4.4.1. Kiểm nghiệm tải tĩnh đế máy.
Các lực tác dụng lên đế máy bao gồm :
Khối lƣợng của bệ đỡ trục X, vít me, ray trƣợt, bàn máy : 242 kg
Khối lƣợng của bệ đỡ trục Z và bệ gắn trục chính : 1150 kg
Các mô men uốn do trục chính và vị trí bàn máy s đƣợc kiểm nghiệm trong kiểm nghiệm toàn máy phía sau. Quá trình kiểm nghiệm đế máy gồm các bƣớc sau:
61
Hình 4.8 Chia lƣới đế máy.
Hình 4.9 Đặt lực lên đế máy.
62
Hình 4.11 Kiểm nghiệm ứng suất lớn nhất của đế máy.
Nhận xét: Ta thấy trong trƣờng hợp tải trọng tĩnh thì ứng suất lớn nhất nằm trên đế máy có giá trị σ =9.82(Mpa) là rất nhỏ so với ứng suất bền của gang xám [σ] =180 (Mpa). Điều này cho thấy đế máy đảm bảo bền và có thể đáp ứng các yêu cầu về tải trọng động và chịu va đập.
4.4.2. Kiểm nghiệm tải tĩnh bệ đỡ trục Z.
Để kiểm nghiệm trục Z, ta coi nhƣ bề mặt gắn với đế máy đƣợc cố định. Các lực tác dụng lên bệ đỡ trục Z bao gồm :
Khối lƣợng của đối trọng và bệ gắn trục chính : 208x2 = 416 kg.
Mô men uốn do đối trọng và bệ gắn trục chính : 208x(425-280) = 30160 N.mm.
Ở đây các khối lƣợng đều đƣợc tính toán bằng phần mềm Inventor.
Khối lƣợng đối trọng = khối lƣợng bệ trục chính = 208 kg.
Trọng tâm của bệ trục chính : 425 mm.
Trọng tâm của đối trọng : 280 mm.
63
Hình 4.12 Chia lƣới và đặt lực cho bệ đỡ trục Z.
Hình 4.13 Kiểm tra biến dạng và ứng suất lớn nhất.
Nhận xét: Ta thấy trong trƣờng hợp tải trọng tĩnh thì ứng suất lớn nhất nằm trên bệ đỡ trục Z có giá trị σ =0.29(Mpa) là rất nhỏ so với ứng suất bền của gang xám [σ] =180 (Mpa). Điều này cho thấy bệ đỡ trục Z đảm bảo bền và có thể đáp ứng các yêu cầu về tải trọng động và chịu va đập.
4.4.3. Kiểm nghiệm tải tĩnh bệ mang trục chính.
Để kiểm nghiệm bệ mang trục chính, ta tạm coi bề mặt gắn với bệ đỡ trục Z đƣợc cố định. Các lực tác dụng lên bệ trục chính bao gồm :
Mô men uốn lớn nhất do lực cắt theo phƣơng X : 1500x270 = 405 000 N.mm = 405 N.m.
64 1500x270 = 405 000 N.mm = 405 N.m.
Thực hiện các bƣớc tƣơng tự nhƣ kiểm nghiệm đế máy.
Hình 4.14 Chia lƣới bệ mang trục chính.
65
Hình 4.16 Kiểm tra biến dạng tĩnh lớn nhất của bệ mang trục chính.
Hình 4.17 Kiểm tra ứng suất lớn nhất của bệ mang trục chính.
Nhận xét: Ta thấy trong trƣờng hợp tải trọng tĩnh thì ứng suất lớn nhất nằm trên bệ mang trục chính có giá trị σ =3.68(Mpa) là rất nhỏ so với ứng suất bền của gang xám [σ] =180 (Mpa). Điều này cho thấy bệ mang trục chính đảm bảo bền và có thể đáp ứng các yêu cầu về tải trọng động và chịu va đập.
4.4.4. Kiểm nghiệm toàn máy.
Các lực tác dụng lên máy bao gồm :
Lực mô men uốn do vị trí bàn máy :
110,675x350 = 38736,25 N.mm = 38,74 N.m.
66 1500x270 = 405 000 N.mm = 405 N.m.
Mô men uốn lớn nhất do lực cắt theo phƣơng Y : 1500x270 = 405 000 N.mm = 405 N.m.
Bỏ qua khối lƣợng của phôi, chi tiết và đồ gá do khối lƣợng của chúng s không đáng kể.
Hình 4.18 Chia lƣới và đặt lực tác dụng lên máy.
Hình 4.19 Kiểm tra biến dạng và ứng suất của máy.
Nhận xét: Ta thấy trong trƣờng hợp tải trọng tĩnh thì ứng suất lớn nhất nằm trên máy có giá trị σ =8.45(Mpa) là rất nhỏ so với ứng suất bền của gang xám [σ] =180 (Mpa). Điều này cho thấy máy đảm bảo bền và có thể đáp ứng các yêu cầu về tải trọng động và chịu va đập.
67
68
Thiết kế hệ thống điện. Chương 5.
Từ những phân tích lựa chọn ở phần thiết kế máy và yêu cầu về giải thuật ở phần chƣơng trình điều khiển , ta chia phần cứng điều khiển ra các khối nhƣ sau :
LAPTOP Giao diện B re ak B o ar d Hệ thống DRIVER Step/Dir Encoder Nguồn 150V 5V 5V 5V Data X Y Z 3 MOTOR DC SERVO Công tắc: hành
trình, stop. Đèn, Loa báo hiệu
PHẦN CỨNG Nguồn C MOTOR Trục chính Driver trục chính Encoder Step/Dir
Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển.
Các khối trên kết hợp với nhau tạo nên hệ thống hoàn thiện cho máy điều khiển số. Dƣới đây là liệt kê công dụng các khối chính. Việc phân tích lựa chọn và thiết kế s đƣợc mô tả ở phía sau.
Giao diện : cung cấp một giạo diện giúp giao tiếp với ngƣời dùng, thực hiện các lệnh thực thi xuất nhập dữ liệu ,hiển thị trạng thái và cung cấp các chức năng để sửa chữa chƣơng trình và phƣơng thức giao tiếp.
Laptop: lõi của hệ thống số, thực hiện v biên dạng Cam, biên dịch biên dạng cam thành G-code, bù trừ bán kính dao dựa trên việc biên dịch chƣơng trình.
Break-Out Board : liên tục nhận G-code , điều khiển thay đổi dao và tốc độ, vị trí các trục, bật tắt nƣớc tƣới nguội, đọc dữ liệu các công tắc hành trình,..
Driver : Nhận xung step/dir từ MMC, dùng giải thuật PID điều khiển chính xác vị trí.
69 5.1 Mạch Break-Out Board.
5.1.1. Đặt vấn đề.
Từ lựa chọn phƣơng án giao tiếp với máy tính, ta thấy do USB chỉ có hai dây dữ liệu nên để giảm thời gian truyền gửi và xử lí dữ liệu, ta s dùng thêm một mạch Break Board. Nhiệm vụ của mạch này là nhận dữ liệu từ máy tính qua cổng USB, xử lí dữ liệu,đồng thời điều khiển các động cơ dẫn động và động cơ trục chính.
5.1.2. Lựa chọn phƣơng án giao tiếp với máy tính.
Để tiến hành thiết kế và gửi dữ liệu từ máy tính xuống máy gia công, máy gia công phải đƣợc kết nối từ nó tới phần mềm trên máy tính. Nhiều loại giao tiếp đƣợc dùng phổ biến hiện nay, trong đó có bốn loại giao tiếp chính nhƣ :
USB
Đây là loại giao tiếp đơn giản và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất để kết nối giữa máy tính và thiết bị ngoại vi. Cáp kết nối giữa thiết bị và máy tính gồm hai loại : loại A đƣợc dùng để cắm vào máy tính và loại B để cắm vào thiết bị.
Loại Loại B
Hình 5.2 Các loại jack USB.
So với cách kết nối các thiết bị với máy tính dùng cổng song song (Parallel Port), dùng cổng nối tiếp (Serial Port) hay dùng các Card đặc biệt đƣợc thiết kế cài đặt sẵn bên trong máy tính thì USB nhanh hơn nhiều.
Cổng nối tiếp.
Cổng nối tiếp ( Serial port ) là một cổng thông dụng trong các máy tính trong các máy tính truyền thống dùng kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính nhƣ: bàn phím,
70
chuột điều khiển, modem, máy quét...Cổng nối tiếp còn có tên gọi khác nhƣ: Cổng COM, communication.
Ngày nay, do tốc độ truyền dữ liệu chậm hơn so với các cổng mới ra đời nên các cổng nối tiếp đang dần bị loại bỏ trong các chuẩn máy tính hiện nay, chúng đƣợc thay thế bằng các cổng có tốc độ nhanh hơn nhƣ: USB, FireWire.
Cổng song song.
Cổng song song ( Parallel Port ) là một cổng thƣờng đƣợc dùng kết nối máy in vào máy tính trong thời gian trƣớc đây. Tuy nhiên chúng còn đƣợc sử dụng kết nối đến nhiều thiết bị khác với một tốc độ cao hơn so với cổng nối tiếp.
Cổng song song có ứng dụng nhiều nhất cho máy in, rất nhiều ngƣời thƣờng gọi là “cổng máy in” hoặc “cổng LPT” có thể do bởi chỉ biết đến chúng sử dụng với máy in. Các máy in ngày nay đã dần chuyển sang các cổng nhanh hơn nhƣ USB 2.0, RJ- 45 (kết nối với mạng máy tính) nhƣng đến thời điểm đầu năm 2008 thì các máy in đang sản xuất vẫn đồng thời hỗ trở cả hai loại cổng: cổng song song và cổng giao tiếp qua USB (một số máy còn có thêm cổng RJ-45).
DB-25 Centronics 36
Hình 5.3 Các loại cổng song song
Không những chỉ sử dụng cho máy in, nhiều thiết bị gắn ngoài trƣớc đây đã dùng cổng song song nhƣ: máy quét, các ổ đĩa gắn ngoài, bộ điều khiển trò chơi trên máy tính (joystick)...
Cổng song song còn sử dụng để kết nối các máy tính với nhau để truyền dữ liệu, tuy nhiên chúng phải đƣợc hỗ trợ từ hệ điều hành hoặc phần mềm. Chúng chỉ thực hiện trên các máy tính công nghiệp với hệ điều hành cũ (Windows 95/98, một số máy tính công nghiệp chỉ cần đến vậy) hoặc các hệ thống cũ không hỗ trợ các cổng giao tiếp mới hơn.
71
Ethernet là một họ lớn và đa dạng gồm các công nghệ mạng dựa khung dữ liệu (frame-based) dành cho mạng L N. Tên Ethernet xuất phát từ khái niệm Ête trong ngành vật lý học. Ethernet định nghĩa một loạt các chuẩn nối dây và phát tín hiệu giữa hai phƣơng tiện.
Hình 5.4 Cổng Internet.
Ethernet đã đƣợc chuẩn hóa thành IEEE 802.3. Cấu trúc mạng hình sao, hình thức nối dây cáp xoắn (twisted pair) của Ethernet đã trở thành công nghệ L N đƣợc sử dụng rộng rãi nhất từ thập kỷ 1990 cho tới nay, nó đã thay thế các chuẩn L N cạnh tranh khác nhƣ Ethernet cáp đồng trục (coaxial cable), token ring, FDDI (Fiber distributed data interface), và ARCNET. Trong những năm gần đây, Wi-Fi, dạng L N không dây đã đƣợc chuẩn hóa bởi IEEE 802.11, đã đƣợc sử dụng bên cạnh hoặc thay thế cho Ethernet trong nhiều cấu hình mạng.
Từ khả năng giao tiếp, tốc độ trao đổi dữ liệu nhanh, dễ dàng lập trình và khả năng hỗ trợ của máy tính. Chọn phƣơng án dùng chuẩn giao tiếp USB. Với chuẩn giao tiếp USB ta có các lựa chọn:
Phƣơng án 1 : Sử dụng vi điều khiển có hỗ trợ giao tiếp USB. Ƣu điểm : Giá thành rẻ, có nhiều phần mềm hỗ trợ.
Nhƣợc điểm : Có một số phần mềm đòi hỏi viết driver.
Phƣơng án 2 : Sử dụng sẵn module giao tiếp USB, và xây dựng những ứng dụng mong muốn.
Ƣu điểm : Dễ thiết kế, lập trình đơn giản, không mất nhiều thời gian để viết driver.
72 Nhƣợc điểm : Giá thành cao.
Phƣơng án 3 : Sử dụng cổng com ảo. Ƣu điểm : Lập trình nhƣ cổng com.
Nhƣợc điểm : Tốc độ thấp hơn so với cổng USB.
Với những hiểu biết về vi điều khiển trong quá trình học, và nhằm tối thiểu hóa chi phí, tƣơng thích với tất cả các loại máy tính đời mới, chọn phƣơng án 1 – Sử dụng vi điều khiển có hỗ trợ giao tiếp USB.
5.1.3. Chọn vi điều khiển. 5.1.3.1. Đặt vấn đề. 5.1.3.1. Đặt vấn đề.
Vi điều khiển ( Micro Controller Unit- MCU) là một máy tính cỡ nhở, thực hiện các tác vụ thu nhận, tính toán, xuất tín hiệu điều khiển thiết bị.
Vi điều khiển của mạch Break-Out Board nhƣ là trạm giao tiếp, chuyển đổi tín hiệu từ Laptop xuống các Driver. Vì vậy, nó phải có các chức năng nhƣ :
Nhận dữ liệu điều khiển từ chƣơng trình trên máy tính từ giao tiếp USB. Vì vậy nó phải có hỗ trợ giao tiếp USB.
Nhận dữ liệu điều khiển ngoài nhƣ công tắc hành trình, các nút nhấn Start, Stop khẩn cấp.
Tính toán nội suy G-code.
Có thể là hiển thị theo yêu cầu.
Để thực hiện các chức năng trên, vi điều khiển cần đạt các yêu cầu : Bảng 5.1 Các chức năng và yêu cầu của mạch Break-Out Board.
STT Chức năng Yêu cầu với vi điều khiển
1 Nhận và gửi dữ liệu với máy tính qua
giao tiếp USB. Ngoại vi USB
2 Nhận dữ liệu từ các công tắc hành
73 3 Nhận dữ liệu từ các công tắc Start,
Stop khẩn cấp. Ngắt ngoài
4 Tính toán giá trị nhận từ máy tính, nội
suy G-code. Bộ xử lí số thực
5 Điều khiển các Driver cho động cơ
DC servo và động cơ trục chính. Cổng xuất nhập đa nhiệm
6 Hiển thị trạng thái theo mục đích sử
dụng. Cổng xuất nhập đa nhiệm
5.1.3.2. Lựa chọn vi điều khiển.
Với sự phát triển của ngành điện tử, để thực hiện các chức năng trên thì có rất nhiều vi điều khiển phù hợp. Nhƣng xét về độ phổ biến, giá thành và dễ dàng lập trình, có thể kể đến các dòng vi điều khiển sau.
PIC 18F2250.
Pic 18F2550 có 28 chân có cấu trúc nhƣ sau :
Có 3 cổng xuất nhập A, B, C.
10 kênh chuyển đổi tƣơng tƣ sang số 10 bit.
Có 4 timers: 3 timer 16 bit và 1 timer 1 bit.
Có hỗ trợ giao tiếp USB.
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM : 256 bytes.
Bộ nhớ chƣơng trình : 32768 bytes.
Có giao tiếp nối tiếp MSSP, ENHANCED UART.
Giao tiếp song song PSP.
Có 19 nguồn ngắt.
Tần số hoạt động : 0 – 48 MHz.
PIC 18F4550.
Pic 18F4550 có 44 (hoặc 40) chân có cấu trúc nhƣ sau:
74
13 kênh chuyển đổi tƣơng tự sang số 10 bit.
Có 4 timers: 3 timer 16 bit và 1 timer 1 bit.
Có hỗ trợ giao tiếp USB.
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM : 256 bytes.
Bộ nhớ chƣơng trình : 32768 bytes.
Có giao tiếp nối tiếp MSSP, ENHANCED UART.
Giao tiếp song song PSP.
Có 20 nguồn ngắt.
Tần số hoạt động : 0 – 48 MHz.
Qua so sánh cả hai dòng vi điều khiển trên đều đáp ứng đƣợc yêu cầu của mạch Break-Out Board, tuy nhiên dòng 18F2550 tỏ ra phù hợp hơn từ giá thành cho đến tận dụng đƣợc hết các chân của vi điều khiển.
5.1.4. Thiết kế mạch Break-Out Board.
Hình 5.5 Sơ đồ mạch Break-Out Board. 5.1.5. Giải thuật điều khiển của mạch Break-Out Board.
75
Start
Đọc dữ liệu gửi xuống
Xử lí lệnh G,M,F,S... End USB Interrupt ? Switch ? Y N Y N
Hình 5.6 Sơ đồ giải thuật mạch Break-Out Board. 5.2. Mạch Driver động cơ di chuyển.
Tùy theo mục đích sử dụng mà driver s đi từ đơn giản cho đến phức tạp. Tuy nhiên, ta có thể chia driver thành hai dạng chính theo cách điều khiển đó là : Driver không có vi điều khiển và Driver có vi điều khiển.
5.2.1. Lựa chọn dạng điều khiển cho Driver.
76
Hình 5.7 Driver không có vi điều khiển.
Đây là dạng driver thƣờng gặp trong các điều khiển đơn giản, hệ thống có rất ít động cơ.
Ƣu điểm :
Đơn giản khi chế tạo.
Mạch sau khi hàn có thể dùng ngay mà không cần qua bƣớc lập trình. Nhƣợc điểm:
Không phù hợp cho hệ thống nhiều động cơ do giới hạn về khả năng điều khiển đồng thời và tốc độ bắn xung.
Khi điều khiển nhiều động cơ servo, vi điều khiển trung tâm s rất khó để xử lí đồng thời nhiều tín hiệu encoder đồng thời.
Driver có vi điều khiển.
77
Là dạng driver hiện đại, đƣợc dùng trong hầu hết các điều khiển công nghiệp hiện nay nhƣ máy CNC, Robot công nghiệp, ... .
Đối với các hệ thống điều khiển dùng driver dạng này, vi điều khiển trên driver có thể đƣợc coi nhƣ là một slave. Nó nhận tín hiệu từ Master ( vi điều khiển chính của hệ thống ) thông qua các cổng xuất nhập và tiến hành tính toán và điều khiển các động cơ đến đúng vị trí chính xác. Việc chính xác vị trí này đƣợc đảm bảo thông qua các tín hiệu Encoder đọc từ động cơ và thuật toán điều khiển của vi điều khiển.
Ƣu điểm :
Khả năng xử lí nhanh.
Tăng tốc độ và giảm tải cho vi điều khiển trung tâm.
Do mỗi driver có một vi điều khiển riêng nên khả năng xử lí các tín hiệu encoder cũng dễ dàng hơn.
Do Driver đã đƣợc module hóa nên lập trình cho vi điều khiển trung tâm cũng đơn giản và dễ dàng hơn rất nhiều lần.
Nhƣợc điểm :
Chế tạo mạch phức tạp.
Chi phí tăng cao.
Do đề tài dùng ít nhất ba động cơ và đòi hỏi độ chính xác về vị trí cao, chọn