Là thiết bị để bảo vệ máy khi bàn máy trượt quá hành trình cho phép, khi chạm cơng tắc hành trình mạch điện ngồi sẽ bị ngắt và bàn máy ngừng chuyển động, trành va chạm vào các chi tiết khác trong hệ thống.
Hình 2.17 Cơng tắc hành trình D4MC-5000
5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy.
Nút nhấn không đèn, nhấn giữ, Ø 22 YW1B-A1E11 ( B, G, R, Y, W, S ) Encod Y Z X
Hình 2.18 Nút nhấn khơng đèn YW1B
Nút nhấn không đèn, nhấn nhả YW1B-M1E20 ( B, G, R, Y, W, S ) - Đường kính Ø 22
- Tiếp điểm 1NO
5.5 Nút dừng khẩn
Hình 2.19 Nút dừng khẩn
Nút dừng khẩn cấp dùng trong những trường hợp hệ thống gặp sự cố.
5.6 Đèn báo hiệu
Đèn báo hiệu cho ta biết trạng thái của hệ thống như trạng thái nguồn, trạng thái hoạt động của hệ thống, đèn báo nguy hiểm hệ thống.
Hình 2.20 Đèn báo IDEC
5.7. Nguồn DC
Chọn bộ nguồn Power Supply 24V 14.6A cấp điện cho mạch kết nối Breakout board HG07
Hình 2.22 Sơ đồ modul thay dao tự động.
Các thông số của cụm thay dao: - Số dao đài dao chứa : 8
- Đường kính lớn nhất của dao : 30(mm) Lấy theo đường kính của dao phay mặt đầu
- Loại chuôi dao : BT30
- Chiều cao chuôi dao : 85(mm) - Khối lượng dao : 0.5 kg
- Hành trình dân đài mang dao L = 250 mm
Để điều khiển bộ phận thay dao tự động ta phải thiết kết mạch vi điều khiển ngoài, mạch vi điều khiển này có chức năng nhận số dao cần thay từ bàn phím sau đó ra lệnh thay dao đến các cơ cấu chấp hành. Sau khi kết thúc quá trình thay dao, mạch vi điều khiển này báo đến mạch AKZ250 và chương trình gia cơng tiếp tục
thực hiện. Khi có lệnh tiếp theo thì AKZ250 lại gửi tín hiệu đến bộ điều khiển thay dao và chương trình gia cơng dừng cho đến khi nhận lệnh thay dao tiếp theo.
6.1.Xylanh khí nén.
Trong q trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tịnh tiến của Tang về phía trục chính.Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thực hiện quá trình chuyển động thẳng nên để tạo ra chuyển động của Tang về phía trục chính ta dùng hệ thống xylanh khí nén
a. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén
Hình 2.23. Sơ đồ ngun lý hệ thống dẫn động khí nén
Nguyên lý hoạt động :
Khi có lệnh thay dao, tín hiệu sẽ được truyền xuống động cơ khí nén sẽ hoạt động. Khi đó bơm khí nén 2 sẽ hút khơng khí từ ngồi qua van lọc thơ 1 và đầy với áp suất pb được đo trên đồng hồ đo áp 3 qua hệ thống van lọc tinh 4, van điều áp 5 và van tra dâu 6 với áp suất p1. Dịng khí sẽ qua van đảo chiều 4/3 được điều khiển bằng điện từ qua đường ống dẫn khí lên xylanh-piston 8 tạo ra chuyển động đài dao tiến vào và lui ra xa trục chính.
Q trình chuyển động của piston được điều chỉnh nhờ van đảo chiều 5. Khi van đảo chiểu ở vị trí (a) nguồn khí nén sẽ từ cửa P của van đi qua cửa A và dẫn lên buồng A của xylanh với áp suất p đầy piston di chuyển sang phái với vận tốc vo, dịng khí bên buồng B sẽ truyền qua các ống dân khí về của B của van đảo chiều và
Sau khi thực hiện qúa trình thay dụng cụ ở trục chính, tin hiệu được truyền về van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị trí (b). Khi đó dịng khí nén từ nguồn khí truyền từ cửa P sang cửa B của van và được dẫn lên buồng B của xylanh với áp suất đẩypiston di chuyển sang trái. Dịng khí từ buồng A của xylanh được dẫn về cửa A và qua cửa T của van đảo chiều ra ngoài. Piston di chuyển với hành trình Lxl được đo bằng cảm biến vị trí, tín hiệu từ cảm biến sẽ qua xử lý và truyền về dừng động cơ. Q trình dẫn động khí nén kết thúc.
6.2.Cơ cấu quay đài dao.
Để dẫn động cho đài chứa dao, ta sử dụng cơ cấu Mante và động cơ dẫn động cho cơ cấu Mante là động cơ bước.
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :
Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1. Chuyển động gián đoạn của đĩa O1 chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8,...,16,18,20,22,24...
Với hệ thống thay dao gồm có 8 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là Z = 8
Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính tốn cơ cấu Man với bán kính của đĩa là R=100(mm)
Hình 2.25 Sơ đồ tính tốn cơ cấu Man
Động cơ bước quay đài dao:
Ta chọn động cơ bước để quay đài dao vì động cơ bước có nhiều ưu điểm riêng phù hợp với yêu cầu chế tạo của đồ án. Do đài quay dao không hoạt động liên tục khi gia công, mạch điều khiển động cơ bước đơn giản mà có thể điểu khiển chính xác từng góc bước, hơn nữa giá thành của động cơ bước rất rẻ so với động cơ Servo.
Động cơ bước được sử dụng là loại động cơ bước lưỡng cực kiểu lai.
Về chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ bước được trình bày cụ thể trong chương III.
6.3.2: Sơ đồ lấy dao
thành thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế và những phần tử trong hệ thống phải dễ tìm mua và giá thành cũng khơng cao.
Trong quá trình thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC 3 trục em nhận thấy để có một hệ thống điều khiển ổn định và đảm bảo độ chính xác trên thực tế là rất khó. Trước nhất độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào kết cấu cơ khí, tuy nhiên quy trình cơng nghệ gia cơng cơ khí của ta phần lớn chưa đạt độ chính xác để thi công chế tạo máy công cụ CNC sử dụng cho lĩnh vực cơ khí chế tạo.
Về kết quả thu được sau nhiều tháng tìm hiểu, thiết kế và đi vào chế tạo mơ hình, em nhận thấy hệ thống điều khiển em thiết kế có thể ứng dụng tốt hơn rất nhiều trong các máy CNC gia công gỗ, máy cắt chữ CNC, máy khoan mạch CNC, cũng như mơ hình để sinh việc học tập và nghiên cứu. Còn thực tế để áp dụng vào việc gia cơng cơ khí thì cịn rất nhiều bất ổn, như đã đề cập ở trên, nếu ta dùng một máy cơng cụ có độ chính xác cơ khi chưa đảm bảo để gia công chế tạo những máy cơng cụ khác thì cấp độ sai số sẽ rất lớn.
CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MƠ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC.
I. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống.1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển 1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mơ hình máy phay CNC
Các phần tử trong hệ thống:
- Phần mềm Mach3 và máy tính: Có vai trị như bộ điều khiển CNC, điều khiển toàn hệ thống.
- Mạch đệm LPT: có nhiệm vụ kết nối bộ điều khiển với các thiết bị điều khiển. - Động cơ bước và driver động cơ bước: Dẫn động các bàn máy để hình thành quỹ đao chuyển động của đầu gia công.
1.2.1. Khái quát về động cơ bước.
Trong các máy CNC gia công gỗ ngày nay, động cơ bước được sử dụng rất phổ biến. So với động cơ Servo thì động cơ bước có một số ưu điểm vượt trội như tính hãm tốt, phương pháp điều khiển đơn giản hơn rất nhiều so với động cơ Servo và giá thành động cơ và bộ drive là rẻ hơn nhiểu lần so với động cơ Servo. Tuy vậy vẫn tồn tại một số nhược điểm như khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí khơng bằng động cơ Servo, và điều khiển ở động cơ bước là điểu khiển vịng hở nên có thể xảy ra hiện tượng mất bước khi quá tải.
1.2.2.Phân loại và cấu tạo động cơ bước.
Động cơ bước có thể được phân loại dựa theo cấu trúc rotor hoặc cách cuốn dây trên stato.
Dựa theo cấu trúc roto , động cơ bước được chia thành 3 loại: 1.Động cơ bước từ trở biến thiên.
2.Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. 3.Động cơ bước lai.
Dưa theo các cuốn dây trên stator, động cơ bước được chia thành 2 loại. 1.Động cơ bước đơn cực.
2.Động cơ bước lưỡng cực.
Loại động cơ được sử dụng trong mơ hình của em là loại động cơ bước đơn cực kiểu lai, sở dĩ chọn loại động cơ này vì đây là loại động cơ phổ biến trên thị trường. Do vậy dưới đây em chỉ trình bày về cấu tạo động cơ bước lưỡng cực kiểu lai.
1.2.3. Động cơ bước kiểu đơn cực.
Một kiểu cuốn dây phổ biến khác là cuốn dây đơn cực. Nó bao gồm hai cuộn dây trên một cực được kết nối sao cho khi cuốn một cuộn dây được cấp năng lượng thì cực bắc nam châm được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp năng lượng thì cực nam được tạo ra.Cách cuốn dây kiểu này được gọi là đơn cực bởi vì cực điện tính điện, tức dịng điện, từ mạch lái đến các cuộn dây không bao giờ bị đảo chiều. Thiết kế này cho phép làm đơn giản mạch điện tử lái. Tuy nhiên, mô men sinh ra bị giảm khoảng 30% so với cuốn dây kiểu lưỡng cực.
Hình 3.2 . Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực.
1.2.4.Nguyên lý hoạt động và điều khiển động cơ bước
Khác với những loại động cơ thông thường, động cơ bước cần phải cấp xung đến các dây đầu vào theo thứ tự nhất định thì động cơ mới có thể hoạt động. Để có được xung điều khiển theo tuần tự cấp vào các dây, mỗi động cơ bước cần có một driver chuyên dụng để điều khiển nó. Vấn đề nguyên tắc tạo vào điều khiển các xung liên tiếp hay dán đoạn cho các dây vào của động cơ bước được nghiên cứu chi tiết ở mục tiếp theo. Mục này chỉ trình bày về nguyên tắc cơ bản để động cơ bước hoạt động được.
Trước tiên ta xét một động cơ bước kiểu lai đơn cực 6 dây ra, đây là loại động cơ được sử dụng trong chế tạo mơ hình thực tế. Các thành phần của động cơ gồm có:
Hình 3.3 bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực.
Hình 3.4 Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực.
Cấu tạo của rotor gồm hai cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục của rotor như hình vẽ. Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng. Khi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A là cực Bắc và cực A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên rotor về gần nhất, đồng thời cực Bắc trên rotor sẽ xa cực A nhất vì có sự bố trí lệch 1 răng trên rotor. Các răng trên A và A1 cũng khơng được bố trí đối xứng mà chúng lệch nhau 1 răng,vậy nên khi cực Bắc của rotor xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của rotor gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất. Như vậy lực hút giữa rotor và stator là lớn nhất. Rotor luôn được giữ ở vị trí cố định trong từ trường của Stator tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên Stator thì một cực của Rotor gần nó nhất cịn cực cịn lại thì xa nhất. Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 được cấp điện, khi đó từ trường của Stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp A- A1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo rotor quay lệch đi 1 răng. Cứ tuần tự cấp điện
như vậy, ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của Rotor và kéo rotor quay hết vòng.
1.3.Driver động cơ bước.
Như đã đề cập trong mục trước, các động cơ bước không thể hoạt động với cách cấp điện như các loại động cơ AC hay DC thông thường. Ta phải đưa điện áp kiểu xung vuông tuần tự đến các đầu vào của các cuộn dây trong Stator. Để làm được điều đó ta cần một driver điều khiển. Hiện Nay driver điều khiển động cơ bước khá phổ biến và dễ chế tạo với các IC chuyên dụng L298 và L297, ngồi ra các driver chính hãng sử dụng trong cơng nghiệp thì sử dụng các IC họ 74xx và cùng với các chíp vi xử lí.
Ở đây em sử dụng IC L297 và L298 để thiết kế bộ driver điều khiển cho động cơ bước vì các linh kiện này rất phổ biến, dễ tìm mua và giá thành rất rẻ, hơn nữa các IC này cịn có cơng suất lớn, độ bền cao, làm việc tin cậy, ít nhiễu.
1.3.1. IC L297.
1.3.1.1.Giới thiệu
L297 là IC điều khiển động cơ bước thường dùng trong các ứng dụng điều khiển điện tử. Nó có chức năng tạo ra 4 pha tín hiệu điều khiển tương ứng với 2 pha của động cơ bước lưỡng cực hoặc 4 pha của động cơ bước đơn cực. Sử dụng chip này, ta có thể điều khiển mơ tơ bước ở chế độ nửa bước, normal and wave drive mode và tích hợp cả mạch PWM để điều chỉnh dòng điện cuộn dây trong mô- tơ. Với IC này, để điều khiển động cơ, ta chỉ cần tín hiệu xung clock, tín hiệu logic
cho chiều quay, chế độ. IC này giúp giảm việc tạo các phase điều khiển (trước
đây được tạo bằng các chip vi xử lý) nên chương trình điều khiển động cơ rất gọn.IC được đóng gói trong vỏ hai hàng chân DIP20 hoặc SO20 thông dụng, và thường dùng kèm với các IC mạch cầu công suất như L298N hoặc L293E.
Hình 3.5 Bố trí các chân của ic L297
Bảng 3.1 chức năng hoạt động của các chân của IC L297
STT Ký hiệu Chức năng và ghi chú
1 SYNC Chân ngõ ra mạch dao động chopper bên trong chíp. Chân này có tác dụng đồng bộ hóa xung nhịp (trong mạch nhiềuv L297). Sử dụng chân này như sau:
- Khi cần đồng bộ hóa hai hay nhiều IC L297 trong mạch, ta nối các chân SYNC với nhau. Khi đó, ta chỉ cần 1 mạch dao động gắn ở một IC L297 bất kì.
- Chân này đồng thời là ngõ vào cho nguồn clock ngoài
Cách đồng bộ các IC L297
3 HOME Chân ngõ ra cực thu để hở báo L297 đang ở trạng thái khởi tạo(ABCD=0101)
Khi chân này xuất tín hiệu tích cực thì các transistor đang trạng thái mở
4 A Tín hiệu phase A của mơ-tơ
5 INH 1 Chân này tích cực mức thấp, điều khiển hai phase A,B để bảo vệ dòng xả ngược cuộn dây. Còn khi chân CONTROL mức thấp, chân này được sử dụng để ổn định dịng tải động cơ
6 B Tín hiệu pha B của động cơ 7 C Tín hiệu pha C của động cơ
8 INH 2 Chức năn giống INH 1. Điều khiển pha C và D 9 D Tín hiệu pha D của động cơ
10 ENABLE Chân cho phép hoạt động, khi chân này ở mức thấp, chân ngõ ra pha A, B, C, D INH1, INH2 bị kéo xuống mức thấp.
11 CONTRO L
Chân điều khiển hoạt động CHOPPER.
Khi chân này ở mức thấp, hoạt động CHOPPER thông qua 2 chân INH1, INH2. Khi chân này mức cao, hoạt động CHOPPER thông qua các phase A,B,C,D.
12 Vs Chân nguồn 5V
13 SENS 2 Chân ngõ vào cầu phân áp để hồi tiếp độ lớn dịng tải ở tần cơng suất của phase C, D
14 SENS 1 Chức năng giống chân SEN2 cho phase A, B
15 Vref Điện áp tham chiếu cho mạch chopper. Điều chỉnh áp đặt vào chân này để thay đổi dòng tải đỉnh.