THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

- Chương trình lập trình viết trên MPLAB cho vi xử lý đã hoạt động và điều khiển phần cứng đúng với phần điều khiển của phần mềm Mach3 trên máy tính.. Phần mềm Mach3 rất gần gũi với ngườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC

Giáo viên hướng dẫn:

Ths Lê Văn Bạn

Tháng 05 năm 2012

LỜI CẢM ƠN

Chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM, Ban

chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM đã tạo

điều khiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian theo học tại trường và hoàn thành

luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn và thầy Lê Quang Hiền đã tận tình

hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Em chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô trong bộ môn Điều Khiển

Tự Động cùng tập thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình dạy dỗ truyền đạt

kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm chuyên môn cũng như kinh nghiệm sống trong 4 năm

học vừa qua

Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ và động

viên em những lúc khó khăn để có thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn

Đỗ Anh Ngọc

TÓM TẮT

Trong nền kinh tế hội nhập ngày nay, sự xuất hiện của các máy móc hiện đại

ngày càng nhiều trong đó có các máy CNC Máy CNC có ưu điểm là khả năng sản

xuất hàng loạt với độ chính xác cao nhưng hầu hết đây là những máy nhập từ nước

ngoài và có giá thành rất đắt Đi kèm với các máy CNC là phần mềm điều khiển và

phần mềm Mach3 do hãng ArtSoft thiết kế ra để có thể điều khiển được các loại máy

CNC khác nhau Đó là nguyên nhân em thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều

khiển động cơ bước tương thích phần mềm Mach3” nhằm mục đích tạo điều kiện cho

việc thực hành điều khiển máy CNC tại trường Quá trình thực hiện đề tài được tiến

hành tại phòng thực tập bộ môn Điều Khiển Tự Động và theo trình tự sau:

 Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Mach3

 Khảo sát mạch driver điều khiển động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M

 Thiết kế mạch điều khiển máy CNC 3 trục sử dụng động cơ bước giao tiếp

máy tính bằng phần mềm Mach3

 Lập trình cho vi điều khiển PIC16F887 tương thích với phần mềm để điều

khiển động cơ bước, động cơ DC

Kết quả: Hoàn thành được những mục tiêu đã đề ra:

- Thiết kế được mạch điều khiển máy CNC 3 trục bằng vi xử lý PIC16F887

và IC L298 tương thích với phần mềm Mach3 qua cổng LPT

- Chương trình lập trình viết trên MPLAB cho vi xử lý đã hoạt động và điều

khiển phần cứng đúng với phần điều khiển của phần mềm Mach3 trên máy tính

- Mạch điều khiển giao tiếp Mach3 điều khiển mô hình máy CNC thực hiện

khoan mạch in, phay hình, khắc chữ đúng với kích thước bản vẽ

MỤC LỤC

Trang

Trang tựa i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Mục lục iv

Danh sách cách hình vii

Danh sách các bảng ix

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tầm quan trọng của đề tài 2

1.3 Mục đích của đề tài 2

1.3.1 Mục đích chung 2

1.3.2 Mục đích cụ thể 2

1.4 Giới hạn của đề tài 3

Chương 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan công nghệ CNC 4

2.2 Một số máy CNC tiêu biểu 6

2.3 Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC 7

2.3.1 Động cơ bước 7

2.3.2 Động cơ DC 10

2.3.3 Bộ truyền vít me 10

2.3.4 Công tắc hành trình 12

2.4 Tìm hiểu về phần mềm Mach3 12

2.4.1 Giới thiệu 12

2.4.2 Giao diện phần mềm Mach3 13

2.5 Tham khảo một số mạch driver điều khiển động cơ bước 15

2.6 Tra cứu các linh kiện điện tử 17

2.6.1 IC L298 17

2.6.2 Cổng LPT 18

2.6.3 Nghiên cứu vi điều khiển 20

2.6.3.1 Định nghĩa 20

2.6.3.2 Sơ lược về PIC16F887 20

2.7 Tìm hiểu chương trình MPLAB lập trình cho vi điều khiển 23

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài 25

3.1.1 Địa điểm 25

3.1.2 Thời gian 25

3.2 Phương pháp nghiên cứu 25

3.2.1 Chọn phương pháp thiết kế 25

3.2.2 Chọn phương pháp thiết kế phần mạch điện tử 26

3.3 Phương tiện thực hiện 26

Chương 4 THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 27

4.1 Mô hình máy CNC 27

4.2 Cài đặt một số thông số cần thiết trên Mach3 28

4.3 Khảo sát thông số điều khiển của phần mềm Mach3 với mạch

driver HY-TB3DV-M điều khiển mô hình máy CNC 30

4.4 Lưu đồ hoạt động chung của mô hình máy CNC 32

4.5 Khảo sát sơ bộ tín hiệu xung điều khiển của Mach3 33

4.6 Thực hiện điều khiển động cơ bước 35

4.6.1 Điều khiển đủ bước với mosfet 35

4.6.2 Điều khiển vi bước 36

4.6.3 Dùng thuật ngắt để xử lý tín hiệu từ máy tính 38

4.7 Thiết kế mạch điều khiển 38

4.7.1 Mạch nguồn 5V 38

4.7.2 Thiết kế mạch điều khiển dùng PIC16F887 38

4.7.3 Mạch công suất điều khiển động cơ bước 40

4.7.4 Thiết kế mạch giao tiếp máy tính 41

4.7.5 Mạch điều khiển tổng hợp 42

4.8 Thực hiện phần mềm 44

4.8.1 Lưu đồ giải thuật 44

4.8.2 Chương trình cho vi điều khiển 46

Chương 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47

5.1 Kiểm tra chạy thử 47

5.1.1 Kiểm tra mô hình và mạch điều khiển 47

5.1.2 Chạy thử nghiệm máy 49

5.2 Khảo nghiệm 52

5.2.1 Mục đích khảo nghiệm 52

5.2.2 Phương pháp bố trí khảo nghiệm 52

5.3 Kết quả 53

5.4 Thảo luận 57

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 58

6.1 Kết luận 58

6.2 Đề nghị 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Máy phay CNC Hàn Quốc hiệu FANUC 0i-MC 6

Hình 2.2 Máy khoan mạch in LPKF ProtoMat S42 6

Hình 2.3 Máy tiện CNC hiệu CK6166 7

Hình 2.4 Máy khắc CNC RJ-1325 7

Hình 2.5 Cấu tạo động cơ bước 8

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước 8

Hình 2.7 Động cơ bước PK264A2-SG3.6 9

Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây động cơ bước đơn cực 9

Hình 2.9 Các loại động cơ DC 10

Hình 2.10 Cấu tạo động cơ DC 10

Hình 2.11 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi 11

Hình 2.12 Bộ truyền vít me đai ốc bi 11

Hình 2.13 Các loại công tắc hành trình 12

Hình 2.14 Giao diện chính của Mach3 14

Hình 2.15 Bảng lựa chọn chương trình Wizard 15

Hình 2.16 Driver động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M 15

Hình 2.17 Driver động cơ bước 4 trục hiệu CNC5AIXS4 16

Hình 2.18 Sơ đồ chân L298 17

Hình 2.19 Sơ đồ chân cổng LPT 18

Hình 2.20 Chức năng địa chỉ thanh ghi của cổng LPT 19

Hình 2.21 Sơ đồ chân PIC16F887 21

Hình 2.22 Sơ khồi khối PIC16F887 21

Hình 2.23 Giao diện chương trình MPLAB 23

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển với Mach3 25

Hình 4.1 Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống máy CNC 27

Hình 4.2 Bảng chọn đơn vị 28

Hình 4.3 Bảng cài đặt tín hiệu vào/ra của Mach3 29

Hình 4.4 Bảng thiết lập số liệu động cơ 30

Hình 4.5 Lưu đồ hoạt động của hệ thống 33

Hình 4.6 Biểu đồ xung 33

Hình 4.7 Bảng thiết lập chân tín hiệu ngõ ra 34

Hình 4.8 Sơ đồ đấu dây và trình tự pha từng bước 35

Hình 4.9 Sơ đồ mạch điều khiển đủ bước 35

Hình 4.10 Nguyên lý hoạt động của chế độ điều khiển nữa, vi bước 36

Hình 4.11 Biểu đồ xung điều khiển 1/16 bước 37

Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn +5V 38

Hình 4.13 Mạch điều khiển tín hiệu 39

Hình 4.14 Sơ đồ mạch công suất 40

Hình 4.15 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển 41

Hình 4.16 Sơ đồ mạch điều khiển 42

Hình 4.17 Sơ đồ mạch công suất 43

Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật 45

Hình 4.19 Chương trình MPLAB cho vi điều khiển 46

Hình 4.20 Mô phỏng bằng phần mềm Proteus 46

Hình 5.1 Mô hình máy CNC 47

Hình 5.2 Mạch driver điều khiển 3 trục động cơ bước sau khi hoàn thành 48

Hình 5.3 Đèn led báo hiệu chiều quay động cơ 48

Hình 5.4 Kết nối hệ thống hoàn chỉnh 49

Hình 5.5 Chạy thử nghiệm các trục máy CNC 50

Hình 5.6 Kết quả khoan chân PIC16F887 53

Hình 5.7 Kết quả khoan mạch in 54

Hình 5.8 Khắc chữ “HELLO” nổi 55

Hình 5.9 Khắc chữ “NGỌC” chìm 56

Hình 5.10 Khoan lỗ thành hình  56

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1 Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC 6

Bảng 2 Thông số kỹ thuật máy LPKF ProtoMat S42 6

Bảng 3 Thông số kỹ thuật máy tiện CK6166 7

Bảng 4 Thông số kỹ thuật máy khắc RJ-1325 7

Bảng 5 Các chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt của driver HY-TB3DV-M 16

Bảng 6 Chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt của driver CNC5AIXS4 16

Bảng 7 Chức năng các chân của L298 17

Bảng 8 Chức năng các chân cổng máy in 18

Bảng 9 Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC 19

Bảng 10 Bảng khảo sát thiết lập số bước và vận tốc của Mach3 31

Bảng 11 Bảng giá trị xung ngõ ra cổng LPT 34

Bảng 12 Các chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt 45

Bảng 13 Bảng kết quả thu được trong quá trình chạy thử 52

Bảng 14 Kết quả mẫu 3 55

Bảng 15 Kết quả mẫu 4 56

Bảng 16 Kết quả mẫu 5 57

Máy CNC ra đời là một bước ngoặt lớn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản xuất chế tạo máy với đặc điểm ưu việt hơn các dòng máy khác là khả năng sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao và giảm thiểu được lượng nhân công đáng kể Thêm vào đó máy CNC là một công cụ rất cần thiết cho quá trình thực tập tại các trường đại học đào tạo các ngành cơ khí, kỹ sư nhưng chi phí cho một máy CNC khá đắt nên máy CNC chưa đến gần được các sinh viên, kỹ sư tương lai

Cũng từ đó mà hãng ArtSoft đã thiết kế ra phần mềm Mach3 chuyên để điều khiển máy CNC Phần mềm Mach3 rất gần gũi với người sử dụng, có thể giao tiếp điều khiển các loại động cơ bước, động cơ servo giúp cho việc tự chế tạo và điều khiển máy CNC tại nhà dễ dàng hơn

Vì những lí do trên em đã tiến hành nghiên cứu về phần mềm Mach3, thiết kế mạch với mục tiêu là dùng phần mềm Mach3Mill điều khiển máy CNC phục vụ cho yêu cầu thực tập

1.2 Tầm quan trọng của đề tài

Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu em đã nhận ra các ưu nhược điểm của phần mềm Mach3 và các loại driver cho động cơ bước Em cho rằng việc thiết kế mạch driver điều khiển động cơ bước tương thích với phần mềm Mach3 có thể tiết kiệm giá thành cũng như giúp dễ làm quen với việc sử dụng máy CNC đối với các kỹ

sư đặc biệt là sinh viên bước đầu tìm hiểu về CNC Đề tài giúp quá trình thực hành với máy CNC dễ dàng hơn và góp phần đưa mọi người hiểu thêm về ngành Điều Khiển Tự

Động

1.3 Mục đích của đề tài

1.3.1 Mục đích chung

 Nghiên cứu chương trình Mach3 của hãng ArtSoft

 Khảo sát mạch driver HY-TB3DV-M của Trung Quốc giao tiếp với phần mềm Mach3

 Tìm hiểu cách điều khiển động cơ bước nhiều chế độ của mạch driver HY-TB3DV-M tương thích tín hiệu điều khiển của Mach3

 Từ đó tiến hành thiết kế mạch driver động cơ bước 3 trục điều khiển nhiều chế độ tương thích phần mềm Mach3

1.3.2 Mục đích cụ thể

 Khảo sát các loại động cơ bước, các cách điều khiển động cơ bước

 Tìm hiểu chế động xung điều khiển xuất ra từ cổng LPT trên máy tính của phần mềm Mach3

 Khảo sát phần mạch điều khiển và mạch công suất của mạch driver HY-TB3DV-M đặc biệt là cơ chế điều khiển của IC chuyên điều khiển động

cơ bước TB6560AHQ được sử dụng trên mạch

 Từ đó bước đầu tìm hiểu kết cấu mạch điều khiển, thuật toán, chương trình điều khiển

 Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước 3 trục điều khiển ở nhiều chế độ, giao tiếp máy tính qua cổng LPT tương thích với phần mềm Mach3

 Viết bằng chương trình MPLAB lập trình cho vi xử lý PIC16F887 giao tiếp với phần mềm Mach3Mill, xử lý tín hiệu xung máy tính đầu vào để điều khiển động cơ bước

1.4 Giới hạn của đề tài

 Mạch điều khiển tối đa được 3 động cơ bước tương ứng 3 trục máy CNC

 Mạch chỉ điều khiển động cơ trục chính quay một chiều, không có đảo chiều trục chính

 Mạch giao tiếp với máy tính không dùng các nút điều khiển ngoài nên quá trình điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào máy tính

 Tốc độ làm việc mỗi trục máy CNC: 1 mm/s, mạch đọc được chu kì xung máy tính tối thiểu: 0.3 ms, công suất động cơ trục chính là 7W nên chỉ gia công trên các vật liệu mềm như gỗ, mica,…

Sự phát triển nhanh chóng của các linh kiện vi điện tử như các bộ vi xử lý và máy tính đã tạo điều kiện cho hệ điều khiển NC phát triển thành hệ điều khiển số bằng máy tính CNC (Computerizal numberial control) Đặc điểm quan trọng của việc tự động hoá quá trình gia công trên các máy CNC là đảm bảo cho máy có tính vạn năng cao Điều đó cho phép gia công nhiều loại chi tiết với dạng sản xuất hàng loạt

Đặc trưng cơ bản của máy CNC:

a Tính năng tự động cao

Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm tối đa thời gian phụ, do đó mức độ

tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện nhiều chuyển động khác nhau cùng một lúc, có thể tự thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng

cụ, tự động tưới nguội

b Tính linh hoạt cao

Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian sản xuất tạo điều khiện thuận lợi cho việc tự động hoá sản xuất hàng loạt

c Tính chính xác, đảm bảo chất lượng cao

Giảm được hư hỏng do sai sót của con người đồng thời giảm được cường độ làm việc của người đứng máy Có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lập lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC

Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia năng được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước Những đặc điểm này thuận lợi cho việc lắp dẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất

d Gia công biên dạng phức tạp

Máy CNC là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức tạp như các bề mặt ba chiều

e Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao

- Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt,

đồ gá và các phụ tùng khác

- Giảm lượng phế phẩm

- Giảm thời gian sản xuất

- Có thể sử dụng lại chương trình gia công

- Tiết kiệm được chi phí lao động

- Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất

- CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại

khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất

Tuy nhiên máy CNC không phải không có những hạn chế Dưới đây là một số hạn chế của máy:

- Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng máy CNC là tiền

vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt

- Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ

khí, điện rất phức tạp Để máy gia công chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng Người bảo trì phải thông thạo cả về cơ và điện

- Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản

2.2 Một số máy CNC tiêu biểu

Bảng 1 Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC

Hành trình trục Y 460 mm Hành trình trục Z 520 mm

Nguồn điện 220V/50Hz

Hình 2.1 Máy phay CNC Hàn Quốc

hiệu FANUC 0i-MC

Máy phay CNC Hàn Quốc làm việc công suất cao, có bàn thay dao tự động gồm 24 hoặc 30 chiếc Khung máy được thiết kế chắn chắc, bền bĩ, chịu lực tốt Máy

có thể phay nhiều loại vật liệu từ gỗ, mica đến nhôm, thép

Hình 2.2 Máy khoan mạch in Bảng 2 Thông số kỹ thuật máy

Hành trình trục X/Y/Z 229/305/120 mm Tốc độ khoan 90 điểm/phút

Nguồn điện 115/230V; 50-60Hz;

200WMáy LPKF ProtoMat S42 là dạng máy khoan - phay tự động được điều khiển bằng máy tính với độ chính xác cao, với chức năng thay đổi dụng cụ (mũi cắt, khoan

và phay) bằng tay Máy có thể khoan, phay và tạo các đường mạch trên plastic, nhôm hoặc những chất liệu kim loại khác

Hình 2.3 Máy tiện CNC Bảng 3 Thông số kỹ thuật

Hành trình trục X/Z 330/700 mm

Độ chính xác lặp lại trục X/Z 0.0075/0.01 mm

Kích thước 2060x1180x1500

mm

Máy tiện CK6166 đạt tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng có hệ thống khung máy

được thiết kế chắc chắn, chịu lực tốt Máy có độ chính xác cao khi gia công rất đa

dụng khi gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp

Hình 2.4 Máy khắc CNC RJ-1325 Bảng 4 Thông số kỹ thuật máy khắc RJ-1325

Thân máy khắc RJ-1325 được đúc thành một khối thống nhất, kiên cố không bị

biến dạng qua thời gian sử dụng Phần cơ học sử dụng loại dây xích và bánh răng nhập

khẩu, làm việc tốc độ nhanh, độ chính xác cao, chuyển động ổn định Tiếng ồn nhỏ,

lực cắt khắc mạnh, đảm bảo cho máy hoạt động dưới cường độ mạnh

2.3 Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC

2.3.1 Động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với

đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ không đồng bộ

dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau

thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor, có khả năng cố định

rotor vào các vị trí cần thiết

Hình 2.5 Cấu tạo động cơ bước

Động cơ bước không quay theo cơ chế

thông thường, chúng quay theo từng bước nên có

độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng

làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các

tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự và một tần

số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng

với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và

tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần

số chuyển đổi

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước

Ta có thể phân loại động cơ bước theo:

 Cấu tạo: căn bản có 3 loại động cơ bước; loại từ trở biến đổi (variable reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid) Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu hoặc lõi sắt với các lá thép stator

 Số bước/vòng (góc bước): động cơ bước phong phú về góc quay Các động

cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước (động cơ 4 bước), trong khi đó các động cơ

xử lý cao có thể quay 1.8 độ (200 bước) đến 0.72 độ mỗi bước (500 bước)

 Số đầu dây (số pha): động cơ bước có nhiều đầu dây ra thường là 4, 5, 6, 8 đầu dây từ đó có thể phân ra thành động cơ bước 2 pha, 3 pha, 5pha

Hình 2.7 Động cơ bước PK264A2-SG3.6

Động cơ bước PK264A2-SG3.6 là loại động cơ bước đơn cực Động cơ bước đơn cực cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ hình 2.8, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó

Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây động cơ bước đơn cực

Động cơ bước ứng dụng nhiều trong điều khiển vị trí như: Góc, vị trí (chiều dài) Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng

số Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay

Hình 2.10 Cấu tạo động cơ DC

Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng Một phần quan trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường

bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Đây cũng chính là nhược điểm chính của động cơ DC, làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một

chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu

2.3.3 Bộ truyền vít me

Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường dùng hai dạng vít me cơ bản: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi

Vít me đai ốc thường: vít me và đai ốc tiếp xúc mặt

Vít me đai ốc bi: vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

Hình 2.11 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc của

vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi Vùng ma sát ướt là vùng tiếp xúc giữa vít me và đai ốc Qua hình 2.11, vít me đai ốc bi có dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ nên ma sát có thể coi như không đáng kể.Vì vít me bi có ma sát nhỏ và hoạt động

êm nên được dùng trong máy có độ chính xác cao, được ứng dụng rất rộng rãi cho ngành Tự động hoá như máy CNC, máy lắp chíp bo mạch, robot, máy đóng gói, thiết

bị đo lường, máy in, khắc laser, máy ép nhựa

Hình 2.12 Bộ truyền vít me đai ốc bi

1-vít me 2-đai ốc 3-bi thép 4-ống hồi tiếp

 Ưu điểm bộ truyền vít me đai ốc bi:

Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0.9

Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ

Có thể loại trừ khe hở, sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác Người ta có thể dùng công tắc hành trình vào các mục đích như:

 Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu để nó không thể vượt qua vị trí giới hạn)

 Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơ cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính

Mach3 chạy tốt trên hệ điều hành Window XP (hay Window 2000) nền bộ vi xử

lý tốc độ 1GHz với màn hình có độ phân giải 1024x768 Mach3 đã thành công trong việc điều khiển máy: máy tiện (lathes), máy phay (mills), cắt laser (laser), cắt plasma (plasma), máy khắc (engravers)

2.4.2 Giao diện phần mềm Mach3

Mach3 có giao diện người dùng được thiết kế để dễ dàng và phù hợp với phương thức của người làm việc nhất

Giao diện chính của phần mềm Mach3 gồm các phần cơ bản sau:

- Thanh menu: bao gồm nhiều chức năng như nhập file G-code, cài đặt chế độ điều khiển, đơn vị,…

- Thanh toolbar: gồm nhiều trang trong đó có trang giao diện chính (Program Run), trang nhập G-code (MDI), trang offset dao (Offsets),…

- Bảng hiển thị G-code: bảng sẽ hiển thị toàn bộ phần mã G-code người sử dụng đưa vào và khi Mach3 thực hiện lệnh nào thì dòng trắng trong bảng sẽ chạy tới hàng G-code đó

- Bảng hiển thị độ toạ trục XYZ: sẽ hiển thị toạ độ từng trục một giúp người dùng biết vị trí chính xác của máy

- Bảng mô phỏng đường đi dao: sẽ vẽ ra đường dao mà người dùng viết bằng G-code với hình vẽ 3D, từ đó người sử dụng sẽ biết được chi tiết sản phẩm để điều chỉnh sửa chữa đúng ý trước khi cho chạy máy gia công

- Nút điều khiển: gồm 3 nút là:

 Cycle Start: bắt đầu thực hiện G-code Phím tắt: Alt+R

 Feed Hold: hoãn lệnh, Mach3 sẽ dừng tại dòng lệnh mà ta bấm Feed Hold nếu muốn tiếp tục thì ta chọn Cycle Start Phím tắt: Space

 Stop: dừng thoát ra khỏi G-code, máy ngưng mọi hoạt động Phím tắt: Alt+S

- Nút EStop: dừng khẩn cấp, khi có sai phạm ta bấm EStop thì mọi hoạt động

sẽ dừng lại

- Bảng điều khiển trục chính: hiển thị tốc độ trục chính khi làm việc ngoài ra

ta có thể điều khiển trục chính khi bấm nút Spindle CW, phím tắt: F5

- Bảng điều khiển tay: với các phím X+,X-,Y+,… giúp người dùng di chuyển nhanh đến vị trí mong muốn, ta có thể điều chỉnh tốc độ di chuyển của các trục tại bảng Slow Jog Rate bằng cách tăng giảm phần trăm bước di chuyển

Hình 2.14 Giao diện chính của Mach3

Giao diện của Mach3 rất dễ gần đối với người dùng lần đầu tiên sử dụng, với giao diện chính thì người dùng đã hoàn toàn có thể điều khiển được một máy CNC theo ý muốn, đây là một cách giúp người sử dụng làm quen với việc điều khiển một máy CNC sau này

Thêm vào đó Mach3 còn có các chương trình nhỏ được viết sẵn gọi là Wizard Wizard được thiết kế để cho người sử dụng nhanh chóng thực hiện những thao tác thường xuyên làm cho công việc trở nên thuận tiện mà không cần phải tạo file G-code trước đó Một số chương trình wizard được cấp miễn phí như:

- Cắt bánh răng (Cut Gear)

- Khắc chữ (Text Engraving)

- Phay ren (Thread Milling)

- Tạo lỗ (Cut Circle)

- Khoan lỗ quanh vòng tròn (Circ Hole Pattern)

Và nhiều chương trình wizard chức năng khác…

Hình 2.15 Bảng lựa chọn chương trình Wizard 2.5 Tham khảo một số mạch driver điều khiển động cơ bước

Hình 2.16 Driver động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M

1-cổng LPT giao tiếp máy tính 6-cổng động cơ bước 3 trục XYZ 2-cổng tín hiệu điều khiển tay 7-cổng động cơ trục chính

3-tín hiệu đầu vào (công tắc hành trình, nút stop,…)

4-đèn led báo tín hiệu 8-rơle

5-công tắc cài đặt chế độ

Bảng 5 Các chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt của driver HY-TB3DV-M

Đặc tính của driver:

 Sử dụng chip TB6560AHQ công suất cao, chịu được dòng tối đa 3.5A

 Thiết lập nhiều chế độ 1-1/16 vi bước giúp động cơ hoạt động mượt mà

 Điều chỉnh các chế độ làm việc 25%, 50%, 75%, 100% để phù hợp với các loại động cơ bước khác nhau

 Chịu quá tải, quá nhiệt tốt, đảm bảo an toàn cho máy tính và các thiết bị ngoại vi

Hình 2.17 Driver động cơ bước 4 trục hiệu CNC5AIXS4

1-cổng LPT giao tiếp máy tính

2-tín hiệu đầu vào (công tắc hành

Đặc tính của driver CNC5AIXS4:

 Sử dụng IC TA8435HQ chuyên điều khiển động cơ bước làm việc hiệu quả cao, chịu dòng 2.5A

 Có thể điều khiển được 4 động cơ, có khả năng thiết lập các chế độ 1-1/8 vi bước cho từng động cơ bước

 Bảo đảm an toàn cho máy tính và các thiết bị ngoại vi khác

2.6 Tra cứu các linh kiện điện tử

2.6.1 IC L298

Hình 2.18 Sơ đồ chân L298

1; 5 Sense A; Sense B Nối qua điện trở xuống GND để điều khiển

dòng tải

2; 3 Out 1; Out 2 Ngõ ra cầu A Dòng của tải giữa hai chân này

được qui định bởi chân 1

5; 7 Input 1; Input 2 Chân ngõ vào của cầu A

6; 11 Enable A; Enable B

Chân cho phép Mức cao sẽ cho phép tín hiệu ngõ ra cầu A (đối với chân Enable A), cầu B (đối với chân Enable B) ngược lại mức thấp là cấm tín hiệu ngõ ra

10; 12 Input 3; Input 4 Chân ngõ vào của cầu B

13; 14 Out 3; Out 4 Ngõ ra cầu B Dòng của tải giữa hai chân này

được qui định bởi chân 15

Bảng 7 Chức năng các chân của L298

L298 là IC mạch cầu H đôi có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao

Điện áp cấp lên đến 46V, dòng cực đại lên đến 4A, nhiệt độ làm việc từ -25 đến

130oC L298 chuyên dùng để điều khiển các loại động cơ DC, động cơ bước IC L298

có ưu điểm là có khả năng đóng ngắt nhanh và không xảy ra ngắn mạch như cầu H

dùng transistor

2.6.2 Cổng LPT

Cổng LPT hay còn gọi là cổng song song hoặc cổng máy in do công ty Centronics thiết kế ra nhằm mục đích nối máy tính PC với máy in Về sau, cổng song

song đã phát triển thành một tiêu chuẩn không chính thức để phục vụ nhiều chức năng

khác kết nối các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều

khiển Tên gọi của cổng song song bắt nguồn từ kiểu dữ liệu truyền qua cổng này: các

bit dữ liệu được truyền song song hay nói cụ thể hơn là byte nối tiếp còn bit song song

Cổng song song có hai loại: loại ổ cắm 36 chân và loại 25 chân Ngày nay, loại

ổ cắm 36 chân không còn được sử dụng, hầu hết các máy tính PC đều trang bị cổng

song song 25 chân

Hình 2.19 Sơ đồ chân cổng LPT

D6 8 Select input (lựa chọn lối vào) 17

Bảng 8 Chức năng các chân cổng máy in

Hệ điều hành DOS dự tính đến bốn cổng song song và đặt tên là: LPT1, LPT2,

LPT3 và LPT4 Tuy vậy, hầu hết các máy tính PC đều chỉ có nhiều nhất hai cổng song

song và cho đến nay với lí do giảm giá thành, cổng song song chỉ còn lại một Về mặt

phần cứng, các nhà sản xuất đã dự tính bốn nhóm, mỗi nhóm 3 địa chỉ, để trao đổi với

từng ô nhớ trên thanh ghi của mỗi giao diện Ta có thể thiết lập chức năng cho công

LPT bằng các khai báo các địa chỉ thanh

Cổng LPT Địa chỉ thanh ghi

Bảng 9 Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC

Hình 2.20 Chức năng địa chỉ thanh ghi của cổng LPT

 Chú thích: Busy (báo bận), Acknowledge(báo nhận), Paper Empty (hết giấy),

Select (lựa chọn), Error (báo lỗi); Select Input (lựa chọn ngõ vào), Reset (làm lại),

Auto Feed (tự động nạp), Strobe (tín hiệu điều khiển)

Từ các chức năng trên của cổng máy in, người ta đã vận dụng các tín hiệu

vào/ra để thiết kế các mạch giao tiếp máy tính thông qua cổng LPT để thực hiện các

yêu cầu khác cụ thể ở đây ta dùng phần mềm Mach3 thông qua cổng LPT để điều

khiển động cơ bước Nên sơ đồ chân cổng LPT được thiết lập lại như sau:

- Chân 1-9, 14, 16, 17: Tín hiệu ngõ ra

- Chân 10-13, 15: Tín hiệu ngõ vào

- Chân 18-25: Nối đất (0V)

2.6.3 Nghiên cứu vi điều khiển

2.6.3.1 Định nghĩa

dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các môđun vào/ra, các môđun biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số, Ở máy tính thì các môđun thường được xây dựng bởi các chíp và mạch ngoài

Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Nó xuất hiện khá nhiều trong các dụng cụ điện tử, thiết bị điện, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động…

Ta có thể nói vi điều khiển là một mạch có mật độ tích hợp cao, trong đó có khả năng nhận xử lý và xuất dữ liệu Đặc biệt quá trình xử lý được điều khiển theo một chương trình gồm nhiều tập lệnh mà người sử dụng có thể thay đổi một cách dễ dàng Một vi điều khiển có thể hiểu được vài trăm đến vài nghìn lệnh Vì vậy nó có thể thực hiện được nhiều yêu cầu điều khiển khác nhau Hiện nay trên thị trường có nhiều họ vi điều khiển như 8051, AVR, ARM, PIC,…

2.6.3.2 Sơ lược về PIC16F887

 Giới thiệu

PIC là từ viết tắt của “Programmable Intelligent Computer” tạm dịch là “máy tính thông minh khả trình” do hãng Genenral Intrument chế tạo và sau này được hãng Microchip Technology mua lại, tiếp tục phát triển và đến nay dòng PIC16F887 ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thị trường

 Sơ đồ chân

PIC16F887 có 35 I/O, tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA tuy nhiên, giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ là 90mA Các PORT của PIC16F887 lần lượt được đặt tên theo chữ cái là PORTA, PORTB, PORTC, PORTD và PORTE, tương ứng với mỗi chân I/O ngoài chứng năng Input và Output logic ra còn tích hợp thêm nhiều tính năng khác

Hình 2.21 Sơ đồ chân PIC16F887

VDD: điện áp nguồn nuôi VSS: nối đất

PORTA (RA0÷RA7) bao gồm 8 I/O bin có thể xuất nhập được Bên cạnh đó PORTA còn là ngõ ra của bộ ADC, bộ so sánh, ngõ vào analog

PORTB (RB0÷RB7) bao gồm 8 chân vào/ra là thanh ghi điều khiển xuất nhập

và có liên quan đến ngắt ngoại vi và bộ Timer0

PORTC (RC0÷RC7) gồm 8 chân xuất nhập và còn chứa các chân chức năng bộ

so sánh, bộ Timer1, bộ xung PWM và các chuẩn giao tiếp nối tiếp

PORTD (RD0÷RD7) có 8 chân I/O và còn là cổng xuất dữ liệu của chuẩn giao tiếp song song PSP

PORTE (RE0÷RE3) gồm 4 chân vào/ra có ngõ vào analog Bên cạnh đó PORTE còn là các chân điều khiển của chuẩn giao tiếp PSP

Hình 2.22 Sơ khồi khối PIC16F887

Như hình 2.22, bên trong PIC16F887 ngoài các chân vào/ra thì còn có các thanh ghi chức năng như Timers (đếm thời gian), PWM (chân xung), RAM (bộ nhớ trong),… Các thanh ghi này giữ nhiệm vụ quan trọng, thực hiện các chức năng riêng như ngắt thời gian, tạo xung nên hỗ trợ rất nhiều trong quá trình lập trình, tạo nên tính

đa chắc năng và giúp PIC trở nên thông dụng Dưới đây là một số thanh ghi được sử dụng trong đề tài:

 Thanh ghi đếm Timer1

Timer là khối hoạt động độc lập với CPU, do đó trong lập trình sử dụng timer thì sẽ giảm thời gian xử lý, giúp vi điều khiển hoạt động nhanh hơn Ứng dụng chủ yếu của timer là định thời trong khoảng thời gian gắn, đếm số xung clock như: đếm sản phẩm, đếm số xung encoder… PIC16F887 có tích hợp 3 timer: Timer0 (8 bit), timer1 (16 bit), timer2 (8 bit)

Nguyên tắc hoạt động của timer là tăng giá trị đếm lên khi nhận được một xung clock, khi thanh ghi đếm đến giá trị lớn nhất nếu có một xung tiếp tục tác động thì timer sẽ xảy ra hiện tượng tràn timer và xảy ra ngắt

Timer1 (16 bit) có hai thanh ghi chứa giá trị đếm có thể đếm lên đến 65535 (2^16-1), thích hợp nhất cho việc đếm xung tốc độ cao

Công thức định thời timer1:

Fosc

prescader L

TMR H

TMR

T [65535( 1 256 1 )] 4

- T: Thời gian định thời timer1

- TMR1H, TMR1L: Thanh ghi chứa giá trị đếm của timer1

- Fosc: Tần số hoạt động của vi điều khiển

- prescader: Tỉ lệ bộ chia

 Thanh ghi đặc biệt ngắt PORTB

PORTB có hỗ trợ xử lý ngắt để xử lý các tín hiệu tức thời, ngắt PORTB xảy ra khi tín hiệu logic ở chân của PORTB thay đổi trạng thái logic

Ngắt PORTB có hai loại: ngắt chân RB0 và ngắt các chân PORTB Ngắt chân RB0 kí hiệu là INT chỉ ngắt duy nhất chân RB0 và ngắt tín hiệu logic là cạnh lên hoặc cạnh xuống, bit khởi tạo là INTx, GIE Ngắt các chân PORTB còn gọi là ngắt on-

change có thể ngắt các chân trên PORTB (từ RB0 đến RB7), chỉ cần tín hiệu logic thay đổi là xảy ra ngắt không phân biệt cạnh lên cạnh xuống, các bit khởi tạo: IOCx, RBIE, RBIF, GIE

 Khối điều động xung PWM

PIC16F887 có hai bộ điều xung, hai bộ này sẽ tạo ra các tín hiệu điều xung trên hai chân CCP1 (RC2) và CCP2 (RC1) của PIC

Để các chân CCPx (CCP1 và CCP2) hoạt động ở chế độ PWM cần phải khởi tạo và sử dụng timer2 vì một mình khối CCP không thể hoạt động được một ứng dụng

mà phải kết hợp với các bộ timer Khác với các bộ timer khác, timer2 có hai bộ chia và một giá trị đặt do đó thời gian định thời có thể linh hoạt hơn ít sai sót trong tính toán nên đảm bảo được độ rộng và chu kỳ xung đầu vào/ra chính xác

2.7 Tìm hiểu chương trình MPLAB lập trình cho vi điều khiển

Hình 2.23 Giao diện chương trình MPLAB

Chương trình MPLAB là một chương trình chạy trên PC để phát triển các ứng dụng cho Microchip MPLAB là một chương trình đa năng, ta có thể tạo project

và chạy mô phỏng trước khi lắp ráp bo mạch chính Đây là ngôn ngữ lập trình cao cấp

vì nó có tính năng tương tự, dễ lập trình và hỗ trợ nhiều cho người sử dụng

 Giao diện chính của MPLAB gồm:

 Thanh menu bar

 Thanh toolbar

 Vùng viết chương trình

MPLAB có thể lập trình theo ngôn ngữ C hoặc Asembly và phần mềm có thể viết cho nhiều dòng vi xử lý khác nhau Để MPLAB chạy chính xác ta phải tạo một project với đầy đủ khai báo như dòng vi xử lý, ngôn ngữ lập trình, tên file, nơi lưu,…

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài

3.1.1 Địa điểm

Thực hiện thiết kế mạch và khảo nghiệm lấy kết quả tại phòng thực tập bộ môn Điều Khiển Tự Động, khoa Cơ khí – Công nghệ

3.1.2 Thời gian

Đề tài đã tiến hành từ 15 tháng 03 năm 2012 đến 15 tháng 06 năm 2012

 Quá trình thực hiện nghiên cứu chương trình, thiết kế và chế tạo mạch từ ngày 15 tháng 03 năm 2012 đến ngày 25 tháng 04 năm 2012

 Thời gian còn lại là quá trình khảo nghiệm lấy kết quả, sửa và hoàn thành bài luận văn

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Chọn phương pháp thiết kế

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển với Mach3

- Tín hiệu điều khiển: tín hiệu ngõ ra của Mach3 là tín hiệu xung, một chu kỳ xung lên xuống là trục máy CNC dịch chuyển một đơn vị khoảng cách

- Điều khiển vi bước: vi xử lý nhận tín hiệu điều khiển sẽ tiến hành xử lý và xuất tín hiệu xung điều khiển động cơ bước sao cho hành trình trục máy CNC chạy đúng với mô phỏng trên phần mềm Mach3 khi đang chịu tải

3.2.2 Chọn phương pháp thiết kế phần mạch điện tử

 Khảo sát tín hiệu điều khiển của phần mềm Mach trên máy tính

 Thiết lập thông số điều khiển động cơ trên Mach3 bằng cách sử dụng mạch driver HY-TB3DV-M giao tiếp máy tính và điều khiển mô hình máy CNC

 Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước

 Khảo sát quá trình hoạt động của mạch

 Thiết kế mạch điều khiển giao tiếp với máy tính

 Lập trình giao tiếp phần cứng và phần mềm

 Tiến hành lắp ráp toàn bộ mạch và chạy thử giao tiếp với máy tính

 Viết chương trình điều khiển mạch và chạy thử nghiệm

 Chỉnh lại chương trình điều khiển

 Hoàn thành mạch

 Chạy thử kiểm tra và lấy số liệu

3.3 Phương tiện thực hiện

 Phần mềm Mach3

 Mạch driver HY-TB3DV-M của Trung Quốc

 Máy khoan CNC chế tạo tại trường Nông Lâm

Chương 4

THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

4.1 Mô hình máy CNC

Giới thiệu chung mô hình máy CNC:

Hình 4.1 Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống máy CNC

Cấu tạo của máy gồm các phần chính sau:

1-động cơ bước điều khiển trục X

9-bàn kẹp

Mô hình máy là đề tài máy khoan CNC của sinh viên trường đại học Nông Lâm, khoa Cơ Khí – Công Nghệ, bộ môn Điều Khiển Tự Động niên khoá 2005 – 2009 thiết kế và chế tạo ra Chức năng cơ bản của máy là khoan bo mạch linh kiện điện tử

tự động, mô hình sử dụng động cơ bước, vít me, vít me bi truyền động điều khiển vị trí trục máy khoan và động cơ DC thực hiện việc khoan mạch

Thông số kỹ thuật chung của hệ thống:

 Trục X, trục Y:

 Động cơ bước: là loại có hộp số đơn trục; mômen xoắn tối đa: 1 N.m; tỷ số truyền: 3.6; dòng điện: 2A; điện áp: 2.8V; bước góc cơ bản của động cơ bước trục X: 0.5 độ, trục Y: 0.2 độ

 Vít me bi: Đường kính trong 16 mm; đường kính bi: 3 mm; bước vít: 5 mm; chiều dài vít me trục X: 360 mm, trục Y: 480 mm

 Vít me: Đường kính trong: 6 mm; bước vít 1 mm; chiều dài: 140 mm

 Động cơ DC: nguồn 24V; tốc độ: 100 vòng/phút; công suất: 7W; mômen xoắn cực đại: 0.5 N.m

 Hành trình làm việc: 25.94 mm

4.2 Cài đặt một số thông số cần thiết trên Mach3

Chi tiết thiết lập thông số trên chương trình Mach3 được đề cập đầy đủ ở phần phụ lục 1

Hình 4.2 Bảng chọn đơn vị

Trên thanh menu chọn Config -> Select Native Units Bảng chọn đơn vị cho ta lựa chọn đơn vị mm hoặc inches tuỳ người sử dụng sao cho khi tính toán hoặc lắp đặt thiết bị dễ dàng lựa chọn thông số của các phần tử Việc thiết lập này có ảnh hưởng đến quá trình gia công sau này

Hình 4.3 Bảng cài đặt tín hiệu vào/ra của Mach3

Như đã nói ở trên, Mach3 đưa và nhận tín hiệu điều khiển thông qua cổng máy

in LPT nên để điều khiển phần cứng ta phải cài đặt ngõ tín hiệu vào/ra ở bảng Ports and Pins (Config -> Ports and Pins) Bảng này gồm các mục:

- Port Setup and Axis Selection: giúp lựa chọn cổng LPT nếu máy có 2 hoặc 3 cổng máy in

- Motor Outputs: thiết lập các chân ra tín hiệu trên cổng LPT để điều khiển các trục máy CNC và động cơ trục chính

- Input Signals: đặt các tín hiệu ngõ vào như các nút điều khiển, công tắc hành trình,…

- Output Signals: cài đặt các tín hiệu ngõ ra, mục này có thể thiết lập được nhiều ngõ ra hơn dùng cho các mục đích khác như tích cực tín hiệu chân ngõ ra, điều khiển bộ làm mát,…

- Encoder/MPG’s: thiết lập chân nhận tín hiệu encoder

- Spindle Setup: mục này ngoài lựa chọn chân điều khiển động cơ trục chính còn giúp người dùng lựa chọn phương thức điều khiển và tốc độ động cơ

- Mill Options: thiết lập thêm các chức năng như điều khiển 4 trục, tín hiệu động cơ servo,…

Để có thể điều khiển được chính xác các trục di chuyển đúng vị trí như mong muốn, Mach3 đưa ra mục Motor Turning (Config -> Motor Turning) để người dùng thiết lập tín hiệu xung đầu ra điều khiển động cơ

Hình 4.4 Bảng thiết lập số liệu động cơ

Mục số bước có vai trò quan trọng, để điều khiển động cơ chạy chính xác thì ta phải khai báo số bước tương ứng với chế độ điều khiển Cài đặt vận tốc ở mục vận tốc

là áp đặt vận tốc tối đa cho chương trình, mục này có ảnh hưởng đến vận tốc chạy dao nhanh G0 của G-code

 Tính toán thiết lập số liệu điều khiển động cơ: Đối với động cơ bước 200 xung/vòng, trục vít me có bước vít 2 mm/vòng quay, chế độ điều khiển vi bước 1/16 thì công thức tính số bước trên Mach3 như sau:

Steps per (số bước trên một đơn vị) = 16*200/2 = 1600 step/unit

Trên thực tế ta phải tính toán, thay đổi thiết lập số bước và tiến hành thực

nghiệm để điều khiển máy chạy đúng như mong muốn

4.3 Khảo sát thông số điều khiển của phần mềm Mach3 với mạch driver HY-TB3DV-M điều khiển mô hình máy CNC

 Mục đích khảo sát: Thiết lập thông số điều khiển động cơ bước ở mục Steps per (số bước) trong bảng Motor Turning trên phần mềm Mach3 và điều khiển mô hình máy CNC chạy đúng với G-code sau: