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

Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết kế - chế tạo được bộ đọc tín hiệu từ thước quang và hiển thị tọa

THI ẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ HIỂN THỊ TỌA ĐỘ XYZ

NÂNG C ẤP 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 T ẮT

Ngày nay, các loại máy gia công cơ khí hiện đại, chính xác, làm việc với năng suất cao thường sử dụng công nghệ NC hoặc CNC Trong đó, các loại máy NC là bước chuyển tiếp

giữa máy gia công cơ và máy CNC, ưu điểm của máy là độ chính xác cao và cải thiện đáng kể năng suất lao động vì được quản lý kích thước gia công bằng số Ở nước ta, số máy gia công

cơ khí như phay, tiện còn tồn tại và đang sử dụng rất nhiều, đồng thời một số lượng máy NC

dạng đã qua sử dụng được nhập về rất lớn, phần lớn hư hỏng phần đọc kích thước Do đó nhu

cầu trang bị thước quang và đầu đọc hiển thị số rất lớn, nếu nhập khẩu trọn bộ thước và đầu đọc từ nước ngoài giá thành rất cao, tốn ngoại tệ Do đó “Thiết kế chế tạo bộ hiển thị tọa độ 3

trục XYZ để nâng cấp máy gia công cơ” là cần thiết Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa khoa Cơ khí – Công nghệ, Trường Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh đã thiết

kế - chế tạo được bộ đọc tín hiệu từ thước quang và hiển thị tọa độ XYZ

Kết quả đạt được:

• Chế tạo được bộ hiển thị 3 trục tọa độ XYZ, hiển thị giá trị số trên LED 7 đoạn

• Giá trị hiển thị từ - 999.999 đến +999,999 mm

• Độ phân giải của bộ hiển thị có thể đạt 1 µm

• Bộ hiển thị có thể kết nối với thước quang có độ phân giải từ 1 đến 10 µm

• Bộ hiển thị được thiết kế dựa trên nền vi xử lý ARM STM32

• Bộ hiển thị được lắp đặt lên máy phay, đã gia công chi tiết theo kích thước số trên bộ

hiển thị

Từ khóa: Máy NC, bộ mã hóa dạng thẳng, thước quang, bộ đọc và 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…

1 GI ỚI THIỆU

1.1 Ứng dụng bộ hiển thị

Bộ hiển thị tọa độ XYZ được sử dụng rộng rãi không chỉ trong các máy gia công cơ khí

NC như máy tiện, máy phay, máy cắt dây bằng tia lửa điện để kiểm soát tọa độ gia công chi

tiết, ngày nay còn được sử dụng trong các máy cắt laser để cắt kim loại và vật liệu phi kim như vải, kính,

Bộ hiển thị tọa độ XYZ thực chất là một bộ đọc tín hiệu số từ thước quang học hay linear encoder Tùy theo số trục dịch chuyển trên máy công cụ là 2 trục XY như máy tiện, máy cắt dây tia lửa điện hay 3 trục XYZ như máy phay, bộ hiển thị sẽ có giá trị hiển thị tương

tứng đồng thời sẽ có số thước quang dịch chuyển theo các trục

Hình 1 Máy phay đứng NC JET

Hình 2 Máy phay đứng NC MAKINO

1.2 M ột số bộ hiển thị và thước quang trên thực tế

Trong thực tế, bộ hiển thị số được sản xuất theo một loại thước quang cố định với bộ hiển

thị đó, tùy theo yêu cầu sử dụng sẽ có bộ 2,3,4 trục kèm theo 2,3,4 thước quang tương ứng

Hình 3 B ộ HT 2 trục

5002 và thước quang của

STERLING

Hình 4 B ộ HT 3 trục KA –

173 và thước quang của MITUTOYO

Hình 5 Bộ HT 4 trục DSC-804

và thước quang của JENIX

1.3 C ấu tạo và nguyên lý hoạt động của thước quang học

Cấu tạo thước quang gồm ba phần chính:

- Thước chia vạch và đầu đọc tín hiệu: bên trong là một thước trong suốt chạy dọc bằng chiều dài thước, được khắc vạch bằng tính hiệu quang học tương tự đĩa CD Thước này nằm

giữa mắt phát và thu tín hiệu của đầu đọc tín hiệu

- Đầu đọc tín hiệu: bên trong bố trí các con mắt phát và thu, khi đầu đọc dịch chuyển, các mắt thu nhận tín hiệu rồi truyền về bộ xử lý

- Dây cable: truyền tín hiệu từ các cảm biến về bộ giải mã

Hình 6 C ấu tạo thước quang Hình 7 C ấu tạo mắt đọc tín hiệu

Nguyên lý hoạt động của mắt đọc dựa vào sự dịch chuyển tương đối của thước và mắt đọc tín hiệu Thông thường trên máy công cụ mắt đọc tín hiệu sẽ cố định và thước sẽ di chuyển theo bàn máy Nguyên lý hoạt động dựa vào 2 phương pháp tiếp nhận ánh sáng trên

mắt đọc:

Hình 8 Nguyên lý xuyên th ấu ánh sáng

M ắt đọc xuyên thấu ánh sáng

Thước chính bao gồm các vạch đen cách nhau bước T và có độ truyền qua là 0 và 1, độ rộng là T/2 Số bước T/1mm chính là độ phân giải của thước

Hình 9 Nguyên lý phản xạ ánh sáng

M ắt đọc phản xạ ánh sáng:

Dựa vào khả năng phản xạ của bề

mặt vật liệu, vạch khắc trên thước

có khả năng phản xạ cao trên thước để ngăn không cho ánh sáng truyền qua Ánh sáng chiếu lên thước dịch chuyển và phản xạ trở

lại tới bộ thu Từ đó sẽ biết được

sự dịch chuyển dựa vào số vạch đọc được

2 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

Để tiến hành nghiên cứu, 3 phương pháp truyền thống được sử dụng để tiến hành nghiên cứu:

 Phương pháp kế thừa: Dựa vào nguyên tắc hoạt động của máy công cụ, nguyên lý

cấu tạo, hoạt động của thước quang học có sẵn, nguyên lý làm việc của bộ hiển thị thực tế trên các máy công cụ thông dụng trong sản xuất để thiết kế bộ đọc hiển thị

 Phương pháp tính toán thiết kế: Dựa vào tính năng xử lý mạnh của dòng vi xử lý thế

hệ mới ARM STM32 để thiết kế bộ đọc xung, tính toán xử lý xung và chiều chuyển động để tính toán hiển thị đúng vị trí của bàn máy

 Phương pháp thực nghiệm: Dựa vào kết quả gia công thực tế trên máy công cụ có lắp đặt bộ hiển thị được chế tạo, kiểm tra kích thước thật chi tiết trên thước đo chính xác, so sánh

với kích thước dịch chuyển của bộ hiển thị để đánh giá độ chính xác

2.2 Phương tiện phục vụ nghiên cứu

Phương tiện phục vụ cho nghiên cứu gồm 2 phần chính:

 Phấn cứng: gồm phần cứng cơ khí là máy phay ENSHU thế hệ cũ của Nhật, 3 thước quang MITUTOYO của Nhật có độ phân giải 200 xung/mm, 3 vi xử lý ARM STM32 F100C8T6 xử lý trên 3 trục, 6 LED bảy đoạn hiển thị từ giá trị -999,999 đến +999,999 trên

mỗi trục

 Phần mềm: Phần mềm Orcad để thiết kế và vẽ mạch, phần mềm Keil u Vision4 để

viết, biên dịch chương trình và SERGER J-FLASH ARM để nạp cho vi xử lý ARM STM32 F100C8T6

3 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 K ết quả tính toán thiết kế mô hình

Để đơn giản cho quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành trên máy sau này, bộ hiển thị được thiết kế từng module riêng biệt Mỗi module đảm nhận việc nhận và xử lý tín hiệu trên

từng trục Sơ đồ khối một module được thể hiện trên Hình 10

Quét led

Hình 10 Sơ đồ khối một module đọc và hiển thị tọa độ

3.1.1 Nguyên lý làm vi ệc của mô hình

Khi ta cấp nguồn cho bộ hiển thị tọa độ, thì giá trị ban đầu thể hiện ở màn hình ở mỗi

trục là 000.000 Mặc định ban đầu trên bộ đọc một xung là 1 µm cho thước quang có độ phân

giải 1 µm Nếu bàn máy dịch chuyển theo một trục tọa độ bất kỳ (hay cả ba trục cùng một lúc đều được), khi đó thước quang sẽ nhận biết được khoảng dịch chuyển và gửi tín hiệu về mạch

vi xử lý chính Mạch vi xử lý chính nhận tín hiệu sẽ tiến hành đọc và xử lý giá trị đọc, chiều

tịnh tiến, tính toán xử lý số Cuối cùng, giá trị đã được tính toán sẽ hiển thị trên màn hình tương ứng với sự dịch chuyển của từng trục tọa độ

Tương tự nếu thước quang có độ phân giải 2-5-10 µm chỉ cần nhấn nút đặt độ phân giải,

nhấn nút tăng hay giảm để chọn độ phân giải phù hợp với loại thước đang sử dụng

Nút Reset tọa độ có chức năng để đặt tọa độ góc cho chi tiết gia công

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử trong một module

Từ sơ đồ khối của của module mạch điện tử được thiết kế tương ứng trong một module bao gồm 3 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 trên từng trục tương ứng

với thước quang trên trục máy

Vi xử lý STM32 F100C8T6

Thước quang

MITUTOYO

Nguồn DC cung cấp Led 1

Led

2

Led

3

Led

4

Led

5

Led

6

Led dấu trừ Nút Reset

tọa độ Nút đặt độ phân giải củathước Nút tăng giá trị Nút gigiátrảm ị

Hình 11 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử một module đọc và hiển thị tọa độ

3.1.3 Lưu đồ giải thuật viết chương trình cho vi xử lý

Sau khi có mạch nguyên lý, để vi xử lý làm việc được lưu đồ giải thuật được xây dựng trước từ đó các bước thực hiện trong chương trình chính được viết và biên dịch trên phần

mềm Keil uVision4 Lưu đồ giải thuật cho một module như sau:

KHỐI XỬ LÝ CHÍNH

KHỐI LED

HIỂN THỊ

KHỐI CẤP NGUỒN

C

Nguyên lý làm vi ệc của lưu đồ giải

thu ật:

 Khi khởi động chương trình, màn hình hiển thị tất cả số 0 Mặc định độ phân giải nhận được của thước quang là 1

µm

 Nếu thước quang có độ phân giải khác 1 µm Người sử dụng phải nhập độ phân giải tương ứng theo 3 nút nhấn: Nút đặt độ phân giải + nút tăng hoặc giảm

 Vi xử lý ghi nhận độ phân giải, đọc tín hiệu dịch chuyển và hiển thị tọa độ

dịch chuyển trên LED

 Trong quá trình gia công nút RESET để đặt giá trị gốc 0 bất kỳ khi gia công

 Đối với dòng vi xử lý STM32 để tăng độ chính xác, giá trị xung đọc được nhân giá trị lên 4 lần

 Vi xử lý STM32 đọc giá trị xung từ

bộ thước quang bằng 6 bộ timer 16 bit

3.2 K ết quả chế tạo bộ hiển thị khảo nghiệm sơ bộ chương trình

3.2.1 K ết quả chế tạo mạch

Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử được thiết kế bằng Capture của phần mềm ORCAD, từ Capture phải chuyển qua Layout để gia công mạch in lắp linh kiện

Sau khi có bảng mạch in, linh kiện được hàn vào mạch Khi có bản mạch hoàn chỉnh, chương trình được biên dịch và nạp vào vi xử lý

Hình 12 B ảng mạch in sau khi lắp ráp linh

ki ện cho 3 trục Hình 13 B ộ hiển thị 3 trục được chế tạo

3.2.2 Kết quả khảo nghiệm sơ bộ bộ hiển thị

Để đánh giá kết quả hoạt động của mạch điện tử và chương trình vi xử lý các bước khảo nghiệm sơ bộ được bố trí như sau:

 Thước quang, bộ hiển thị được lắp trên máy phay cơ IWASHITA của Nhật có độ

dịch chuyển của bàn máy 650*250*400

 Sử dụng đồng hồ so 1/100 mm đặt cố định trên khung máy để kiểm soát độ dịch chuyển theo 3 trục X, Y, Z ( Vì không có thước đo có độ chính xác cao hơn )

 Bật nguồn cho bộ hiển thị: đặt độ phân giải bộ hiển thị cho phù hợp với thước quang

 Reset giá trị trên bộ hiển thị, đồng thời chỉnh giá trị 0 trên đồng hồ so

 Khi dịch chuyển bàn máy: đồng hồ so sẽ chỉ giá trị dịch chuyển, đồng thời bộ hiển

thị sẽ nhận giá trị dịch chuyển từ thước quang, xử lý và hiển thị giá trị tọa độ dịch chuyển Giá

trị trên đồng hồ so và trên bộ hiển thị tương đương nhau

 Hạn chế của kết quả là độ dịch chuyển cuả bàn máy không lớn do giới hạn của đồng

hồ so

B ảng 1 Kết quả dịch chuyển trên các trục so sánh với đồng hồ so

Lần đo Bộ hiển thị

tọa độ trục X tọa độ trục Y Bộ hiển thị tọa độ trục Z Đồng hồ soBộ hiển thị Độ sai lệch

1 0.050 0.050 0.050 0.05 0.00

2 0.402 0.318 0.400 0.40 ±0.002

3 0.880 0.882 0.880 0.88 0.002

4 1.126 1.130 1.128 1.13 -0.004

5 1.417 1.421 1.419 1.42 ±0.002

6 1.558 1.556 1.562 1.56 ±0.002

7 2.120 2.122 2.125 2.12 +0.005

8 3.025 3.025 3.032 3.03 +0.005

9 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 quả độ sai lệch trên bộ hiển thị và đồng hồ so được ghi

nhận theo các phương lớn nhất là + 0.005 mm và – 0.003mm

Sai lệch này có thể do độ phân giải của bộ hiển thị là 1 µm và trên đồng hồ so là 10 µm

3.3 Kết quả khảo nghiệm gia công chi tiết trên máy phay

Sau khi có kết quả khảo nghiệm sơ bộ, tiến hành gia công chi tiết để đánh giá bộ hiển thị

Tiến hành gia công lần lược chi tiết dạng hình hộp kích thước danh nghĩa là 57*27*20mm và 70*50*20mm

Sử dụng vật liệu là mica trắng để chi tiết gia công mềm không ảnh hưởng đến quá trình

cắt gọt do rung động Sau đó gia công chi tiết lần 2 trên phôi thép Sử dụng máy phay đứng IWASHITA và lưỡi phay ngón Ø 10 mm

Sau khi gia công, chi tiết được kiểm tra bằng thước kẹp điện tử 1/100 mm

Bảng 2 Kết quả gia công chi tiết bằng mica so sánh với thước kẹp 1/100mm

Bộ hiển thị Thước kẹp Giá trị sai lệch Chiều dài cạnh 1 57.000 57.03 + 0.030 Chiều dài cạnh 2 57.000 56.96 - 0.040 Chiều rộng cạnh 1 27.000 26.96 - 0.040 Chiều rộng cạnh 2 27.000 26.98 - 0.020

Nh ận xét:

 Gia công mica, sử dụng mặt bóng của mica gá thẳng trên mặt bàn máy nên sai số theo chiều cao là của mica, không xét đến

 Giá trị sai lệch theo các cạnh của chi tiết sau gia công lớn nhất là 0.04 mm

B ảng 3 Kết quả gia công chi tiết bằng thép so sánh với thước kẹp 1/100mm

Hiển thị Thước kẹp Giá trị sai lệch Chiều dài cạnh 1 70.005 69.96 - 0.045 Chiều dài cạnh 2 70.012 70.05 + 0.038 Chiều rộng cạnh 1 50.008 49.96 - 0.048 Chiều rộng cạnh 2 50.014 49.98 - 0.044 Chiều sâu trung bình trên 4 cạnh 20.000 20.96 + 0.040

Nh ận xét:

 Gia công thép, khi đạt kích thước gia công trên bộ hiển thị thì dừng chạy dao, dao

vẫn tiếp tục cắt nên bộ hiển thị thường vọt lố theo các trục của bàn máy

 Giá trị sai lệch theo các cạnh của chi tiết sau gia công của chi tiết bằng thép lớn hơn khi gia công chi tiết bằng mica

 Giá trị sai lệch theo các cạnh của chi tiết sau gia công lớn nhất là 0.04 mm

 Các giá trị sai số do độ “rơ” của bàn máy cũ

K ẾT LUẬN

 Qua quá trình chế tạo bộ hiển thị tọa độ 3 trục XYZ để nâng cấp máy gia công cơ thành máy NC, và với các kết quả khảo nghiệm đạt được đã chứng minh rằng điều kiện và

khả năng chế tạo sản phẩm hoàn toàn có thể chủ động được trong nước

 Sai lệch kích thước gia công trên chi tiết thực trên máy gia công đời cũ đạt ±0.05

mm hoàn toàn có khả năng ứng dụng được

 Kích thước gia công kiểm soát được dể dàng trên màn hình hiển thị số, tránh nhầm

lẫn kích thước do sai số đọc

 Giá thành chế tạo sản phẩm thấp, sơ bộ tính toán sản phẩm có giá thấp hơn ba triệu đồng

 Hạn chế: chỉ hiển thị tọa độ dịch chuyển, chưa nội suy tọa độ gia công nhiều điểm, nhiều đường giống nhau như các bộ hiển thị của nước ngoài

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Dương Minh Trí - Linh kiện quang điện tử Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004

[2] Phạm Minh Hà - Kỹ thuật mạch điện tử Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 1997

[3] Trần Văn Địch - Công nghệ CNC Nhà xuất bản Khoa học và 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 của vi điều khiển ARM, ULN2803, http://alldatasheet.com