Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHUẤT ANH VŨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ (OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY TRỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHUẤT ANH VŨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ (OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY TRỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Tp Hồ Chí Minh, năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHUẤT ANH VŨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ (OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY TRỤC NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN NGỌC DŨNG Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Khuất Anh Vũ Giới tính:Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10-12-1983 Nơi sinh: Tây Ninh Quê quán: Đại Đồng - Thạch Thất – Hà Nội Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc:027A Nguyễn Thái Học KP3 P3 Tx Tây Ninh Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng:826583 Fax: E-mail:kanhvu63@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …… Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ …9…/2001… đến …9/ …2006… Nơi học (trường, thành phố): Thành Phố Hồ Chí Minh Ngành học: Công Nghệ Tự Động Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Ứng dụng phần mềm CATIA để gia công máy VMC 6530 Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Người hướng dẫn:Th.S Trần Chí Thiên III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 9/2007 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên 9/2008 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên 9/2009 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên 9/2010 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên 9/2011 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên 9/2012 Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh Giáo viên LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2013 Khuất Anh Vũ LỜI CẢM ƠN Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, tận tình hướng dẫn hoàn thành công trình luận văn thạc sĩ Xin chân thành cảm ơn Quí Thầy, Cô bạn đồng nghiệp lớp cao học Cơ khí máy khóa 2010 A đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho nội dung luận văn Trân trọng cảm ơn Khuất Anh Vũ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2013 Khuất Anh Vũ CHƢƠNG MỞ ĐẦU 12 1.2 Mục tiêu, khách thể đối tƣợng nghiên cứu 15 1.2.1 Mục tiêu, khách thể 15 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 15 2.3 Nhiệm vụ đề tài phạm vi nghiên cứu 15 1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu: 15 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu 15 CHƢƠNG TỔNG QUAN 17 2.1 Giới thiệu điều khiển có cấu trúc mở 17 2.1.1 Khái niệm Bộ điều khiển có cấu trúc mở 17 2.1.2 Tầm quan trọng điều khiển cấu trúc mở 20 2.1.3 Ƣu điểm cấu trúc mở: 21 2.1.4 Tình hình nghiên cứu nƣớc giới 23 2.1.4.1 Các nghiên cứu nƣớc 23 2.1.4.1.1 DỰ ÁN OSACA ( Open Architeture for control within Automation Systems) 23 2.1.4.1.2 DỰ ÁN OSEC ( Open systems environments for Controllers) 24 2.1.4.1.3 DỰ ÁN OMAC (Open Modular Architecture Controller) 24 2.1.4.1.4 Ngoài trƣờng đại học có nhiều nghiên cứu lĩnh vực 25 2.1.4.1.5 Các nghiên cứu nƣớc 25 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 3.1 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 27 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống 27 3.1.2 Kết cấu phần cứng máy phay CNC 29 3.1.2.1 Trục vitme bi 29 3.1.2.2 Ổ sống lăn 35 3.1.2 Phần điều khiển máy phay CNC 39 3.1.2.1 Hệ thống điều khiển số 40 3.1.2.1.1 Hệ thống điều khiển hở 41 3.1.2.1.2 Hệ thống điều khiển kín 42 3.1.2.1.3 Cấu trúc phần hệ thống điều khiển số 43 3.1.2.2 Phần mềm CNC 44 3.1.2.2.1 Phần mềm điều khiển 44 3.1.2.2.2 Phần mềm ghép nối 45 3.1.2.2.3 Post Processor 46 3.1.2.2.4 Phần mềm ứng dụng 47 3.1.2.3 Động bƣớc 47 3.1.2.3.1 Khái niệm 47 CHƢƠNG PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CNC 56 4.1 Các thông số kỹ thuật máy phay CNC 56 4.1.1 Các thông số 56 4.2 Thiết kế phần khí 56 4.2.1 Phƣơng án thiết kế khung máy 56 4.3 Thiết kế phần điều khiển 61 4.3.1Phƣơng án thiết kế mạch điều khiển 62 4.3.2Phƣơng án thiết kế phần mềm điều khiển 64 CHƢƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN 67 5.1 Tính toán thiết kế kết cấu hệ thống dẫn động máy 67 5.1.1 Xác định lực kéo phần thân máy: 67 5.1.2 Tính toán động lực học chọn động cho trục 68 5.1.2.1 Tính toán cho trục X 68 Hình 5.2 Lực tác dụng lên trục X 68 5.1.2.4 Tính toán cho trục Z 73 5.2 Tính toán chọn sống lăn 74 5.3 Tính toán chọn bƣớc trục vitme bi 76 5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục X 77 5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Y 77 5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Z 77 5.4 Thiết kế phần điều khiển 77 5.4.1Thiết kế mạch Breakout 78 5.4.2 Mạch Driver động bƣớc 79 5.5 Thiết kế Phần mềm điều khiển 79 5.5.1.2 Các giao diện mach 3: 80 CHƢƠNG CHẾ TẠO VÀ CHẠY KIỂM NGHIỆM 84 6.1 Chế tạo phận máy 84 6.1.1 Chế tạo trục X kết cấu nối trục động 84 6.1.2 Chế tạo trục Y kết cấu nối trục động 85 6.1.2 Chế tạo trục Z kết cấu nối trục động 87 6.1.3 Chế tạo mạch Breakout 88 6.1.4 Chế tạo mạch mạch driver trục động 90 6.1.5 Tủ điện điều khiển hoàn chỉnh 91 6.1.6 Phần mềm điều khiển 91 6.1.6 Máy hoàn chỉnh 98 6.1.4 Giao diện máy làm việc 100 6.2 Chạy kiểm nghiệm 100 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 7.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QỦA 103 7.2 KẾT LUẬN 104 7.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 104 DANH SÁCH CÁCH CHỮ VIẾT TẮT NGUYÊN GỐC CHỮ VIẾT TẮT - Intelligent Machining Systems IMS - Open architecture controller OAC - Numerical Control Markup Language NCML - Numerical Control NC - Adaptive control with optimisation ACO - Adaptive control with constraints ACC - Open System Architecture for Controls within Automation systems OSACA - Open System Environment for Controllers OSEC - Open Modular Architecture Controller OMAC - Computer Numerical control CNC - Automatic Programming Tool APT - Computer- Aided Manufacturing CAM - Computer-Aided Design CAD - Personal Computer PC - National Instruments NI - Programmable Logic Controller PLC - Application Programming Intreface API - Dynamic Link Libraries DLL - Recursive least square RLS - Digital Differential Analyse DDA - Measurement & Automation Explorer MAX - Open Modular Architecture Controller) OMAC - Analog to digital converters A/D - Digital to analog converters D/A DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Máy phay CNC Hình 2.1: Những ƣu điểm cấu trúc mở máy CNC 14 Hình 2.2: Ba cách mở khác hệ thống điều khiển 14 Hình 2.3: Nguyên lý “Open CNC” kết hợp PC 17 Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 20 Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển hệ thống 21 Hình 3.3: Quan hệ lực tốc độ vitme 22 đai ốc thƣờng vitme đai ốc bi Hình 3.4: Trục vime bi 23 Hình 3.5: Kết cấu vitme bi 24 Hình 3.6 : Profil ren nửa tròn 24 Hình 3.7: Rãnh hồi bi kiểu ống 25 Hình 3.8: Rãnh hồi bi theo lỗ khoan đai ốc 25 Hình 3.9: Hồi bi theo rãnh khoan đƣờng ống 26 Hình 3.10: Chiều moment tác dụng lên sống lăn 27 Hình 3.11: Hệ thống điều khiển hở 30 Hình 3.12: Hệ thống điều khiển kín 31 Hình 3.13: Cấu trúc phần hệ thống điều khiển 32 Hình 3.14: Mối liên hệ PMC với cụm CNC máy 34 Hình 3.15: Cấu trúc Post Processor 35 Hình 3.16: Động bƣớc 36 Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo động bƣớc 37 Hình 3.18: Động bƣớc đơn cực 38 Hình 3.19: Động bƣớc lƣỡng cực 39 Hình 3.20: Động bƣớc nhiều pha 39 Hình 3.21: Động bƣớc kiểu từ trở 40 Hình 3.22: Động bƣớc kiểu lai 40 Hình 3.23: Sơ đồ điều khiển động bƣớc 41 Hình 4.1: Phƣơng án 42 Hình 4.2: Thanh dẫn hƣớng 43 Hình 4.3: Cơ cấu dẫn hƣớng trục 43 Hình 4.4: Phƣơng án 44 Hình 4.5: Sống lăn bi 45 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý phƣơng án 46 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý phƣơng án 47 Hình 4.8: Cấu trúc phần mềm điều khiển 48 Hình 5.1: Lực kéo phần thân máy 50 10 Hình 5.2: Lực tác dụng lên trục X 51 Hình 5.3: Lực tác dụng lên trục Y 52 Hình 5.4: Lực tác dụng lên trục X 54 Hình5.5: Lực tác dụng lên sống lăn 55 Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý mạch Breakout 57 Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý mạch driver 58 Hình 5.8: Phần giao diện Mach 59 Hình 5.9: Phần giao diện menu toolpath 60 Hình 5.10: Phần giao diện menu offset 61 Hình 6.1: Trục X 62 Hình 6.2: Cơ cấu nối trục động trục X 63 Hình 6.3: Trục Y 64 Hình 6.4: Cơ cấu nối trục trục Y 65 Hình 6.5: Trục Z 66 Hình 6.6: Mạch Breakout hoàn thành 66 Hình 6.7: Mạch driver trục động 67 Hình 6.8: Tủ điện hoàn chỉnh 67 Hình 6.9: Giao diện phần mềm 68 Hình 6.10: Giao diện menu MDI 69 11 Hình 6.11: Giao diện menu toolpath 70 Hình 6.12: Menu offset 71 Hình 6.13: Menu Setting 72 Hình 6.14: Menu Dianostics 73 Hình 6.15: Máy sau hoàn thành 74 Hình 6.16: Giao diện máy làm việc 75 Hình 6.17: Bản vẽ kỹ thuật 76 Hình 6.18: Kết gia công 76 12 CHƢƠNG MỞ ĐẦU Trong phát triển thời đại đại hóa công nghiệp hóa ai biết nghe nói đến nhiều tự động hóa Trong ngành khí cụm từ CNC( computer numerical controller) hầu nhƣ ngƣời ngành biết Máy CNC máy gia công kim loại tinh tế tạo chi tiết phức tạp theo yêu cầu công nghệ đại Phát triển nhanh chóng với tiến máy tính ta bắt gặp máy CNC dƣới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nƣớc có hạt mài, máy đột dập nhiều dạng máy công nghiệp đại khác Hình 1.1 Máy phay CNC Máy CNC đời giải đƣợc nhiều vấn đề sản xuất khí, máy CNC có ƣu điểm bật suất cao chế tạo chi tiết có 13 độ xác cao Nhƣng có khuyết điểm giá thành cao chi phí để bảo trì bảo dƣỡng thay thiết bị khó khăn, hầu hết máy CNC, ngày nay, chủ yếu độc quyền nên việc thay thiết bị phần cứng khó khăn phụ thuộc nhiều vào nhà sản xuất Chính lý đề tài:“Nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay trục” cần thiết đƣợc tiến hành với mục đích là: Thiết kế máy phay CNC trục với hệ điều khiển thay sửa chữa dễ dàng Bản Báo cáo khoa học tổng kết đề tài nghiên cứu chƣơng mở đầu kết luận đề nghị, gồm chƣơng phần nội dung có theo phụ lục, đó: - Chƣơng 1: Giới thiệu phần mở đầu, chƣơng này, tác giả đề cập đến tính cần thiết lý chọn đề tài Từ đề nhiệm vụ, phạm vi phƣơng pháp nghiên cứu cho đề tài - Chƣơng 2: Trình bày tổng quan lĩnh vực nghiên cứu Trong chƣơng 2, tác giả giới thiệu chung lĩnh vực nghiên cứu, công trình nghiên cứu nƣớc- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, tập trung trình bày phần sở lý thuyết phục vụ cho trình tính toán chƣơng 5, phần thiết kế tính toán khí phần điều khiển - Chƣơng 4: Nêu ý tƣởng phƣơng án thiết kế Trong chƣơng này, tác giả đề cập đến phƣơng án chế tạo khung máy CNC từ chọn khung máy tối ƣu phù hợp để chế tạo - Chƣơng 5: Tính toán thiết kế máy điều khiển Từ phƣơng án thiết kế đƣợc chọn, tác giả tiến hành tính toán thiết kế chi tiết máy nhƣ: Tính toán chọn động cho trục, thiết kế điều khiển phần mềm cho máy phay CNC 14 - Chƣơng 6: Chế tạo kiểm nghiệm - Chƣơng kết luận đề nghị Phụ lục [...]... tài: Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục là cần thiết và đƣợc tiến hành với mục đích là: Thiết kế máy phay CNC 3 trục với hệ điều khiển có thể thay thế và sửa chữa dễ dàng Bản Báo cáo khoa học tổng kết đề tài nghiên cứu ngoài chƣơng mở đầu và kết luận đề nghị, gồm 5 chƣơng phần nội dung có theo các phụ lục, trong đó: - Chƣơng 1: Giới thiệu phần mở đầu, trong chƣơng... Hình 3. 6 : Profil ren nửa tròn 24 Hình 3. 7: Rãnh hồi bi kiểu ống 25 Hình 3. 8: Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc 25 Hình 3. 9: Hồi bi theo rãnh khoan đƣờng ống 26 Hình 3. 10: Chiều moment tác dụng lên sống lăn 27 Hình 3. 11: Hệ thống điều khiển hở 30 Hình 3. 12: Hệ thống điều khiển kín 31 Hình 3. 13: Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển 32 9 Hình 3. 14: Mối liên hệ giữa PMC với cụm CNC và máy 34 ... TRANG Hình 1.1: Máy phay CNC 8 Hình 2.1: Những ƣu điểm chính của cấu trúc mở máy CNC 14 Hình 2.2: Ba cách mở khác nhau của hệ thống điều khiển 14 Hình 2 .3: Nguyên lý “Open CNC” kết hợp PC 17 Hình 3. 1: Sơ đồ nguyên lý của máy phay CNC 20 Hình 3. 2: Sơ đồ điều khiển hệ thống 21 Hình 3. 3: Quan hệ giữa lực và tốc độ của vitme 22 đai ốc thƣờng và vitme đai ốc bi Hình 3. 4: Trục vime bi 23 Hình 3. 5: Kết cấu vitme... phần điều khiển - Chƣơng 4: Nêu ý tƣởng và phƣơng án thiết kế Trong chƣơng này, tác giả đề cập đến các phƣơng án chế tạo khung máy CNC từ đó chọn ra khung máy tối ƣu và phù hợp nhất để chế tạo - Chƣơng 5: Tính toán và thiết kế máy và bộ điều khiển Từ phƣơng án thiết kế đã đƣợc chọn, tác giả tiến hành tính toán thiết kế từng chi tiết của máy nhƣ: Tính toán và chọn động cơ cho 3 trục, thiết kế bộ điều khiển. .. Hình 3. 15: Cấu trúc Post Processor 35 Hình 3. 16: Động cơ bƣớc 36 Hình 3. 17: Sơ đồ cấu tạo của động cơ bƣớc 37 Hình 3. 18: Động cơ bƣớc đơn cực 38 Hình 3. 19: Động cơ bƣớc lƣỡng cực 39 Hình 3. 20: Động cơ bƣớc nhiều pha 39 Hình 3. 21: Động cơ bƣớc kiểu từ trở 40 Hình 3. 22: Động cơ bƣớc kiểu lai 40 Hình 3. 23: Sơ đồ điều khiển động cơ bƣớc 41 Hình 4.1: Phƣơng án 1 42 Hình 4.2: Thanh dẫn hƣớng 43 Hình 4 .3: Cơ...4 5 .3. 1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Z 77 5.4 Thiết kế phần điều khiển 77 5.4. 1Thiết kế mạch Breakout 78 5.4.2 Mạch Driver động cơ bƣớc 79 5.5 Thiết kế Phần mềm điều khiển 79 5.5.1.2 Các giao diện của mach 3: 80 CHƢƠNG 6 CHẾ TẠO VÀ CHẠY KIỂM NGHIỆM 84 6.1 Chế tạo các bộ phận của máy 84 6.1.1 Chế tạo trục X và kết cấu... cấu nối trục của động cơ 84 6.1.2 Chế tạo trục Y và kết cấu nối trục của động cơ 85 6.1.2 Chế tạo trục Z và kết cấu nối trục của động cơ 87 6.1 .3 Chế tạo mạch Breakout 88 6.1.4 Chế tạo mạch mạch driver 3 trục động cơ 90 6.1.5 Tủ điện điều khiển hoàn chỉnh 91 6.1.6 Phần mềm điều khiển 91 6.1.6 Máy hoàn chỉnh 98 6.1.4 Giao diện máy khi... ngƣời trong ngành đều biết Máy CNC là máy gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính ta có thể bắt gặp máy CNC dƣới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nƣớc có hạt mài, máy đột dập và nhiều dạng máy công nghiệp hiện đại khác Hình 1.1 Máy phay CNC Máy CNC ra đời đã giải quyết... tính cần thiết và lý do chọn đề tài Từ đó đề ra nhiệm vụ, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu cho đề tài - Chƣơng 2: Trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Trong chƣơng 2, tác giả giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nƣớc- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, tập trung trình bày phần cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình tính toán ở chƣơng 5, là phần thiết kế tính... của mạch driver 58 Hình 5.8: Phần giao diện của Mach 3 59 Hình 5.9: Phần giao diện menu toolpath 60 Hình 5.10: Phần giao diện menu offset 61 Hình 6.1: Trục X 62 Hình 6.2: Cơ cấu nối trục của động cơ trục X 63 Hình 6 .3: Trục Y 64 Hình 6.4: Cơ cấu nối trục của trục Y 65 Hình 6.5: Trục Z 66 Hình 6.6: Mạch Breakout hoàn thành 66 Hình 6.7: Mạch driver 3 trục động cơ 67 Hình 6.8: Tủ điện hoàn chỉnh 67 Hình