Nghiên cứu giải thuật nội suy và ứng dụng mô phỏng chuyển động của quỹ đạo dao trên máy CNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ÐỘNG CỦA QUỸ ÐẠO DAO TRÊN MÁY CNC GVHD: ThS VÕ LÂM CHUONG SVTH: TRẦN QUỐC CUỜNG MSSV: 12146021 SVTH: ÐINH HIỀN ÐỨC MSSV: 12146044 SKL004477 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO BỘ MÔN CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỂ TÀI: “NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA QUỸ ĐẠO DAO TRÊN MÁY CNC” Giảng viên hướng dẫn : Ths VÕ LÂM CHƢƠNG Sinh viên thực hiện: TRẦN QUỐC CƢỜNG ĐINH HIỀN ĐỨC MSSV: 12146044 Lớp: 12146CLC Khóa : 2012-2016 MSSV: 12146021 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 [Type text] Page I CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc - NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: Họ tên sinh viên: Lớp: TH.S VÕ LÂM CHƢƠNG TRẦN QUỐC CƢỜNG MSSV: 12146234 ĐINH HIỀN ĐỨC 12146CLC MSSV: 12146021 Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA QUỸ ĐẠO DAO TRÊN MÁY CNC” Các số liệu, tài liệu ban đầu - Theory and designer of CNC, Hệ thống điều khiển Nội dung đồ án -Nghiên cứu thuật toán nội suy CNC - Thiết kế mạch điều khiển - Thiết kế giao diện điều khiển - Thiết kế mơ hình khí để kiểm chứng - Lập trình giao diện điều khiển - Chạy thử nghiệm Các sản phẩm dự kiến Ngày giao đồ án: 10/03/2016 Ngày nộp đồ án: 26/07/2016 TRƢỞNG BỘ MÔNGIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) □Được phép bảo vệ……………………………………………………………… [Type text] Page II Lời mở đầu  Ngày nay, với phát triển nhanh chóng khoa học-kỹ thuật, tự động hóa sản xuất đóng vai trị quan trọng công nghiệp nước ta Nhận thức điều này, chiến lược cơng nghiệp hóa theo hướng đại vào nam 2020 công nghệ tự động ưu tiên đầu tư phát triển Ở nước ta cơng nghiệp tự động hóa hình thành từ lâu, yếu tố định đến sản xuất tư động hóa kỹ thuật điều khiển Các máy công cụ điều khiển số CNC dùng phổ biến nước phát triển từ lâu Trong năm gần CNC nhập vào Việt Nam phổ biến rộng rãi Máy công cụ CNC hệ thống công nghệ hiên đại, thành nghiên cứu lớn thiết bị điển hình cho sản xuất tự động Với đề tài giao “Thiết kế-Thi công-Giải thuật cho máy CNC trục”, lần tiếp xúc với đề tài em nhận thấy đề tài hay thực tế Quá trình làm hoàn thành đề tài giúp em tổng hợp kiến thức học kiến thức thực tế liên quan đến công việc em sau làm Đồ án tiếp nối đồ án “thiết kế khí”, tập trung lớn vào việc điều khiển Vì vậy, phần tính tốn khí trình bày cốt lõi cần thiết cho việc điều khiển [Type text] Page III Lời cảm ơn  Lời nhóm chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật đặc biệt thầy cô môn Cơ điện tử giảng dạy chúng em suốt thời gian học tập hỗ trợ chúng em nhiều việc thực đề tài Thời gian học tập trường kinh nghiệm, hành trang quý báu giúp chúng em tự tin hơn, vững bước công việc sau Một lần em xin chân thành cám ơn thầy Chương, thầy cô trường, chúc thầy cô dồi sức khỏe, thành công sống đào tạo nên sinh viên giỏi giúp ích cho xã hội Và xin chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình người thân hỗ trợ tất điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp [Type text] Page IV CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* ́ PHIÊU NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Trần Quốc Cường Đinh Hiền Đức Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA QUỸ ĐẠO DAO TRÊN MÁY CNC Họ tên Giáo viên hướng dẫn: Võ Lâm Chương NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thưcc̣ hiện: Nội dung chủ yếu đề tài tập trung nghiên cứu giải thuật nội suy xung chuẩn phổ biến (DDA, SA, DS) giải thuật nội suy đường sử dụng máy CNC đại nội suy NURBS Từ thi cơng mơ hình để kiểm chứng kết giải thuật đạt Nhóm đồ án sử dụng Matlab để mô giải thuật thi cơng mơ hình máy CNC trục dùng động bước để kiểm chứng giải thuật Các kết đạt tương đối tốt Ưu điểm: - Mô giải thuật nội suy cách trực quan máy tính (Matlab) - Có mơ hình phần cứng để kiểm chứng kết Khuyết điểm: - Một số kết đạt chưa đầy đủ, đặc biệt phần nội suy đường theo NURBS - Thiết kế trục Z chưa tốt dẫn đến sai số kiểm chứng Đề nghị cho bảo vệ hay không? Cho phép bảo vệ Đánh giá loại: Khá Điểm: (Bằng chữ: Tám ) Tp Hồ Chí Minh, ngày20 2016 tháng năm Giáo viên hướng dẫn Võ Lâm Chương [Type text] Page V CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* ́ PHIÊU NHÂṆ XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: Trần Quốc Cường Đinh Hiền Đức Ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài : NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT NỘI SUY VÀ ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA QUỸ ĐẠO DAO TRÊN MÁY CNC Họ tên Giáo viên phản biện: PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thưcc̣ hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện [Type text] Page VI Mục lục Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp I Lời mở đầu II Lời cảm ơn III Phiếu nhận xét giáo viên hướng dẫn IV Phiếu nhận xét giáo viên phản biện V Mục lục VI Danh mục hình ảnh VIII Danh mục từ viết tắt XI Chƣơng 1: GIỚI THIỆU CHUNG .I 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Tổng quan chung lĩnh vực Error! Bookmark not defined 1.2.1Giới thiệu nội suy Error! Bookmark not defined 1.2.2Giới thiệu máy CNC Error! Bookmark not defined 1.2.2.1Ứng dụng 1.2.2.1Ưu điểm 1.2.2.1Nhược điểm 1.3 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .5 1.5 Giới hạn đề tài 56 1.6Tính cấp thiết đề tài Chƣơng 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG Error! Bookmark not defined Chọn phương án truyền động Chọn phương án di chuyển trục tọa độ 2.1 Phương án phôi cố định .9 2.2 Phương án phôi di chuyển 11 2.3 Kết luận 11 Chọn động dẫn động 122 3.1 Động bước 122 3.2 Động chiều (DC motor) .1213 [Type text] Page VII 3.3 Động Servo .1314 Giới thiệu động bước .145 4.1 Ứng dụng 15 4.2 Giới thiệu động bước đơn cực 15 4.3 Vấn đề trước trượt bước 17 5.Sử dụng Solidworks thiết kế khí 18 Chƣơng 3: MẠCH ĐIỀU KHIỂN 2520 Chƣơng 4: THUẬT TOÁN NỘI SUY 25 1.Khái niệm nội suy 25 Nội suy phần mềm 26 Nội suy đường thẳng 27 4.Nội suy cung tròn 31 4.1 Phương pháp DDA (Digital Differential Analyzer) 31 4.2 Phương pháp SA (Stairs Approximation) 33 4.3 Phương pháp DS (Direct Search) 36 4.4 Phương pháp NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) .39 Chƣơng 5: GIAO TIẾP MÁY TÍNH 4444 Mathlab 4444 1.1 Giới thiệu .4444 1.2 Giao diện 445 Universal Gcode Sender 46 Chƣơng 6: THỰC NGHIỆM 5454 Các vấn đề cần thiết thực nghiệm 54 So sánh sai số thuật toán 555 Kết đạt 588 Kết chưa đạt 644 Hướng phát triển 6464 Phụ lục: Tài liệu tham khảo 645 [Type text] Page VIII Danh mục hình ảnh sơ đồ Hình 1.1: Khái niệm nội suy 72 Hình 1.2: Các phương pháp nội suy điều khiển máy CNC 37 Hình 2.1: Vít me thường gắn đồng trục với động 77 Hình 2.2: Vít me đai ốc bi Hình 2.3: Đai .9 Hình 2.4: : Phương án phơi cố định 12 Hình 2.5: Phương án phôi di chuyển 13 Hình 2.6:Động bước 12 Hình 2.7: Động chiều (DC motor) 13 Hình 2.8: Động Servo 14 Hình 2.9 : Động bước 15 Hình 2.10: Sơ đồ kết nối động bước đơn cực 16 Hình 2.11: Mơ thiết kế bằng Solidworks 19 Hình 3.1: Mạch điều khiển 20 Hình 3.2: IC A4988 20 Hình 3.3: Sơ đồ kết nối IC A4988 21 Hình 3.4: CNC Shield v3 22 Hình 3.5: Arduino Uno 23 Hình 4.1:Thuật toán tiêu biểu 26 Hình 4.2: Bộ nội suy Reference Pulse 26 Hình 4.3:Bộ nội suy Sampled-Data 27 Hình 4.4: Phương pháp nội suy đường thẳng 28 [Type text] Page IX Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao $22: thiết lập chức gốc tọa độ Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $22 = 1), lần khởi động máy, dao tự động di chuyển gốc tọa độ (được xác định bằng Endstop ứng với trục X; Y; Z) Trong trình di chuyển gốc tọa độ, mạch điều khiển không thực lệnh khác tới vị trí Endstop $23: thiết lập hướng di chuyển gốc tọa độ (sử dụng đảo ngược hướnglắp Endstop trục) Cách sử dụng giống với $2 $24: tốc độ gốc tọa độ chậm (mm/phút) Khi gốc tọa độ, dao di chuyển nhanh (tốc độ gốc tọa độ nhanh $25) từ vị tri Khi gặp Endstop, dao di chuyển ngược lại sau di chuyển chậm (tốc độ gốc tọa độ chậm $24) để đảm bảo độ xác Giá trị $24 nhỏ vị trí xác định gặp Endstop xác,tuy nhiên thời gian $25: tốc độ gốc tọa độ nhanh (mm/phút) Xem giải thích $24 $26: thiết lập độ trễ (delay,mili giây) kiểm tra tín hiệu Endstop gốc tọa độ Để giảm ảnh hưởng nhiễu tín hiệu điện, mạch điều khiển tạo thời gian trễ nhận tín hiệu kích hoạt từ Endstop Thơng thường giá trị nằm khoảng – 25 ms $27: thiết lập di chuyển sau gốc tọa độ (mm) Sau gốc tọa độ, dao di chuyển theo chiều ngược lại quãng bằng giá trị $27 theo tất trục $100; $101; $102: thiết lập số bước động ứng với 1mm theo trục X; Y; Z tương ứng $110; $111; $112: thiết lập tốc độ di chuyển cực đại dao theo trục X; Y; Z tương ứng (mm/phút) Khi kiểm tra máy, ban đầu đặt giá trị thật thấp, sau tăng dần tới động hoạt động mượt $120; $121; $122: thiết lập gia tốc di chuyển dao ứng với trục X; Y; Z tương đương (mm/s2) Nếu đặt giá trị gia tốc q thấp,dao khơng tăng tới vận tốc cao [Type text] Page 52 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Tuy nhiên để gia tốc cao,động bị mốt số bước hoạt động $130; $131; $132: thiết lập hành trình tối đa (kích thước gia cơng tối đa) theo trục X; Y; Z tương ứng (mm) Các thiết lập cần thiết kích hoạt tính $20 Sau chọn xong giá trị ứng với chức năng,click Save để lưu thiết lập vào mạch điều khiển [Type text] Page 53 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Chƣơng 6:THỰC NGHIỆM Các vấn đề cần thiết thực nghiệm  Độ xác thuật tốn DDA,DS,SA Với lưu đồ giải thuật có biến số trọng yếu thuật tốn,từ ta tính vị trí điểm mà thuật tốn chạy qua từ ta lập thành bảng thơng số vị trí thuật toán di chuyển,so sánh với kết qua  Xác định BLU mơ hình Mỗi cấu khí có độ vững khác nhau,độ trượt động cho sai số BLU khác nên lần chạy cho kết xác BLU mô phỏng=1 BLU thực tế.Bằng cách thiết lập thông số Universal Gcode Sender nhiều lần chạy thử nghiệm điều chỉnh BLU mô phỏng=BLU thực tế [Type text] Page 54 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Hình 6.1BLU =1mm So sánh sai số thuật toán [Type text] Page 55 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Gọi ∆ giá trị sai số diện tích cung trịn thật cung trịn mơ bằng thuật tốn nội suy TH1:R=10 Tên thuật tốn = DDA SA DS Hình 6.2So sánh sai số thuật toán R=10 TH2:R=15 [Type text] Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Page 56 Tên thuật Diện tích c tốn = DDA SA DS Hình 6.3So sánh sai số thuật tốn R=15 TH3:R=20 Tên thuật Diện tích cung trịn tốn = DDA SA DS [Type text] Page 57 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao Hình 6.4So sánh sai số thuật tốn R=20 Nhận xét : Trong trường hợp ta nhận thấy ∆ dễ dàng nhận < <