- Mục đích điều khiển:
+ Điều khiển các động cơ bƣớc với độ chính xác cao làm quay các trục vít me bi đƣa đầu đo laser di chuyển quét trên bề mặt vật cần đo và dịch chuyển thông số đo theo hai phƣơng X và Y.
+ Thu và xử lý ảnh để tính toán biên dạng vật đo.
Để thực hiện đo quét biên dạng chi tiết 3D ta xác định đƣợc tọa độ của chi tiết theo 3 phƣơng X, Y, Z. Theo nguyên lý đo ta có thể thu tọa độ X và Y dựa vào các dịch chuyển của các động cơ trục X và trục Y, còn tọa độ theo trục Z ta thu đƣợc dựa vào đầu đo quét laser. Tọa độ theo 2 phƣơng X và Y ta có thể xác định theo 3 phƣơng án sau:
- Phƣơng án 1: ta thu tọa độ theo 2 phƣơng X và Y thông qua dịch chuyển của đầu quét laser theo 2 trục X và Y dựa vào các động cơ qua hệ thống nối trục và bộ truyền vít me bi giữa động cơ với đầu quét laser nhƣ sơ đồ hình 2.14 và các tọa độ này đƣợc xác định thông qua cảm biến đo(thƣớc đo dài). Với phƣơng án này đầu đo laser sẽ dịch chuyển theo cả 3 phƣơng X, Y, Z nên trong quá trình đo đầu đo có thể bị rung động làm ảnh hƣởng đến kết quả đo.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC PC RS232 DRIVER 2H504 PIC 16F877A PC Động cơ bƣớc trục X Thƣớc quang trục Y Thƣớc quang trục X Encoder trục Q Thƣớc quang trục Z Đầu quét lazer Bộ đọc DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 Động cơ bƣớc trục Y Động cơ bƣớc trục Z Động cơ bƣớc trục Q RS232 Bàn gá chi tiết
Hình 2.14: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 1
- Phƣơng án 2: ta thu tọa độ theo phƣơng X thông qua dịch chuyển của bàn gá chi tiết dựa vào việc động cơ trục X, ta điều khiển trục X quay, khi đó vị trí của bàn gá chi tiết sẽ thay đổi theo phƣơng X và tọa độ theo phƣơng Y thông qua dịch chuyển của đầu quét laser theo Y dựa vào điều khiển động cơ trục Y khi ta cho động cơ trục Y quay và các tọa độ này đƣợc xác định thông qua cảm biến đo(thƣớc đo dài). Sơ đồ điều khiển đo nhƣ hình 2.15. Với phƣơng án này đầu đo laser sẽ dịch chuyển theo 2 phƣơng Y, Z nên đầu đo laser sẽ cho kết quả ổn định hơn so với phƣơng án 1.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC 37 PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH PC RS232 DRIVER 2H504 PIC 16F877A PC Động cơ bƣớc trục X Thƣớc quang trục Y Thƣớc quang trục X Encoder trục Q Thƣớc quang trục Z Đầu quét lazer Bàn gá chi tiết Bộ đọc DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 Động cơ bƣớc trục Y Động cơ bƣớc trục Z Động cơ bƣớc trục Q RS232
Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 2
- Phƣơng án 3: ta thu tọa độ theo phƣơng X và Y thông qua dịch chuyển của bàn gá chi tiết dựa vào việc động cơ trục X và Y, ta điều khiển trục X và Y quay, khi đó vị trí của bàn gá chi tiết sẽ thay đổi theo phƣơng X và Y, tọa độ theo phƣơng X và Y đƣợc xác định thông qua cảm biến đo(thƣớc đo dài). Sơ đồ điều khiển đo nhƣ hình 2.16. Với phƣơng án này đầu đo laser sẽ chỉ dịch chuyển theo phƣơng, Z nên đầu đo laser sẽ cho kết quả ổn định hơn so với phƣơng án 1 và 2.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC PC RS232 DRIVER 2H504 PIC 16F877A PC Động cơ bƣớc trục X Thƣớc quang trục Y Thƣớc quang trục X Encoder trục Q Thƣớc quang trục Z Đầu quét lazer Bàn gá chi tiết Bộ đọc DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 DRIVER 2H504 Động cơ bƣớc trục Y Động cơ bƣớc trục Z Động cơ bƣớc trục Q RS232
Hình 2.16: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 3
Qua phân tích các phƣơng án đo để xác định tọa độ theo 3 phƣơng X, Y, Z của chi tiết ta thấy đƣợc với phƣơng án thứ 3 đầu đo laser sẽ cho kết cả đo là ổn định hơn cả vì đầu đo ít bị ảnh hƣởng hơn so với các phƣơng án 1 và 2.
Qua đây ta cũng thấy đƣợc để thu đƣợc tọa độ của chi tiết cần đo theo 3 phƣơng X, Y , Z ta cần điều khiển các động cơ trục X, trục Y, trục Z thông qua các chƣơng trình điều khiển. Chƣơng trình máy tính đƣa ra lệnh điều khiển qua cổng giao tiếp I/O đến vi điều khiển. Vi điều khiển đƣa ra tín hiệu xuống driver điều khiển động cơ chuyển động. Drive có tác dụng để đảm bảo đủ công suất, sau đó điều khiển động cơ chuyển động theo hai phƣơng X và Y theo từng phƣơng án lựa chọn, cũng nhƣ đƣa đầu đo laser di chuyển quét biên dạng chi tiết cần đo theo phƣơng Z. Camera quay lại đƣờng di chuyển của đầu đo laser, tuyền tín hiệu về máy tính để xử lý và đƣa ra kết quả.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
39
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
Kết luận: Nhƣ vậy, trong chƣơng II đã trình bày về những cơ sở thiết kế đầu đo laser, các nguyên lý quét laser 3D, các yêu cầu về hệ dẫn động, các phƣơng pháp dịch chuyển hệ quang cơ và các sơ đồ hệ thống điều khiển. Từ các cơ sở này ta có thể đi xây dựng đƣợc máy quét laser 3D đạt đƣợc sự ổn định và độ chính xác cao nhất. Chƣơng tiếp theo trong luận văn sẽ trình bày về nội dung xây dựng mô hình thực nghiệm.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
CHƢƠNG III: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 3.1. Đầu đo.
Bộ phận đầu đo của máy quét 3D laser đơn giản gồm có hai thành phần chính: Bộ phận nguồn phát tia laser với nguồn laser bán dẫn bƣớc sóng là 0.62 – 0.65µm.
Bộ phận đầu thu và xử lý tín hiệu đo.: thƣờng dùng cảm biến CCD (Charge Coupled Device ).
Tín hiệu đầu vào là vị trí của tia phản xạ hay vị trí của điểm hội tụ trên cảm biến. Để đo đƣợc quãng đƣờng dịch chuyển của tia phản xạ thì phải chuyển tín hiệu quang thành một tín hiệu dễ đo đếm, dễ lƣu trữ và phải chính xác. Nếu dùng theo phƣơng pháp cổ điển là cho chùm phản xạ qua một thƣớc có khắc các vạch đo rồi qua một hệ khuếch đại quang học thì có thể đọc trực tiếp bằng mắt giá trị độ cao z. Phƣơng pháp này khá chính xác nhƣng không thể đo tự động cũng nhƣ lƣu trữ đƣợc một bộ số liệu lớn đƣợc.
Áp dụng tính chất quang học của một số vật liệu ví dụ nhƣ: khi có quang thông chiếu vào thì điện trở của nó sẽ giảm đi (quang trở), hoặc khi có ánh sáng chiếu vào thì sẽ xuất hiện một dòng điện (photodiode array, phototransistor array,…) thì có thể đo đƣợc độ cao z của bề mặt chi tiết sau khi cho qua một số mạch khuếch đại và đếm. Phƣơng pháp này có ƣu điểm thiết bị nhỏ gọn, chính xác, có thể đo tự động và lƣu trữ dƣới dạng số hoá để từ đây máy tính có thể lấy ra xử lý tuỳ từng mục đích khác nhau.
Tuy nhiên, các cảm biến photodiode array nói trên chỉ phát hiện thay đổi toạ độ chi tiết theo một chiều( hoặc x, hoặc y, hoặc z). Ngày nay ngƣời ta thƣờng sử dụng loại CCD Camera có thể phát hiện thay đổi theo hai chiều. Có thể kết nối trực tiếp Camera với PC để thu dữ liệu trực tiếp về máy tính mà không cần thong qua mạch điện điều khiển. Điều này cho kết quả đo nhanh hơn rất nhiều. Chụp ảnh có độ phân giải cao thay vì đo kích thƣớc trực tiếp tạo lợi ích đặc biệt. Các khoảng cách kích thƣớc từ những điểm khác nhau trên các bề mặt vẫn có thể đƣợc đo từ các
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
41
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
hình ảnh chụp đƣợc. Bên cạnh đó, các bề mặt cần đƣợc khảo sát có thể đƣợc nghiên cứu cụ thể, ví dụ, đặc điểm, hình dạng và màu sắc của bề mặt.
Trong luận văn này, thiết kế đầu đo laser bao gồm: Hai camera, một nguồn laser, kính lọc sắc. Nguồn laser chiếu sáng lên bề mặt chi tiết sau đó tín hiệu đƣợc thu lại trên camera qua kính lọc sắc, kính lọc sắc có tác dụng lọc ánh sáng và để camera chỉ thu tín hiệu ánh sáng đỏ tƣơng ứng với bƣớc sóng tia laser. Cụm đầu đo đƣợc thiết kế nhƣ trong hình 3.1.
Hình 3.1: Cụm đầu đo laser
Với nguồn phát Laser đƣa vào thiết kế nhƣ sau : - Laser bán dẫn GaAs, bƣớc sóng: 650 nm.
- Công suất: 2mW.
- Đƣờng kính chùm tia: 1.7mm. - Nguồn điện cung cấp: 5V.
Với camera, chọn camera thông dụng có ống kính điều chỉnh tiêu cự trong khoảng 3-8mm, và có độ phân giải 640 x 480
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Căn cứ vào các khảo sát trong chƣơng II và điều kiện thực tế, chọn khoảng cách giữa nguồn Laser và Camera là H = 32 mm theo phƣơng th ẳng đứng.
Chọn Camera đƣợc đặt nằm nghiêng so với phƣơng ngang của chùm tia Laser một góc α=30°. Khoảng cách giữa Camera đến chi tiết là L0=43.5 mm.
3.2. Hệ thống điều khiển.
3.2.1. Chọn hệ thống điều khiển.
Nhƣ chƣơng II đã trình bày, ta có thể chon một trong ba phƣơng án điều khiển. Sau khi phân tích những điều kiện cụ thể ta chọn phƣơng án số 2:
Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống điều khiển số 2
3.2.2. Các linh kiện điện tử dùng trong hệ thống điều khiển. a. PIC development board sử dụng vi điều khiển PIC16F877A a. PIC development board sử dụng vi điều khiển PIC16F877A
PIC16F877A là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14bit. Mỗi lệnh đều đƣợc thực thi trong một chu kí xung clock. Tốc độ
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
43
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu lí lệnh là 200ns. Bộ nhớ chƣơng trình 8Kx14bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lƣợng 256x8byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O. Có 8 kênh chuyển đổi A/D.
+ Vi điều khiển PIC16F877A (hình 3.3)
Hình 3.3 : Vi điều khiển PIC16F877A
PIC16F887A là dòng PIC khá phổ biến, khá đầy đủ tính năng phục vụ cho hầu hết tất cả các ứng dụng thực tế. Đây là dòng PIC khá dễ cho ngƣời mới làm quen với PIC có thể học tập và tạo nền tản về họ vi điều khiển PIC của mình.
b. Driver điều khiển động cơ bƣớc.
Trong luận văn, để đảm bảo sự ổn định và chính xác trong điều khiển, ta sử dụng bộ Driver 2H504 mua sẵn.
Driver 2H504 là thiết bị điện đảm bảo cho động cơ đủ công suất và điều khiển động cơ, giúp cho động cơ chuyển động ổn định và giảm tiếng ồn.Chủ yếu là áp dụng trong từng loại thiết bị tự động quy mô trung bình và nhỏ, cho các loại động cơ máy nhƣ máy phay, máy cắt điều khiển số, máy khắc laser, máy móc đóng gói, tự động hóa lắp ráp khuôn …..
Driver 2H504 có một số tính năng sau : - Momen xoắn tốt đạt tốc độ cao - Điện áp cung cấp lên tới 50V
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
- Điện áp đầu ra lên tới 4.2A - Cách li quang tín hiệu đầu vào - Tần số xung lên tới 300 Khz - Có 15 độ phân giải để lựa chọn - Bảo vệ quá điện áp và ngắn mạch - Kích thƣớc nhỏ ( 118x75.5x33 mm)
Tuy nhiên, hạn chế của driver là điều khiển động cơ bƣớc phụ thuộc vào một số yếu tố:
- Dòng điện I, kể cả cực tính.
- Độ rộng xung (liên quan đến khả năng dịch bƣớc). - Tần số xung (liên quan đến tốc độ quay).
- Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lƣợng cuộn dây pha đƣợc cấp. Các thông số của Driver 1H504
Thông số
2H504
Min Điển hình Max Đơn vị
Đầu ra 1 - 4.2(3.2A RMS) A
Điện áp 20 36 50 VDC
Tín hiệu 7 10 16 mA
Tần số xung 0 - 300 Khz
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
45
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
Driver 2H504 điều khiển động cơ bước (hình 3.4)
Hình 3.4: Driver 2H504
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Driver có 15 chế độ khác nhau, mỗi chế độ ta sẽ đƣợc các bƣớc của 1 vòng quay động cơ. Tùy vào độ chính xác ta sẽ lấy các giá của Step per Revelution khác nhau nhƣ trên hình 3.6.
Hình 3.6: Hệ thống điều khiển động cơ bước dùng Microstep Driver 2H504 bằng máy tính
3.2.3. Động cơ.
Ta chọn động cơ bƣớc: 85HB76 với các thông số nhƣ sau : - Động cơ bƣớc 2 pha - Dòng 2.0 A/Phase - Đƣờng kính thân: 85mm - Chiều dài: 80 mm - Đƣờng kính trục: 12.7mm - Bƣớc: 1.80 - Động cơ trục: đơn trục - Kiểu nối dây tiêu chuẩn
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
47
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
Hình 3.7: Ảnh mạch điều khiển thử nghiệm
3.3. Phần mềm điều khiển.
Đối với phần mềm điều khiển, ta cần điều khiển các dịch chuyển của các động cơ cũng nhƣ điều khiển đo và sử lý số liệu đo để đƣợc kết quả hiện thị trên máy tính. Trong luận văn này sử dụng một số phần mềm: phần mềm CCS 4.078 và phần mềm matlab.
3.3.1. Phần mềm CCS 4.078.
Đây là phần mềm dùng để lập trình cho vi điều khiển, trong luận văn này dùng vi điều khiển PIC16F887A.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Hình 3.8: Giao diện khởi động của phần mềm CCS
Sau khi khởi động đƣợc chƣơng trình lên chúng ta bắt đầu lập trình. Phần chƣơng trình đƣợc viết trong của sổ làm việc của phần mềm(hình 3.9)
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
49
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
Sau khi lập trình xong chúng ta bắt đầu biên dịch ra dạng file .hex để nạp vào PIC16F877A(hình 3.10)
Hình 3.10 : Biên dịch chương trình điều khiển CCS
Hình 3.11: Các file thu được sau khi biên dịch.
Sau khi biên dịch xong chúng ta thu đƣợc các file nhƣ hình 3.11. chúng ta chỉ lấy file có đuôi .hex để nạp vào PIC16F877A. Thông tin về code chƣơng trình của máy đo quét laser mô hình thực nghiệm đƣợc trình bày trong cuốn CODE chƣơng trình điều khiển.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
3.3.2. Phần mềm matlab.
Matlab là một ngôn ngữ lập trình thực hành bậc cao đƣợc sử dụng để giải các bài toán về kỹ thuật.Matlab tích hợp đƣợc việc tính toán, thể hiện kết quả, cho phép lập trình, giao diện làm việc rất dễ dụng cho ngƣời sử dụng. Dữ liệu cùng với thƣ viện đƣợc lập trình sẵn cho phép ngƣời sử dụng có thể có đƣợc những ứng dụng sau đây:
+ Sử dụng các hàm có sẵn trong thƣ viện, các phép tính toán học thông thƣờng + Cho phép lập trình tạo ra những ứng dụng mới.
+ Cho phép mô phỏng các mô hình thực tế. Phân tích, khảo sát và hiển thị dữ liệu. + Với phần mềm đồ hoạ cực mạnh Cho phép phát triển,giao tiếp với một số phần mềm khác nhƣ C++, Fortran.
Trong luận văn này, chúng ta ứng dụng phần mềm matlab để điều khiền các dịch chuyển của động cơ và đầu đo cũng nhƣ việc thu thập và xử lý số liệu để đƣợc biên dạng của chi tiết sau khi quét.
Khi mở matlab có dao diện nhƣ hình 3.12
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
51
PHẠM NGỌC LINH 11BCTM.KH
Sau khi đã mở đƣợc giao diện của phần mềm ta chọn „new script‟ để bắt đầu viết chƣơng trình nhƣ hình 3.13.
Hình 3.13: Viết chương trình trên matlab
Trong luận văn này ta sử dụng phần mềm matlab để để khiển và xử lý số liệu đo. Giao diện điều khiển của phần mềm đã xây dựng nhƣ hình 3.14.
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
Từ phần mềm điều khiển ta có thể chọn đo quét bề mặt hoặc đo quét tròn xoay. Khi chọn ta thu đƣợc giao diện modul đo bề mặt (hình 3.15) và modul đo tròn xoay