiến hành nghiên cứu:  Phương pháp kế thừa: Dựa vào nguyên tắc hoạt động máy công cụ, nguyên lý cấu tạo, hoạt động thước quang học có sẵn, nguyên lý làm việc hiển thị thực tế máy công cụ thông dụng sản xuất để thiết kế đọc hiển thị  Phương pháp tính toán thiết kế: Dựa vào tính xử lý mạnh dòng vi xử lý hệ ARM STM32 để thiết kế đọc xung, tính toán xử lý xung chiều chuyển động để tính toán hiển thị vị trí bàn máy  Phương pháp thực nghiệm: Dựa vào kết gia công thực tế máy công cụ có lắp đặt hiển thị chế tạo, kiểm tra kích thước thật chi tiết thước đo xác, so sánh với kích thước dịch chuyển hiển thị để đánh giá độ xác 2.2 Phương tiện phục vụ nghiên cứu Phương tiện phục vụ cho nghiên cứu gồm phần chính:  Phấn cứng: gồm phần cứng khí máy phay ENSHU hệ cũ Nhật, thước quang MITUTOYO Nhật có độ phân giải 200 xung/mm, vi xử lý ARM STM32 F100C8T6 xử lý trục, LED bảy đoạn hiển thị từ giá trị -999,999 đến +999,999 trục  Phần mềm: Phần mềm Orcad để thiết kế vẽ mạch, phần mềm Keil u Vision4 để viết, biên dịch chương trình SERGER J-FLASH ARM để nạp cho vi xử lý ARM STM32 F100C8T6  160 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết tính toán thiết kế mô hình Để đơn giản cho trình thiết kế, chế tạo vận hành máy sau này, hiển thị thiết kế module riêng biệt Mỗi module đảm nhận việc nhận xử lý tín hiệu trục Sơ đồ khối module thể Hình 10 Nút đặt độ phân giải thước Nút Reset tọa độ Thước quang MITUTOYO Nút tăng giá trị Nút giảm giá trị Led dấu trừ Vi xử lý STM32 F100C8T6 Nguồn DC cung cấp Led Led Led Led Led Led Quét led Hình 10 Sơ đồ khối module đọc hiển thị tọa độ 3.1.1 Nguyên lý làm việc mô hình Khi ta cấp nguồn cho hiển thị tọa độ, giá trị ban đầu thể hình trục 000.000 Mặc định ban đầu đọc xung µm cho thước quang có độ phân giải µm Nếu bàn máy dịch chuyển theo trục tọa độ (hay ba trục lúc được), thước quang nhận biết khoảng dịch chuyển gửi tín hiệu mạch vi xử lý Mạch vi xử lý nhận tín hiệu tiến hành đọc xử lý giá trị đọc, chiều tịnh tiến, tính toán xử lý số Cuối cùng, giá trị tính toán hiển thị hình tương ứng với dịch chuyển trục tọa độ Tương tự thước quang có độ phân giải 2-5-10 µm cần nhấn nút đặt độ phân giải, nhấn nút tăng hay giảm để chọn độ phân giải phù hợp với loại thước sử dụng Nút Reset tọa độ có chức để đặt tọa độ góc cho chi tiết gia công 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử module Từ sơ đồ khối của module mạch điện tử thiết kế tương ứng module bao gồm khối chính: Khối nguồn: cung cấp nguồn cho toàn mạch hoạt động gồm có nguồn 5VDC cung cấp cho LED, thước quang Nguồn 3,6VDC cho Vi xử lý STM32 F100C8T6  Khối xử lý chính: Vi xử lý STM32 F100C8T6 nhận tín hiệu từ thước quang, nút nhấn, xử lý xuất tín hiệu quét LED bảy đoạn hiển thị tọa độ  Khối LED bảy đoạn nhận tín hiệu từ vi xử lý hiển thị tọa độ trục tương ứng với thước quang trục máy 161 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KHỐI LED HIỂN THỊ KHỐI XỬ LÝ CHÍNH KHỐI CẤP NGUỒN C Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử module đọc hiển thị tọa độ 3.1.3 Lưu đồ giải thuật viết chương trình cho vi xử lý Sau có mạch nguyên lý, để vi xử lý làm việc lưu đồ giải thuật xây dựng trước từ bước thực chương trình viết biên dịch phần mềm Keil uVision4 Lưu đồ giải thuật cho module sau: 162 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nguyên lý làm việc lưu đồ giải thuật:  Khi khởi động chương trình, hình hiển thị tất số Mặc định độ phân giải nhận thước quang µm  Nếu thước quang có độ phân giải khác µm Người sử dụng phải nhập độ phân giải tương ứng theo nút nhấn: Nút đặt độ phân giải + nút tăng giảm  Vi xử lý ghi nhận độ phân giải, đọc tín hiệu dịch chuyển hiển thị tọa độ dịch chuyển LED  Trong trình gia công nút RESET để đặt giá trị gốc gia công  Đối với dòng vi xử lý STM32 để tăng độ xác, giá trị xung đọc nhân giá trị lên lần  Vi xử lý STM32 đọc giá trị xung từ thước quang timer 16 bit 3.2 Kết chế tạo hiển thị khảo nghiệm sơ chương trình 3.2.1 Kết chế tạo mạch Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử thiết kế Capture phần mềm ORCAD, từ Capture phải chuyển qua Layout để gia công mạch in lắp linh kiện Sau có bảng mạch in, linh kiện hàn vào mạch Khi có mạch hoàn chỉnh, chương trình biên dịch nạp vào vi xử lý Hình 12 Bảng mạch in sau lắp ráp linh kiện cho trục Hình 13 Bộ hiển thị trục chế tạo 3.2.2 Kết khảo nghiệm sơ bộ hiển thị Để đánh giá kết hoạt động mạch điện tử chương trình vi xử lý bước khảo nghiệm sơ bố trí sau:  Thước quang, hiển thị lắp máy phay IWASHITA Nhật có độ dịch chuyển bàn máy 650*250*400 163 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV  Sử dụng đồng hồ so 1/100 mm đặt cố định khung máy để kiểm soát độ dịch chuyển theo trục X, Y, Z ( Vì thước đo có độ xác cao )  Bật nguồn cho hiển thị: đặt độ phân giải hiển thị cho phù hợp với thước quang  Reset giá trị hiển thị, đồng thời chỉnh giá trị đồng hồ so  Khi dịch chuyển bàn máy: đồng hồ so giá trị dịch chuyển, đồng thời hiển thị nhận giá trị dịch chuyển từ thước quang, xử lý hiển thị giá trị tọa độ dịch chuyển Giá trị đồng hồ so hiển thị tương đương  Hạn chế kết độ dịch chuyển cuả bàn máy không lớn giới hạn đồng hồ so Bảng Kết dịch chuyển trục so sánh với đồng hồ so Lần đo Bộ hiển thị tọa độ trục X Bộ hiển thị tọa độ trục Y Bộ hiển thị tọa độ trục Z Đồng hồ so Độ sai lệch 0.050 0.050 0.050 0.05 0.00 0.402 0.318 0.400 0.40 ±0.002 0.880 0.882 0.880 0.88 0.002 1.126 1.130 1.128 1.13 -0.004 1.417 1.421 1.419 1.42 ±0.002 1.558 1.556 1.562 1.56 ±0.002 2.120 2.122 2.125 2.12 +0.005 3.025 3.025 3.032 3.03 +0.005 4.178 4.177 4.181 4.18 -0.003 10 4.602 4.597 4.598 4.60 ±0.003 Nhận xét kết quả: Qua bảng kết độ sai lệch hiển thị đồng hồ so ghi nhận theo phương lớn + 0.005 mm – 0.003mm Sai lệch độ phân giải hiển thị µm đồng hồ so 10 µm 3.3 Kết khảo nghiệm gia công chi tiết máy phay Sau có kết khảo nghiệm sơ bộ, tiến hành gia công chi tiết để đánh giá hiển thị Tiến hành gia công lần lược chi tiết dạng hình hộp kích thước danh nghĩa 57*27*20mm 70*50*20mm Sử dụng vật liệu mica trắng để chi tiết gia công mềm không ảnh hưởng đến trình cắt gọt rung động Sau gia công chi tiết lần phôi thép Sử dụng máy phay đứng IWASHITA lưỡi phay ngón Ø 10 mm Sau gia công, chi tiết kiểm tra thước kẹp điện tử 1/100 mm Bảng Kết gia công chi tiết mica so sánh với thước kẹp 1/100mm Bộ hiển thị Thước kẹp Giá trị sai lệch Chiều dài cạnh 57.000 57.03 + 0.030 Chiều dài cạnh 57.000 56.96 - 0.040 Chiều rộng cạnh 27.000 26.96 - 0.040 Chiều rộng cạnh 27.000 26.98 - 0.020 Chiều cao trung bình cạnh 20.200 20.30 0.300 164 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nhận xét:  Gia công mica, sử dụng mặt bóng mica gá thẳng mặt bàn máy nên sai số theo chiều cao mica, không xét đến  Giá trị sai lệch theo cạnh chi tiết sau gia công lớn 0.04 mm Bảng Kết gia công chi tiết thép so sánh với thước kẹp 1/100mm Hiển thị Thước kẹp Giá trị sai lệch Chiều dài cạnh 70.005 69.96 - 0.045 Chiều dài cạnh 70.012 70.05 + 0.038 Chiều rộng cạnh 50.008 49.96 - 0.048 Chiều rộng cạnh 50.014 49.98 - 0.044 Chiều sâu trung bình cạnh 20.000 20.96 + 0.040 Nhận xét:  Gia công thép, đạt kích thước gia công hiển thị dừng chạy dao, dao tiếp tục cắt nên hiển thị thường vọt lố theo trục bàn máy  Giá trị sai lệch theo cạnh chi tiết sau gia công chi tiết thép lớn gia công chi tiết mica  Giá trị sai lệch theo cạnh chi tiết sau gia công lớn 0.04 mm  Các giá trị sai số độ “rơ” bàn máy cũ KẾT LUẬN  Qua trình chế tạo hiển thị tọa độ trục XYZ để nâng cấp máy gia công thành máy NC, với kết khảo nghiệm đạt chứng minh điều kiện khả chế tạo sản phẩm hoàn toàn chủ động nước  Sai lệch kích thước gia công chi tiết thực máy gia công đời cũ đạt ±0.05 mm hoàn toàn có khả ứng dụng  Kích thước gia công kiểm soát dể dàng hình hiển thị số, tránh nhầm lẫn kích thước sai số đọc  Giá thành chế tạo sản phẩm thấp, sơ tính toán sản phẩm có giá thấp ba triệu đồng  Hạn chế: hiển thị tọa độ dịch chuyển, chưa nội suy tọa độ gia công nhiều điểm, nhiều đường giống hiển thị nước TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dương Minh Trí - Linh kiện quang điện tử Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004 [2] Phạm Minh Hà - Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1997 [3] Trần Văn Địch - Công nghệ CNC Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 [4] Usermanual – KACounter – Mitutoyo No.99MBE032A5 – SERIES No 174 [5] 7-1 Linear scale Mitutoyo – Mitutoyo, http://www.mitutoyo.com [6] Digital-Scale Mitutoyo – Mitutoyo, http://www.mitutoyo.com [7] Cấu trúc, lập trình ARM Cortex-M3, http://www.arm.vn [8] Tra cứu datasheet vi điều khiển ARM, ULN2803, http://alldatasheet.com 165 ... giới hạn đồng hồ so Bảng Kết dịch chuyển trục so sánh với đồng hồ so Lần đo Bộ hiển thị tọa độ trục X Bộ hiển thị tọa độ trục Y Bộ hiển thị tọa độ trục Z Đồng hồ so Độ sai lệch 0.050 0.050 0.050... lớn gia công chi tiết mica  Giá trị sai lệch theo cạnh chi tiết sau gia công lớn 0.04 mm  Các giá trị sai số độ “rơ” bàn máy cũ KẾT LUẬN  Qua trình chế tạo hiển thị tọa độ trục XYZ để nâng cấp. .. hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV GIỚI THIỆU 1.1 Ứng dụng hiển thị Bộ hiển thị tọa độ XYZ sử dụng rộng rãi không máy gia công khí NC máy tiện, máy phay, máy cắt dây tia lửa