(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế máy vẽ theo quỹ đạo bằng thuật toán nội suy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ MÁY VẼ THEO QUỸ ÐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY GVHD: ThS VŨ QUANG HUY SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG MSSV: 12146064 SKL004796 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ THIẾT KẾ MÁY VẼ THEO QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY” GVHD: VŨ QUANG HUY SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG LỚP: 121462 KHÓA: 2012 – 2016 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 12146064 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH Bộ mơn: Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS VŨ QUANG HUY Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TIẾN HÙNG MSSV: 12146064 Tên đề tài: THIẾT KẾ MÁY VẼ QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY Nhiệm vụ đề tài:  Chế tạo phần cứng bậc tự  Thiết kế điều khiển động servo cho trục, boad master giao tiếp  Nghiên cứu, áp dụng thuật toán nội suy đường thẳng, đường cong, hàm tốn  Xây dựng giao diện điều khiển máy tính Ngày giao đồ án: Ngày 22 tháng năm 2016 Ngày nộp đồ án: Ngày 20 tháng năm 2016 ………………………………………… SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG ………………………………………… i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Thiết kế máy vẽ quỹ đạo thuật toán nội suy” Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Quang Huy Họ tên sinh viên: Nguyễn Tiến Hùng - MSSV: 12146064 Lớp: 121462C Địa sinh viên: 31/21, đường số 3, kp1, p Tăng Nhơn Phú B, q.9, TP.HCM Số điện thoại liên lạc: 01676351553 Email: nguyenhung_8@hotmail.com Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 27/07/2016 Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình tơi nghiên cứu thực Tôi không chép từ viết công bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” TP.HCM, ngày … tháng … năm 2016 Ký tên Nguyễn Tiến Hùng SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy cô ban giám hiệu Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh tạo cho em có mơi trường học tập rèn luyện vơ bổ ích Bước vào mơi trường hồn tồn sau ba năm học phổ thơng em cịn bỡ ngỡ dìu dắt dạy thầy cô, em không ngừng nỗ lực phấn đấu suốt bốn năm học trường đạt kết ngày hôm Tiếp theo, em xin chân thành cám ơn thầy cô Khoa Cơ khí chế tạo máy, đặc biệt TS Vũ Quang Huy người tận tình dạy hướng dẫn em suốt thời gian em thực đề tài tốt nghiệp Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn chỉnh Song chưa tiếp xúc nhiều với công tác nghiên cứu khoa học, tiêp cận với thực tế sản xuất hạn chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy Em mong nhận đóng góp q thầy bạn để đồ án hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 20 tháng năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Tiến Hùng SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY VẼ THEO QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật công nghệ, đặc biệt lĩnh vực vẽ gia cơng xác, việc tìm giải thuật để sản phẩm sau gia cơng có độ xác cao, gần sát với thiết kế ưu việt thuật toán trước cấp thiết Do đó, em thực đồ án với mục đích nghiên cứu thiết kế thuật tốn nội suy giải phần vấn đề đặt trên, đồng thời thiết kế thêm phần cứng hai bậc tự để kiểm tra thuật toán ABSTRACT DESIGN PLOTTER FOLLOW TRAJECTORY BY INTERPOLATION ALGORITHM Nowaday with the advancement of engineering science and technology, particularly in the field of plot and split the layout line, to find an algorithm to be able to produce products with high precision, close to design and superior previous algorithm is very urgent Therefore, I have made this project for the purpose of research and design a new interpolation algorithm can solve part of the problem set out above, and design a hardware two degrees of predom due to test this algorithms SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CAM KẾT LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT ĐỒ ÁN ABSTRACT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1.Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu 1.4.2 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1.Cơ sở phương pháp luận 1.5.2.Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 1.6 Kết cấu ĐATN Chương 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Quỹ đạo 2.2 Nội suy 2.3 Một vài phương thức nội suy 2.3.1.Nội suy phần liên tục 2.3.2 Nội suy tuyến tính 2.3.3 Nội suy đa thức 2.3.4 Nội suy Spline Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ cấu truyền động bánh – đai 3.1.1 Giới thiệu 3.1.2 Cơ sở lý thuyết 3.1.2.1.Thơng số hình học chủ ́u: SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2 GVHD: VŨ QUANG HUY 3.1.2.2 Vận tốc tỉ số truyền 3.1.2.3 Lực tác dụng truyền .8 3.1.2.4 Ứng suất đai .9 Cơ cấu truyền động vitme – đai ốc thường 3.2.1 Giới thiệu 3.2.2 Cơ sở lý thuyết .10 3.3 3.2.2.1 Các thông số ren 10 3.2.2.2 Tải trọng tác dụng 10 3.2.2.3 Hiệu suất tỉ số truyền 11 Cơ cấu dẫn hướng ray – trượt 11 3.3.1 Giới thiệu 11 3.3.2 Cơ sở lý thuyết 12 3.3.2.1 Hệ số tải tĩnh 12 3.3.2.2 Momen tĩnh cho phép 12 3.3.2.3 Hệ số an toàn tĩnh f s 12 3.3.2.4 Hệ số tải trọng động định mức C 12 3.3.2.5 Tính toán tuổi bền danh nghĩa L 13 3.3.2.6 Tính tốn tuổi bền dịch vụ theo thời gian 13 3.3.2.7 Hệ số ma sát 14 Chương 4: THIẾT KẾ, TÍNH TỐN 15 4.1 Thiết kế, tính tốn phần khí 15 4.1.1 Thông số kĩ thuật máy vẽ 15 4.1.2 Chọn cấu dẫn động 15 4.1.2.1 Động bước (stepper motor) 15 4.1.2.2 Động điện chiều (DC motor) 15 4.1.2.3 Động servo (servo motor) 15 4.1.2.4 Chọn cấu tối ưu 16 4.1.3 Lựa chọn phương án di chuyển trục 16 4.1.3.1 Phương án phôi cố định 16 4.1.3.2 Phương án phôi di chuyển trục Y 16 4.1.3.3 Phương án phôi di chuyển theo trục X Y 17 4.1.3.4 Lựa chọn phương án tối ưu 17 4.1.4 Tính tốn chọn cơng suất động cho truyền 18 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG vi ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2 4.1.5 Thông số động 4.1.6 Tính tốn thiết kế ki 4.1.6.1 Tính modun 4.1.6.2 Tính chiều rộng đai 4.1.6.3 Kiểm nghiệm đai theo 4.1.7 Tính tốn thiết kế, chọn 4.1.8 Thiết kế khí 4.1.8.1 Khung máy vẽ 4.1.8.2 Thanh ray – trượt 4.1.8.3 Con đội 4.1.8.4 Đồ gá hộp giảm tốc 4.1.8.5 Nối trục 4.1.8.6 Chi tiết ghép nối truyề 4.1.8.7 Cơ cấu kẹp 4.1.8.8 Bộ truyền Thiết kế phần điện tử 4.2.1 Lưu đồ điều khiển 4.2.2 Giải thuật điều khiển 4.2.3 Chọn linh kiện cho 4.2.3.1 Vi điều khiển dsPIC30 4.2.3.2 IR2184 4.2.3.3 IC logic NOR 74HC02 4.2.3.4 MOSFET IRF540 4.2.3.5 IC ổn áp nguồn LM25 4.2.4 Thiết kế board master 4.2.5 Thiết kế board driver 4.3 Thiết kế giải thuật nội suy 4.4 Thiết kế giao diện điều khiển Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ 5.1 5.2 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG Phần khí 5.1.1 Mơ hình máy vẽ thực tế 5.1.2 Thông số máy vẽ Phần điện tử vii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY 5.3 Phần nội suy 37 5.4 Chạy thử nghiệm 39 Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41 6.1 Kết đạt 41 6.2 Ưu, nhược điểm 41 6.3 Hướng phát triển 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG viii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Vì board master có nhiệm vụ giao nên board mạch cần phải có cổng giao tiếp UART để giao tiếp với máy tính cổng giao tiếp UART để giao tiếp với hai board driver đồng thời thêm cần có thêm mạch nguồn để ni board  Sơ đồ nguyên lý board master: Hình 37: Sơ đồ nguyên lý board master 4.2.5 Thiết kế board driver Board driver có nhiệm vụ nhận thơng số từ board master thực thi, đồng thời trả thông số vị trí thơng tin cần thiết cho board master Do board cần có cổng giao tiếp UART để kiểm tra truyền - nhận liệu với board master, cổng nhận tín hiệu encoder, khối nguồn để nuôi board, khối so sánh để cấp xung cho khối cầu H khối cầu H để điều khiển động  Sơ đồ nguyên lý: Hình 38: Sơ đồ nguyên lý board driver SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 31 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.3 GVHD: VŨ QUANG HUY Thiết kế giải thuật nội suy Hình 39: Lưu đồ tìm điểm nội suy Với lưu đồ giải thuật nội suy ta nội suy hàm tốn nào, sau nội suy ta thu tập hợp điểm nội suy Với tập hợp điểm nội suy ta dễ dàng tiến hành vẽ nội suy hàm toán thơng qua lưu đồ vẽ nội suy phía SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 32 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Hình 40: Lưu đồ chạy nội suy SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 33 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.4 GVHD: VŨ QUANG HUY Thiết kế giao diện điều khiển Giao diện điều khiển có nhiêm vụ chạy giải thuật nội suy, tính tốn đưa bước cần thực thi máy vẽ, đông thời nhận liệu từ máy vẽ gửi lên để vẽ đường thực máy vẽ nhằm mục đích so sánh sai lệnh với đường gốc đường nội suy Giao diện điều khiển có vùng chính:   vẽ - Hình 41: Giao diện điều khiển máy vẽ Vùng 1: Đây vùng nhập liệu, xử lý xuất liệu xuống máy Hai ô textbox x(t), y(t) ô dùng để nhập hàm tốn Hai numeric tMin, tMax dùng để chỉnh khoảng giới hạn vẽ Nút Calculator dùng để xử lý hàm nhập vào tính tốn nội suy Nút Draw dùng để xuất liệu tiến hành vẽ hàm toán máy vẽ Nút Origin dùng để đưa máy vị trí gốc Nút Stop dùng để dừng hoạt động máy Vùng 2: Đây vùng cấu hình COM, lựa chọn vị trí gốc điều chỉnh chế độ xem đồ thị Hai nút Zoom In, Zoom Out dùng để phóng to, thu nhỏ đồ thị Nút Zoom BLU dùng để đưa chế độ xem theo bước BLU SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 34 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - GVHD: VŨ QUANG HUY Nút Zoom Default dùng để đưa chế độ xem mặc định Nút Set Origin dùng để lựa chọn vị trí gốc Ta chọn chín gốc mặc định sẵn máy Nút COM dùng để thiết lập COM thơng số truyền UART Nút Exit để chương trình  Vùng 3: Đây listbox dùng để hiển thị câu lệnh chạy Các thông số ngăn cách khoảng trắng, thông số đầu dành cho driver X, thông số sau dùng cho driver Y Thơng số vị trí cần thực thi, thông số thứ hai chiều quay động thông số cuối vận tốc lớn chạy  Vùng 4: Là vùng thể hàm toán gốc, hàm toán qua thuật toán nội suy hàm toán vẽ qua máy vẽ Ở gốc bên trái có thêm phần tọa độ thời đầu cơng tác góc bên phải có thêm phần thích đường vẽ  Vùng 5: Là vùng hiển thị trạng thái kết nối ngày, tháng, thời gian thực SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 35 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Chương 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC TẾ 5.1 Phần khí 5.1.1 Mơ hình máy vẽ thực tế Hình 44: Mơ hình máy vẽ thực tế 5.1.2 Thơng số máy vẽ Kích thước: 450 x 420 x 450 (mm) Trọng lượng: 25 kg Không gian vẽ: 120 x 120 mm Tốc độ vẽ nhỏ nhất: vmin = 15 mm/phút Tốc vẽ vẽ tối đa: vmax = 40 mm/phút Sai số máy vẽ: 100 ± mm 5.2 Phần điện tử  Hình ảnh board mạch thực tế Hình 45: Board master thực tế SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 36 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Hình 46: Board driver thực tế 5.3 Phần nội suy  Kết nội suy số hàm Hình 47: Kết nội suy hình trịn SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 37 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Hình 48: Kết nội suy hàm tốn bơng hoa Hình 49: Kết nội suy hàm mũ: y = t^4 - 2t^2 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 38 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.4 GVHD: VŨ QUANG HUY Chạy thử nghiệm  Một số hình ảnh vẽ máy vẽ Hình 50: Ảnh vẽ bơng hoa Hình 51: Ảnh vẽ đường trịn SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 39 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Hình 52: Ảnh vẽ hàm tốn: x(t) = 40sin5t ; y(t) = 40cos3t SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 40 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết đạt  Cơ sở lý thuyết: Nắm khái niệm quỹ đạo, nội suy số phương thức nội suy như: nội suy phần liên tục, nội suy tuyến tính, nội suy đa thức, nội suy Spline Viết giao diện điều khiển, thuật toán nơi suy hàm Nắm hầu hết lý thuyết việc tính tốn khí  Cơ khí - Ứng dụng phần mềm thiết kế kỹ thuật Solid Work để thiết kế máy Lựa chọn động tính tốn cơng suất động cho cấu  Lập trình Biết sử dụng phần mềm Visual Studio 2013 việc thiết kế giao diện 6.2 Ưu, nhược điểm  Ưu điểm: - Máy không bị rơ, rung lắc chạy Giải thuật nội suy chạy tốt, khơng tồn bước thừa Có nhiều gốc tọa độ để lựa chọn phù hợp với hình vẽ - Không gian hoạt động máy nhỏ Việc chạy nội suy phải thực máy tính Giao thức truyền nhận master slave hoạt động chưa hiệu  Nhược điểm: 6.3 Code điều khiển board driver chưa tối ưu Chỉ nội suy hàm mũ, hàm sinx, cosx, tanx Hướng phát triển Chỉnh sửa lại truyền X, Y để cải thiện không gian vẽ máy Thêm cấu chỉnh đầu vẽ lên, xuống tự động Thay đổi cấu kẹp bút Cải thiện tốc độ vẽ Xây dựng thêm phần xử lý cho ảnh đưa vào Cải thiện lại code board driver SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 41 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - GVHD: VŨ QUANG HUY Áp dụng giao thức truyền nhận master salve Thiết kế điều khiển độc lập khơng sử dụng máy tính, nhận liệu qua Internet để thực thi SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 42 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY TÀI LIỆU THAM KHẢO “Mechatronic Servo System Control” - M Nakamura S Goto and N Kyura, Springer Science & Business Media, 2004 [1] “Theory and Design of CNC Systems” - Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, Ian Stroud, Springer Science & Business Media, 2004 [3] “Datasheet dsPIC30F4011” - Microchip Technology Inc, 2010 [2] [4] “dsPIC30F Family Reference Manual (DS70046E)” – Microchip Technology Inc, 2006 [5] “Datasheet IR2184” – Infineon Technologies, 2006 [6] “Design and Application Guide of Bootstrap Circuit for High-Voltage Gate- Drive IC (AN-6076)” – Fairchild Semiconductor Comporation, 2008 “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí” - Tập 1,2 – PGS.TS Trịnh Chất – TS.Lê Văn Uyển, NXB Giáo Dục, 2006 [8] “Cơ sở thiết kế máy” – PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc, NXB ĐHQG TP.HCM, 2010 [9] Nguồn ảnh www.google.com [7] [10] Phần mềm thiết kế: Solidwork 2015, Eagle Cadsoft 7.2, Visual Studio 2013, MPLAB IDE 8.6 SVTH: NGUYỄN TIẾN HÙNG 43 ... THIẾT KẾ MÁY VẼ QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY Nhiệm vụ đề tài:  Chế tạo phần cứng bậc tự  Thiết kế điều khiển động servo cho trục, boad master giao tiếp  Nghiên cứu, áp dụng thuật toán nội. .. HÙNG iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: VŨ QUANG HUY TÓM TẮT ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY VẼ THEO QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY Ngày nay, với tiến khoa học kỹ thuật công nghệ, đặc biệt lĩnh vực vẽ gia cơng xác,...TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ THIẾT KẾ MÁY VẼ THEO QUỸ ĐẠO BẰNG THUẬT TOÁN NỘI SUY? ?? GVHD: VŨ QUANG HUY SVTH: