Sử dụng board nhúng beaglebone điều khiển máy phay CNC 3 trục dùng động cơ AC SERVO

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 SỬ DỤNG BOARD NHÚNG BEAGLEBONE ÐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC TRỤC DÙNG ÐỘNG CƠ AC SERVO GVHD: ThS VÕ VĂN CHƯƠNG SVTH: PHẠM THANH VINH MSSV:121416233 NGUYỄN HOÀNG TUẤN MSSV: 121416221 TRƯƠNG HOÀI NAM MSSV: 121416117 SKL004787 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: SỬ DỤNG BOARD NHÚNG BEAGLEBONE ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC TRỤC D NG ĐỘNG CƠ AC SERVO Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: Khoá: Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH  BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: SỬ DỤNG BOARD NHÚNG BEAGLEBONE ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC TRỤC D NG ĐỘNG CƠ AC SERVO Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: Lớp: Khố: Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2016 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: ThS V L M HNG Sinh viên thực hiện: PH NGUY N HO TR Tên đề tài: Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N trục dùng động Các số liệu, tài liệu ban đầu: - servo Phần khí mơ hình bàn máy trục Driver động hãng Pansonic Driver động hãng Yakawa Máy tính Beaglebone Black Rec C Nội dung đồ án: - Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí Nghiên cứu cài đặt hệ thống servo Nghiên cứu giải thuật nội suy Tìm hiểu ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm điều khiển máy N hiển thị tương tác với người dùng Các sản phẩm dự kiến - Hoàn thiện máy, tiến hành ch y thử nghiệm tinh ch nh Ngày giao đồ án: Ngày nộp đồ án: 07/2016  TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N trục dùng động AC servo - GVHD: THS V L N CHƢƠNG H tên sinh viên: PHẠM THANH VINH - MSSV: 12146 233 Lớp: 121461B Địa ch sinh viên: ao Lãnh, Đồng Tháp Số điện tho i liên l c: 01652533257 Email: ptvinhcdt@gmail.com H tên sinh viên: NGUYỄN HOÀNG TUẤN - MSSV: 12146 221 Lớp: 121461A - Địa ch sinh viên: M Tho, Tiền Giang Số điện tho i liên l c: 01656442201 Email: htuan5936@gmail.com H tên sinh viên: TRƢƠNG HOÀI NAM - MSSV: 12146 117 Lớp: 121461B Địa ch sinh viên: Tây Hòa, Phú Yên 0983926690 - Số điện tho i liên l c: - Email: truonghoainamhcm@gmail.com - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (Đ TN): Lời cam kết: “Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình 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 Hồ hí Minh, ngày … tháng 07 năm 2016 Ký tên ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo LỜI CẢM ƠN Đề tài hội quý báu để sinh viên nghiên cứu ứng dụng kiến thức tích lũy q trình h c tập t i trường Đó kết nỗ lực không ngừng nhóm với hướng dẫn, giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình từ Q Thầy cơ, gia đình b n bè, nhóm nghiên cứu hồn thành tốt luận văn húng xin trân tr ng chân thành gửi lời tri ân đến:  Thầy ThS Võ Lâm Chƣơng, người ln nhiệt tình ch dẫn có góp ý giúp đỡ thiết thực để nhóm thực đề tài   Tập thể Giảng viên Khoa Khí hế T o Máy Anh Huỳnh Đăng Khuyến Nguyễn Thanh Tùng giúp đỡ khung máy thiết kế máy với Đề tài: “Nghiên cứu phát triển mơ hình máy phay N trục”  Tập thể lớp Điện Tử khóa 2012 gắn bó động viên nhóm suốt thời gian qua, t o điều kiện cho nhóm hồn thành tốt đề tài  Gia đình b n bè hết lòng hỗ trợ, giúp đỡ, động viên nhiều thời gian nghiên cứu Luận văn Mặc dù có nhiều cố gắng để thực đề tài cách hoàn ch nh Song buổi đầu làm quen với công tác nghiên cứu khoa h c, tiếp cận với thực tế sản xuất h n chế kiến thức kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi thiếu sót định mà thân chưa thấy húng mong nhận đóng góp quý Thầy b n để khóa luận hồn ch nh Chúng xin chân thành cảm ơn! iii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay CNC trục dùng động AC servo Sử dụng động servo cho máy phay N trục điều khiển máy tính nhúng Beagelbone Máy tính nhúng điều khiển động AC servo ch y giao diện người dùng board Nghiên cứu giải thuật nội suy cho máy N Nhiệm vụ Láp ráp động Nghiên cứu giải thuật nội suy Tìm hiểu tính ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone Bố cục đồ án: hương 1: Giới thiệu đề tài hương 2: Tổng quan đề tài hương 3: Thiết kế máy phay N hương 4: Tổng quan hệ thống hương 5: Giới thiệu xử lý điều khiển trung tâm hương 6: M ch đệm giao tiếp điều khiển driver hương 7: Giải thuật nội suy điều khiển số máy N hương 8: Giao diện điều khiển hương 9: Kết đ t hương 10: Đánh giá nhận xét iv ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo ABSTRACT APPLY EMBEDDED BOARD IN CONTROL A 3-AXIS CNC MACHINE USING AC SERVO MOTORS A 3-axis CNC milling machine using AC servo motors is controled by a Beaglebone board It controls three AC servos and runs graphical user interface by a single board only Rearching interpolation algorithms for CNC machine are also involved in this project Tasks Assembly AC servo motors and Drivers Rearching interpolation algorithms Rearching feature and using Beagleboard The content is arrangel as fllows: Chapter 1: Introduction Chapter 2: Overview Chapter 3: Design CNC milling machine Chapter 4: Overview about AC Servo Chapter 5: Introduction about micro processer uint Chapter 6: Buffer board communicates driver and micro processer uint Chapter 7: Interpolator algorithm for CNC machine Chapter 8: Graphical user interface Chapter 9: Resluts of the implementation Chapter 10: Evaluation and review v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Leadscrew Pitch: Nhập bước ren trục vít Nếu ch n đơn vị “Inch” nhập bước ren inch, ch n đơn vị “mm” nhập mm vịng Nếu hướng dịch chuyến máy bị lỗi, thay giá trị âm thay giá trị dương Maximum Velocity: Nhập tốc độ tối đa cho trục cần cấu hình đơn vị: mm/s inch/s Maximum Acceleration: Giá trị gia tốc tối đa xác đinh thực nghiệm Home Location: Vị trí máy di chuyển tới sau hoàn thành việc xét home cho trục Với máy khơng có nút home, vị trí điều ch nh xác định tay trước nhấn nút Home giao diện Table Travel: Khoảng dịch chuyển trục đựa gốc t a độ máy.Vị trí home phải bên “Table Travel” Home Latch Direction: Lựa ch n “Same” để trục lụi l i ch m công tắc hành trình, sau ch m cơng tắc hành trình lần với vận tốc thấp Lần thứ hai công tắc hành trình đóng, vi trí home thiết lập Lựa ch n “Opposite” để trục lùi l i ch m cơng tắc hành trình cơng tắc hành trình tr ng thái mở, vị trí home thiết lập Time to accelerate to max speed: Thời gian đẻ đặt tốc độ maximum tính tốn từ gia tốc tối đa vận tốc tối đa Distance to accelerate to max speed: Khoảng cách để đ t tốc độ tối đa từ vị trí dừng Pulse rate at max speed: thơng tin tính tốn dựa giá trị nhập vào Giá trị 20000 Hz dẫn đến làm chậm thời gian đáp ứng chí khóa máy Axis SCALE: Số s sử dụng file ini cài đặt [S  Tìm tốc độ tối đa L ] Bắt đầu với gia tốc thấp (ví dụ 50 mm/s ) tốc độ mong muốn đ t tới Sử dụng nút nhấn cung cấp, di chuyển trục vị trí trug tâm hành trình Sau tăng hành trình có sẳn, nhập khoản cách an tồn vào “Test rea” Nhấn “Run” Máy s bắt đầu di chuyển tịnh tiến d c theo trục Trong kiểm tra này, điều quang tr ng kết hợp Acceleration (gia tốc) Test rea cho phép máy đ t vận tốc cài đặt ông thức d= 0.5*v*v/a đế xác định khoảng cách yêu cầu nhỏ để đ t vận tốc lý thuyết với gia tốc cho sẳn Tác động lực ngược với chiều chuyển động bàn máy để t o lực cắt mô Nếu máy dừng, giảm tốc độ bắt đầu kiểm tra l i 83 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Nhấn “Run” off Trục s trở l i vị trí ban đầu Nếu vị trí khơng xác vị trí cũ, trục bị dừng bước trình kiểm tra Giảm tốc độ bắt đầu kiểm tra l i Nếu máy không di chuyển, dừng bước, cho dù tốc độ nhỏ nào, kiểm tra với bước sau:  Kết nối ngõ  áp kết nối  Vấn đề động cơ, khớp nối, trụ vít, đai v.v… Một tìm thấy tốc độ mà trục khơng bị dừng bước q trình kiếm tra, giảm 10% sử dụng “Maximum Velocity” tốc độ tối đa cho động  Xác định gia tốc tối đa Với tốc độ tối đa tìm bước trên, nhập gia tốc để kiểm tra Sử dụng phương pháp trên, điều ch nh giá trị gia tốc tăng, giảm cần thiết Và gia tốc tối đa 10% gia tốc tiềm trình kiếm tra  ấu hình trục xoay Hình 8.16: Cấu hình trục cắt PWM Rate: Tần số tín hiệu trục quay Nhập “0” cho chế độ PDM, dùng để phát tín hiệu điều khiển nalog Speed Speed 2, PWM vad PWM 2: Mối quan hệ tuyến tính để xác định giá trị PWM tương ứng với giá trin RPM (số vòng quay phút) 84 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo CHƢƠNG 9: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC Sau thời gian nghiên cứu, nhóm thực đồ án đ t số kết định Sau số hình ảnh kết mà nhóm đ t được: 9.1 Cơ khí Nhóm hồn tất thay đổi động cho máy máy động thay dây đai servo, Hình 9.1: Tổng thể máy Bảng 9.1: Vận tốc bàn máy tối đa Ais X Y Z 85 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Với thông số ta tính tốn số xung mm: Trục X,Y: (2048 x x 15)/5 = 24576 xung/mm Trục Z: (2500 x x 2.25)/6 = 3750 xung/mm Ta tính BLU trục X,Y: BLU = 0.00016 mm BLU trục Z: BLU = 0.00027 mm Các thông số công nghệ máy: Do việc đo lường độ xác tuyệt đối máy phức t p, phụ thuộc nhiều yếu tố vào độ rung, nhiệt độ, vật liệu gia cơng… nên nhóm ch đưa thông số tương đối dựa sở lý thuyết tính tốn hệ hệ điều khiển Độ xác gia cơng đường trịn: R (1- cos (0.1/2R)) Trục X, Y, Z: Độ xác dịch chuyển X, Y, Z : 0.001 mm 9.2 Điện tử Nhóm thực m ch cách ly – đệm cho Begealbone board driver Hiểu rõ cách ho t động hiệu ch nh servo Hoàn thành tủ điện cho máy Hình 9.2: Tủ điện nhóm thực 9.3 Ph n mềm  ài đặt kernel linux cho phép xuất xung thời gian thực  Hiệu ch nh sử dụng phần mềm machinekit  ân ch nh l i hệ thống xác  h y G-code lưu l i máy 86 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Hình 9.3: Giao diện ph n mềm điều khiển 9.4 Sản phẩm gia cơng Hình 9.4: Sản phẩm gia công từ máy 87 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Hình 9.4: Sản phẩm gia cơng từ máy Hình 9.4: Sản phẩm gia công từ máy 88 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo CHƢƠNG 10: ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 10.1 Kết luận Đồ án tốt nghiệp thực hội tốt để sinh viên áp dụng toàn kiến thức, k h c suốt năm h c đ i h c để giải vấn đề thực tiễn k thuật Đây bước chuẩn bị quan tr ng cho trình làm việc sinh viên sau trường Trong trình thực đồ án, nhóm thực ln làm việc với mức cố gắng cao để hoàn thành mục tiêu đề Những kết đ t thể nỗ lực khơng ngừng nhóm Tuy nhiên, điều kiện nhiều h n chế kiến thức, thiết bị, thời gian…đồ án không tránh khỏi sai sót Rất mong đóng góp ý kiến q Thầy Đề tài mơ hình máy phát triển ngày Vì để theo kịp cơng nghệ, nhóm đồ án mong muốn nhà trường mơn t o nhiều điều kiện thuận lợi sinh viên khóa sau tiếp tục phát triển đề tài hi v ng em sinh viên khóa sau s nắm vững kiến thức N Đồng thời, mong nhà trường, khoa môn hỗ trợ sinh viên trình thi cơng đề tài 10.2 Hƣớng phát triển Sau q trình nghiên cứu thi công, đề tài đ t mục tiêu đề mở nhiều hướng nghiên cứu sâu Tuy hoàn thành tốt đề tài trước đề tài nhiều khả phát triển để ngày hồn thiện Theo đó, nhóm thực số đề xuất sau: - Về khí:  Thay đổi trượt trục Z để tăng độ cứng đáp ứng gia công vật liệu có độ cứng cao  Thay động cắt động có momem lớn cho phép ta gia cơng vật liệu mềm nhơm  Thay Vít me trục X Y để tăng độ xác  Lo i bỏ cấu truyền đai cho phép hệ thống ch y nhanh Do sử dụng servo có momen lớn t số truyền lớn nên làm tăng thời gian di chuyển bàn máy trục X,Y - Về điện tử:  Hoàn thiện giải thuật nội suy để gia công biên d ng phức t p  Sử dụng truyền thông Wifi, Internet nthernet vào việc truyền nhận liệu 89 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đ X Phương, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CƠNG CỤ CNC, Bài gi ng mơn học, B CT , Khoa CK, ĐHNT, 2010 [2] Huỳnh Đăng Khuyến & Nguyễn Thanh Tùng, Nghiên cứu phát triển mô hình máy phay CNC trục, LVTN, 2014 Tiếng Anh [3] Vo Lam Chuong, Chapter 4: Trajectory Control, Lecture notes, HCMUTE, 2015 [5] [64] Suk-Hwan Suh – Ian Struod, Theory and Design of CNC Systems, Springer, 2010 Mark Yoder & Jason Kridner, BeagleBone ookbook, O‟reilly, 2015 [6] Gerald Coley, BeagleBone Black System Reference Manual, 2013 [7] Rui Santos and Luís Perestrelo, BeagleBone For Dummies, A Wliley Brand, 2015 [8] Richard Grimmett, BeagleBone Robotic Projects, Packt Publishing, 2013 [9] Derek Molloy, Exploring BeagleBoneeBone, John Wiley & Sons, 2015 [10] 2015 Bill Pretty, Getting Started with Electronic Projects, Packt Publishing, [11] Matt Richardson, Getting Started With BeagleBone, Maker Media, 2014 Nguồn khác https://xenomai.org/start-here/#How_does_Xenomai_deliver_real-time http://www.machinekit.io/docs/hal/rtcomps/#sec:PWMgen http://banbientan.com/cong-nghe-dieu-khien-dong-co-servo/ http://www.slideshare.net/NelsonIzaguirre1/motion-control-theory-servomotor http://www.slideshare.net/benson215/1-servo-basic http://www.cnccookbook.com 90 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo PHỤ LỤC I Cài Đặt Xenomai Beaglebone Black  ài đặt Debian Ubuntu BeagleBone Black  Boot hệ điều hành lên thẻ SD card: đưa thẻ SD card vào máy tính sử dụng lệnh sau: sudo -s xz -dkc BBB-eMMC-flasher-*.img.xz > /dev/mmcblk0 exit  ập nhật phiên Xenomai cho hệ điều hành BeagleBone Black  ập nhật kernel lệnh: ssh -l 192.168.7.2 debian sudo apt-get update sudo apt-get install linux-image-3.8.13-xenomai-r72 linux-headers-3.8.13xenomai-r72 linux-firmware-image-3.8.13-xenomai-r72  Khởi động l i Beaglebone Black: sudo reboot ssh -l 192.168.7.2 debian  ài đặt Xenomai Download Xenomai 2.6.X wget http://download.gna.org/xenomai/stable/xenomai-2.6.3.tar.bz2 tar xvjf xenomai-2.6.3.tar.bz2  Build cài đặt Xenomai: cd xenomai2.6.3 /configure make sudo make install  Kiểm tra Xenomai lệnh sau: /usr/xenomai/bin/latency 91 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP II Máy phay CNC trục dùng AC servo Cài Đặt Qt Creator Trên BeagleBone Black  ài đặt Qt creator - ài đặt yêu cầu kết nối Internet thông qua LXTerminal: o Tải cài Qt reator thông qua lệnh: o sudo apt-get install qt4-dev-tools qtcreator - ài đặt trình biên dịch G (GNU omplier ollection) : o sudo apt-get install gcc xterm git-core subversion - ài đặt TightVN onnection cho P để kết nối Beaglebone Black vơi P , đồng thời cài VN BeagleBone Black để bắt tay với P , thông qua lệnh: o sudo tightvncserver o Bước yêu cầu tên đăng nhập mật để đăng nhập vào người dùng root (đăng nhập thông qua P ) - Đăng nhập trược tiếp BeagleBone Black thông qua kết nối cổng HDMI vơi màng hình Desktop - Sau đăng nhập vào màng hình chính,trong Programming xuất chương trình Qt creator  ài đặt ứng dùng Qt creator hỗ trợ cho BeagleBone Black - Mở Qt -> h n help -> About Plugins - Bảng Installed Plugins chon Device Support -> RemoteLinux ch n Load để lo i bỏ, sau đống ứng dụng mớ lai Qt reator - Ch n Tool -> Option - Trong cửa sổ Option, chon tab Build & Run -> Tool hains nhấn vào nut chon GCC - Trong G vào đường dẫn / usr / bin ch ch n Open pply để kết thúc - Trong tab Qt Versions nhấn / usr / bin bấm nut Open để đống cửa sổ sau nhấn pply OK để kết thúc, khởi động l i Qt 92 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo III Bảng mã lỗi B ng mã lỗi Yakawa 93 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo B n mã lỗi Panasonic 94 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo 95 ... NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo TÓM TẮT ĐỒ ÁN TÊN ĐỀ TÀI Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay CNC trục dùng động AC servo Sử dụng động servo cho máy phay N trục điều khiển máy. .. ghi rõ họ tên) i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N trục dùng động AC servo - GVHD: THS V L N CHƢƠNG... kết hợp với khối điều khiển chuyên dụng Bảng 3. 3: Thông số vật lý động c trục 20 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC trục dùng AC servo Bảng 3. 4: ơt dây encoder động c trục Động sử dụng có dịng liên