Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển CNC áp dụng cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ MẠNH TÚ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ ĐIỀU KHIỂN CNC ÁP DỤNG CHO MÁY ÉP VIÊN GỐM ÁP ĐIỆN TỪ BỘT THẠCH ANH Chuyên ngành: CƠ ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS HOÀNG VĨNH SINH Hà Nội 05 – 2018 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: ĐỖ MẠNH TÚ Học viên lớp: CH2016A Mã số học viên: CA160426 Dưới hướng dẫn PGS.TS Hồng Vĩnh Sinh, tơi nhận nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển CNC áp dụng cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh.” Tôi xin cam đoan, luận văn q trình nghiên cứu thân Nếu có sai sót tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 10  Ý nghĩa khoa học đề tài 10  Ý nghĩa thực tiễn đề tài 10 TỔNG QUAN MÁY ÉP SONG ĐỘNG GỐM ÁP ĐIỆN 11 1.1 Giới thiệu viên gốm áp điện tính chất 11 1.1.1 Nguồn gốc ứng dụng gốm áp điện 11 1.1.2 Yêu cầu kỹ thuật 12 1.2 Quy trình sản xuất gốm áp điện sử dụng cơng nghệ ép 13 1.3 Sơ đồ động học, kết cấu chức máy ép 14 1.3.1 Sơ đồ động học 14 1.3.2 Kết cấu máy ép 15 1.4 Các chức máy ép 17 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 19 2.1 Giới thiệu card điều khiển ADT-8960 19 2.1.1 Cấu trúc phần cứng 19 2.1.2 Mô tả chức card điều khiển 31 2.1.3 Các hàm chức 34 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 38 2.3 Sơ đồ khối chức điều khiển 39 2.3.1 Sơ đồ thuật toán điều khiển cấp bột 39 2.3.2 Sơ đồ thuật tốn q trình ép song động 41 2.3.3 Sơ đồ thuật toán điều khiển rung 43 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ 2.3.4 Sơ đồ thuật toán gắp sản phẩm 45 2.3.5 Sơ đồ thuật toán thực quay mâm 47 2.4 Sơ đồ điện hệ thống máy ép 48 THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 58 3.1 Thiết kế giao diện 58 3.2 Các mô-đun 59 3.3 Hệ thống phân phối bột tối ưu trình đổ bột 60 3.4 Hệ thống lấy sản phẩm dùng robot scara 66 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 70 4.1 Mô tả chức giao diện 70 4.2 Các câu lệnh hệ thống 75 4.3 Các kết sản xuất đo kiểm sản phẩm 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 80 Kết luận 80 Hướng nghiên cứu 80 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt BLDC Brushless DC Động chiều không chổi than CAM Computer-Aided Manufacturing Gia cơng có trợ giúp máy tính CAD Computer Aided Design CNC Computer Numerical Control Máy điều khiển số CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm DOF Degree Of Freedom Bậc tự FIFO First-In First-Out Vào trước trước PVD Physical Vapor Deposition Sự kết tủa vật lý PZT Lead zirconate titanate Vật liệu chì titanat Thiết kế trợ giúp máy tính VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1 Minh họa tính chất vật liệu áp điện 11 Hình 1-2 Gốm áp điện cần phải phân cực để thể hiệu ứng áp điện 12 Hình 1-3 Sơ đồ khối quy trình sản xuất gốm áp điện 13 Hình 1-4 Sơ đồ động học máy ép thạch anh 14 Hình 1-5 Kết cấu máy ép (phía trước) 15 Hình 1-6 Kết cấu máy ép (phía sau) 16 Hình 2-1 Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển chuyển động 19 Hình 2-2 Sơ đồ chân J1 20 Hình 2-3 Mạch J2 24 Hình 2-4 Sơ đồ kết nối xung điều khiển 27 Hình 2-5 Sơ đồ kết nối với Động bước 27 Hình 2-6 Sơ đồ kết nối với động servo 28 Hình 2-7 Sơ đồ kết nối encoder dạng Open-collect 28 Hình 2-8 Sơ đồ kết nối encoder dạng Vi sai (Differential ouput) 28 Hình 2-9 Sơ đồ kết nối tín hiệu đầu vào 29 Hình 2-10 Sơ đồ mô tả kết nối đầu vào 30 Hình 2-11 Sơ đồ mơ tả kết nối đầu 31 Hình 2-12 Biểu đồ xung trục 32 Hình 2-13 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy ép 38 Hình 2-14 Sơ đồ thuật tốn đổ bột 39 Hình 2-15 Sơ đồ thuật toán ép song động 41 Hình 2-16 Sơ đồ thuật toán điều khiển rung 43 Hình 2-17 Sơ đồ thuật tốn gắp phân loại sản phẩm 45 Hình 2-18 Sơ đồ thuật tốn thực quay mâm 47 Hình 3-1 Bố cục giao diện sơ 59 Hình 3-2 Các mơ-đun máy ép QP12 59 Hình 3-3 Hệ thống phân phối bột 60 Hình 3-4 Biểu đồ phụ thuộc số vòng đổ bột khối lượng theo tốc độ 63 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ Hình 3-5 Biểu đồ khối lượng bột vòng quay theo tốc độ 64 Hình 3-6 Sơ đồ thuật tốn tính tham số đổ bột 65 Hình 4-1 Giao diện chạy chương trình QP12 70 Hình 4-2 Giao diện giám sát hệ thống 72 Hình 4-3: Giao diện tham số 74 Hình 4-4 Kết sản xuất 79 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số vật liệu gốm áp điện 12 Bảng 1.2 Chức máy ép 17 Bảng 2.1 Danh sách chức mạch J1 20 Bảng 2.2 Danh sách chức mạch J2 25 Bảng 2.3 Các hàm chức 34 Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật 60 Bảng 3.2 Kết đo kiểm tra 61 Bảng 3.3 Khối lượng bột thực tế sau lần đổ bột 62 Bảng 3.4 Khối lượng bột trung bình vịng quay theo tốc độ 63 Bảng 4.1 Mô tả giao diện chạy chương trình 70 Bảng 4.2 Kết sản xuất 78 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ điều khiển CNC áp dụng cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh.” Trong cách mạng khoa học công nghệ nay, ngành Khoa học Vật liệu nói chung Vật liệu Điện tử nói riêng đóng vai trị quan trọng Trong q trình phát triển mình, ngành Vật liệu Điện tử đóng góp lớn cho phát triển chung giới, tạo sản phẩm chất lượng cao, có nhiều ứng dụng, đặc biệt chế tạo vật liệu cho ngành kỹ thuật mũi nhọn điện tử, hàng không, du hành vũ trụ, lượng nguyên tử v.v Trong năm gần đây, có nhiều cơng trình nghiên cứu cơng bố tính chất vật lý lý thú hệ vật liệu khác nhau, mở triển vọng ứng dụng to lớn hiệu ứng điện - từ - quang, số có vật liệu áp điện Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật sản phẩm gốm áp điện ngày trở nên phong phú, đa dạng sử dụng lĩnh vực kinh tế, khoa học kỹ thuật, qn sự… Hiện nay, quy trình cơng nghệ sản xuất viên gốm áp điện nước chủ yếu thủ công, đơn cử bước ép bột thạch anh, từ khâu xác định xác lượng bột, đổ bột vào khuôn, ép máy ép thủy lực, lấy sản phẩm ra, kiểm tra sản phẩm Vì mà suất không cao, phụ thuộc vào sức người Hơn nữa, hạt bụi thạch anh (nguyên liệu làm viên gốm áp điện) gây tác động xấu đến sức khỏe người tiếp xúc hít phải Như nhu cầu thực tế đặt để tự động hóa q trình sản xuất viên gốm áp điện Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, đề tài lựa chọn để xây dựng hệ thống điều khiển CNC ứng dụng cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Mục đích đề tài xây dựng điều khiển CNC ứng dụng điều khiển máy ép thạch anh để tạo viên gốm áp điện có thơng số đạt u cầu hình thức, đồng chất lượng VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ Đối tượng phạm vi nghiên cứu chủ yếu đề tài card điều khiển chuyển động (Motion card ADT-8960) hãng ADTECH kết hợp với nghiên cứu quy trình cơng nghệ ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh Từ đưa phương án lập trình điều khiển tối ưu cho trình ép thạch anh Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài  Ý nghĩa khoa học đề tài Nghiên cứu sâu điều khiển chuyển động sở để chủ động phát triển máy tự động, đặc chủng, thay đổi chức máy linh hoạt, phù hợp với nhiều loại máy móc thiết bị mới, đáp ứng đa dạng nhu cầu tự động hóa sản xuất Đề tài nghiên cứu cung cấp kiến thức tổng quan điều khiển chuyển động, cấu trúc phần cứng phần mềm điều khiển Các kết nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học:  Xây dựng cấu trúc hệ thống điều khiển sử dụng motion card  Xây dựng phần mềm điều khiển QP-12 cho máy ép gốm áp điện  Xây dựng quy trình cấp bột tự động: xây dựng thuật toán đổ bột  Ý nghĩa thực tiễn đề tài Việc nghiên cứu điều khiển chuyển động, mở cho thêm công cụ để điều khiển, tích hợp cấu máy móc dây chuyền sản xuất tự động hóa Hiểu cấu trúc điều khiển chuyển động, sở để phát huy hết khả thiết bị này, hỗ trợ cho người lập trình có nhìn tổng qt hơn, can thiệp sâu hơn, mở rộng khả tích hợp cho thiết bị, máy móc Các kết mang tính thực tiễn:  Bộ điều khiển máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh  Tích hợp robot Scara DOF cho trình gắp xếp sản phẩm  Xây dựng thuật tốn cho q trình đổ bột  Đưa chương trình mẫu để tạo sản phẩm ép gốm áp điện 10 VIỆN SĐH-ĐHBKHN _ while n