Hình 3.3 Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều khiển 3.2.2 Nguyên lý hoạt động
a. Điều khiển động cơ bước
Mạch điều khiển xuất chuỗi xung cấp cho mạch công suất hoạt động. Với Full step:
Cuộn 1a: 1000 1000 1000 100... Cuộn 1b: 0010 0010 0010 001... Cuộn 2a: 0100 0100 0100 010... Cuộn 2b: 0001 0001 0001 000... Thuận ↔Ngược
Với Half step:
Mạch điều khiển Mạch công suất trục X Mạch công suất trục Y Mạch công suất trục Z Động cơ bước trục X Động cơ bước trục Y Động cơ bước trục Z Mạch công suất động cơ phay Động cơ phay NGUỒN Chọn chế độ Chỉnh dòng điện
Cuộn 1b: 01110000 Cuộn 2a: 00011100 Cuộn 2b: 00000111 Thuận ↔Ngược
b. Điều khiển spindle
Động cơ phay (spindle) được điều chỉnh tốc độ qua mạch công suất được điều khiển bởi xung PWM
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất spindle
3.3 Xây dựng mạch điều khiển
3.3.1 Chức năng, nhiệm vụ
-Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và chuyển đổi thành tín hiệu phù hợp để cấp cho mạch công suất điều khiển động cơ.
-Chuyển chế độ hoạt động cho động cơ bước gồm Full step và Half step -Điều chỉnh dòng điện ra động cơ
3.3.2 Chọn Vi điều khiển
Hiện nay trên thị trường có một số loại vi điều khiển thông dụng như họ AVR, PIC, 8051, ARM…
- Họ VĐK 8051: Ưu điểm là giá thành rẻ nhưng chỉ có giao tiếp ra/vào cơ bản. Dễ bị nhiễu và tốc độ thấp.
- Họ VĐK AVR:
Xung clock đến 16Mhz, tốc độ caoBộ nhớ Flash lớn, có thể lập trình lại rất nhiều lần, SRAM lớn, có EEPROM
Timer 8 bit, 16 bit có PWM
Chuyển đổi ADC 10bit
Nhiều giao tiếp… - Họ VĐK PIC:
VĐK 8/16 bit
Flash, ROM lớn
Timer 8 bit, 16 bit
Module Capture/Compare/PWM
Chuyển đổi ADC 10bit
Nhiều giao tiếp…
Như vậy VĐK AVR và PIC thỏa mãn nhưng tác giả chọn sử dụng PIC vì thói quen sử dụng.
3.3.3 Sơ đồ nguyên lý
3.3.4 Mạch thật trên thực tế
Hình 3.6 Mạch in thực tế của mạch điều khiển 3.3.5 Mô tả
- Mạch gồm 1 cổng kết nối LPT để kết nối với máy tính
- Các tín hiệu “OUT” xác định bước và hướng của ba động cơ bước từ máy tính qua cách ly quang rồi đưa đến vi điều khiển xử lý. Vi xử lý đọc tín hiệu và xuất tín hiệu phù hợp để điều khiển mạch công suất làm chạy động cơ.
- Vi xử lý được sử dụng là PIC 16F887 do Microchip sản xuất, có thể thay đổi linh hoạt các chức năng thông qua lập trình, đáp ứng được tốc độ, khả năng điều khiển và thông dụng, giá rẻ trên thị trường.
- Trên mạch có 1 biến trở xác định dòng điện mong muốn cấp cho động cơ. Đặc biệt, đây là biến trở điều chỉnh tín hiệu, không phải biến trở công suất. Việc thay đổi dòng điện này thông qua phương pháp điều khiển độ rộng xung PWM.
- Ba công tắc gạt chọn chế độ hoạt động của ba động cơ bước riêng biệt là Full step hay Half step
- Các lối ra cấp tín hiệu cho mạch công suất, công tắc giới hạn hành trình, cổng nạp PIC
3.4 Xây dựng mạch công suất
3.4.1 Nguyên lý điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực (Unipolar stepping motor) stepping motor)
Hình 3.7 Nguyên lý điều khiển động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực
Tín hiệu điều khiển sẽ điều khiển các khóa chuyển mạch (trên hình là các ô vuông) đóng cắt dòng điện từ nguồn điện qua cuộn dây rồi qua chuyển mạch xuống mass một cách thích hợp.
3.4.2 Xây dựng được sơ đồ nguyên lý mạch công suất
3.4.3 Hình thực tế mạch công suất
Hình 3.9 Hình thực tế mạch công suất 3.4.4 Giải thích hướng chọn các linh kiện
Thông số Mosfet irf540
Mosfet là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) là một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thông thường mà ta đã biết. Mosfet thường có công suất lớn hơn rất nhiều so với BJT.Đối với tín hiệu một chiều thì nó coi như là một khóa đóng mở. Mosfet có nguyên tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện, là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợn cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu. Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N.
G: Gate gọi là cực cổng S: Source gọi là cực nguồn D: Drain gọi là cực máng
Trong đó: G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic (SiO2). Hai cực còn lại là cực gốc (S) và cực máng (D). Cực máng là cực đón các hạt mang điện.
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn , còn điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S (UGS).
Khi điện áp UGS = 0 thì điện trở RDS rất lớn, khi điện áp UGS > 0 => do hiệu ứng từ trường làm cho điện trở RDS giảm, điện áp UGS càng lớn thì điện trở RDS càng nhỏ.
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao.
+ Đối với kênh N: Điện áp điều khiển mở Mosfet là UGS > 0. Điện áp điều khiển đóng là UGS<=0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất người ta thường: Đối với Mosfet Kênh N điện áp khóa là UGS = 0V
Từ thông số trên ta thấy IRF540 thỏa mãn yêu cầu về điều khiển và công suất. Với điện áp đánh thủng đến 100V và dòng qua 33A.
3.4.5 Mô tả mạch công suất
Tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển qua một ngõ vào của cổng logic AND, ngõ vào còn lại là xung PWM điều chỉnh dòng điện ra. Ngõ ra cổng AND là tín hiệu
Hình 3.11 Nguyên lý cổng logic AND
Điện trở 4k7 trước A1015 và 10k có tác dụng hạn dòng và phân cực cho transistor này.
Transistor A1015 đóng cắt điện áp 0 – 12V cấp cho chân điều khiển đóng cắt Mosfet. A1015 là transistor thuận PNP. Nếu chân điều khiển (cực B) A1015 = “1” (+5V) thì Transistor khóa chắc chắn, điện áp đặt lên Mosfet là +12V làm nó dẫn hoàn toàn, thông mạch cho động cơ. Ngược lại nếu chân điều khiển A1015 = “0” thì Transistor thông. Chân điều khiển Mosfet (cực G) nối GND làm nó khóa lại. Không có dòng cấp cho động cơ.
Các điot có tác dụng bảo vệ chuyển mạch. Vì cuộn dây động cơ đơn cực có phân nấc ở giữa và hai nửa cuộn dây này được quấn trên cùng cặp cực stato nhưng ngược chiều nên cuộn dây như là một biến áp tự động. Khi mở chuyển mạch thì nửa cuộn dây nối với chuyển mạch này sẽ cảm ứng một điện áp nhọn cùng chiều với điện áp nguồn đồng thời sẽ hỗ cảm sang nửa kia của cuộn dây và tạo một điện áp kích ngược lên nửa cuộn dây này. Điện áp kích ngược có chiều ngược với điện áp nguồn.
Chƣơng 4
LẬP TRÌNH CHO MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT NỐI MÁY TÍNH
4.1 Sơ đồ điều khiển
Hình 4.1 Sơ đồ kết nối và điều khiển 4.1.1 Kết nối bộ điều khiển với máy tính thông qua cổng LPT
Để có thể ghép nối các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều khiển với cổng song song ta phải tìm hiểu cách trao đổi với các thanh ghi thông qua cách sắp xếp và địa chỉ các thanh ghi cũng như phần mềm. Các
Máy tính Bộ điều khiển Mạch công suất các trục Động cơ các trục, Spindle Cảm biến hành trình Chọn chế độ, dòng điện Bản vẽ G-code
đường dẫn của cổng song song được nối với ba thanh ghi 8 bit khác nhau như hình bên dưới:
- Thanh ghi dữ liệu (Data Register). - Thanh ghi trạng thái (Status Register). - Thanh ghi điều khiển (Control Register).
Hình 4.2 Sơ đồ chân LPT
Trên hình, thanh ghi dữ liệu được chỉ rõ là hai hướng dữ liệu có thể được xuất ra các chân D0 đến D7 hoặc đọc vào, thanh ghi điều khiển cũng là hai hướng, thanh ghi trạng thái chỉ có thể được đọc và vì vậy gọi là một hướng.
Ưu điểm:
Tín hiệu được truyền song song nên việc nội suy được thực hiện dễ dàng.
Đều sử dụng mức điện áp tương thích TTL: 0V ÷ +5V, trong đó: 0V: là mức logic LOW
+2V ÷ +5V là mức logic HIGH nên không cần module chuyển đổi.
Nhược điểm:
Khoảng cách ghép nối bị hạn chế, dễ bị nhiễu.
Khó lập trình vì các ngôn ngữ lập trình không hỗ trợ module điều khiển cổng LPT.
4.1.2 Nguyên lí điều khiển
Sử dụng các phần mềm vẽ mạch, vẽ hình khối trên máy tính rồi xuất ra file G- code là file chứa các thông số, dữ liệu điều khiển các chuyển động của máy CNC.
Thông qua phần mềm điều khiển, máy tính truyền các tham số đó xuống bộ điều khiển thông qua giao tiếp LPT. Từ các tham số nhận được từ máy tính kết hợp với các thông số về cảm biến hành trình, chế độ hoạt động của động cơ bước các trục, bộ điều khiển xuất tín hiệu điều khiển các động cơ qua mạch khuếch đại công suất.
4.2 Phần mềm điều khiển
Để điều khiển máy CNC dân dụng, có một số phần mềm thông dụng như CIMATRON, MASTERCAM, KCAM, MACH, và LinuxCNC…
Trong đó chỉ có Linux CNC là phần mềm mã nguồn mở chạy trên hệ điều hành Linux. Nhóm tác giả quyết định tìm hiểu và sử dụng phần mềm này điều khiển máy CNC.
4.2.1 Giới thiệu về LinuxCNC
- LinuxCNC (the Enhanced Machine Control) là hệ thống phần mềm cho phép máy tính điều khiển máy công cụ như máy phay, tiện, robots scara và các loại máy được điều khiển bởi máy tính khác lên đến 9 trục.
- LinuxCNC là phần mềm nguồn mở, dưới giấy phép GNU (GPL và LGPL). - LinuxCNC bao gồm:
Giao diện đồ họa.
Giao diện cho G-code.
-Hệ thống chuyển động thời gian thực.
Dễ dàng cài đặt thông số cho máy móc (CNC).
Hỗ trợ lập trình PLC.
Dễ dàng cài đặt.
Có thể điều khiển đồng thời 9 trục với nhiều giao diện.
4.2.2 Cài đặt thông số
Sau khi được cài đặt, cần nhập vào các thông số của máy CNC trước khi máy có thể hoạt động.
Vào Applications > LinuxCNC > LinuxCNC StepConf Wizard Tạo một cài đặt mới:
Hình 4.3 Tạo một cài đặt mới
Điền thông tin cơ bản
- Tên máy, loại trục, đơn vị đo. - Thông số mạch điều khiển:
Độ dài xung “ON”.
Thời gian nhỏ nhất giữa 2 xung kề nhau.
Độ dài tín hiệu về hướng sau khi thay đổi hướng.
Độ dài tín hiệu về hướng trước khi có xung step gần nhất.
Địa chỉ cổng song song.
Hình 4.4 Trang thông tin cơ bản
Cài đặt cổng song song
Hình 4.5 Cài đặt cổng song song
Cài đặt thông số trục X, Y, Z Thông số trục X
-Số bước/vòng (= 360/số độ 1 bước):200 -Số step cho một bước:1
-Độ dịch chuyển: 2.54 mm/vòng -Vận tốc lớn nhất : 5mm/s -Gia tốc lớn nhất: 300 mm/s2 -Vị trí gốc: 0 -Di chuyển bàn máy: 0 đến 190 mm Hình 4.6 Thông số trục X Hình 4.7 Thông số trục Y
Hình 4.8 Thông số trục Z
Thông số Spindle
Hoàn tất cài đặt: Nhấn Apply
Hình 4.10 Hoàn tất cài đặt
4.3 Sơ lƣợc trình tự gia công
- Mở phần mềm LinuxCNC - Bật nguồn trên phần mềm
- Đặt điểm gốc cho 3 trục và xác định vị trí mũi phay với phôi phù hợp - Mở file chứa code như .ngc, .tap …
- Bật Spindle
- Nhấn Play để máy chạy
Một số mã chương trình hỗ trợ
a) Hỗ trợ mã G (Supported G Codes)
– G00: chạy dao nhanh tuyến tính khi không gia công (Rapid Traverse). – G01: chạy dao gia công nội suy theo đường thẳng (Normal Traverse). – G02: nội suy cung tròn theo chiều kim đồng hồ (CW Arc).
– G03: nội suy cung tròn ngược chiều kim đồng hồ (CCW Arc).
– G04: dừng tại một vị trí trong khoảng thời gian (Execute Dwell Time). – G17: chọn mặt phẳng XY làm mặt phẳng gia công (XY Plane Selection). – G18: chọn mặt phẳng XZ làm mặt phẳng gia công (XZ Plane Selection). – G19: chọn mặt phẳng YZ làm mặt phẳng gia công (YZ Plane Selection). – G40: hủy bỏ bù dao khi gia công theo đường kính
(Cancel Cutter Diameter Compensation).
– G41: bắt đầu bù dao bên trái khi gia công theo đường kính (Start Cutter Diameter Compensation Left).
– G42: bắt đầu bù dao bên phải khi gia công theo đường kính (Start Cutter Diameter Compensation Right ).
– G45: chạy dao song song theo một trục (Normal Traverse). – G73: khoan lỗ có chu kỳ (Drill Cycle).
– G80: kết thúc khoan lỗ (End Drill Cycle). – G81: khoan lỗ (Drill Cycle).
– G82: khoan lỗ có thời gian dừng (Drill Cycle with Dwell). – G83: khoan lỗ (Drill Cycle).
– G90: thiết lập tọa độ tuyệt đối (Sets Absolute Mode).
– G91: chọn tọa độ tương đối theo gia số (Sets Incremental Mode). – Pxxx: chọn thời gian dừng là xxx (Sets Dwell Time to xxx). Ví dụ: P2.125 sẽ tạo ra khoảng thời gian dừng là 2,125s.
– Fxxx: thiết lập tốc độ chạy dao là xxx (Sets Feed Rate to xxx). Ví dụ: F45 sẽ có tốc độ chạy dao là 45inches/ phút.
b) Mã M (Mcodes)
KCAM hỗ trợ một số mã M sau:
– M00: dừng chương trình - Program Stop.
– M01: dừng chương trình có tùy chọn - Optional Program Stop. – M02: kết thúc chương trình - Program End.
– M03: quay theo chiều kim đồng hồ - Spindle on clockwise – CW.
– M06: thay dao - Tool Change.
– M07: bật dung dịch làm mát theo kiểu tia - Mist Coolant On. – M08: bật dung dịch làm mát theo kiểu phun - Flood Coolant On. – M09: tắt dụng dịch làm mát - Mist and Flood Coolant Off.
– M13: quay thuận chiều kim đồng hồ và bật dung dịch làm mát theo kiểu tia (Engage Spindle CW and Coolant Mist).
– M30: kết thúc & khởi động lại chương trình - Program End and Reset. – M60: Dừng chương trình - Program Stop.
Chƣơng 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết quả đạt đƣợc
5.1.1 Mô hình máy tổng thể
Hình 5.2 Mô hình máy tổng thể 5.1.2 Kết quả thử nghiệm
Mô hình máy CNC đã tạo ra sản phẩm theo như bản vẽ trên máy tính
5.2 Kết luận
Qua 10 tuần thực hiện, cùng với sự hướng dẫn chỉ bảo nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn cũng như các thầy cô trong bộ môn nhóm tác giả đã hoàn thành thiết kế, chế tạo máy phay CNC mini đảm bảo yêu cầu đã đặt ra.
Các thông số kỹ thuật của máy:
Tên sản phẩm: Máy phay CNC mini Tải trọng: 25 kg
Kích thước: 800 x 640 x 600 (mm) Công suất động cơ trục chính: 52W
Nguồn cấp cho máy: 220 VAC
Nhóm tác giả được củng cố, vận dụng những kiến thức đã học áp dụng vào thiết kế và chế tạo một máy phay cụ thể, học hỏi thêm nhiều kiến thức liên quan. Và điều quan trọng hơn là có được sự tự tin khi bắt tay vào làm một việc thực tế, là những kinh nghiệm quí báu cho bản thân khi chuẩn bị ra trường.
5.2.1 Ưu điểm
- Chi phí chế tạo máy thấp.
- Sử dụng các vật liệu, linh kiện thông dụng, sẵn có trên thị trường.
- Máy CNC đã chế tạo và chạy thử nghiệm với mô hình 2D thành công và cho kết quả tốt.
5.2.2 Nhược điểm