cnc

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54

SHSV: 20091468

1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM

MỤC LỤC Lời nói đầu ............................................................................................................. 6

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CNC. ...................................................................................................................... 7

I.Khái quát về các máy công cụ CNC. ........................................................................ 7

1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển. ............................................................... 7

1.2 Cơ sở của máy CNC ...................................................................................................... 8

1.3. Đặc điểm và phân loại. ................................................................................................. 9

II. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số ............................................ 10

2.1. Chương trình gia công một chi tiết. ........................................................................... 10

2.2. Khối điều khiển. .......................................................................................................... 10

2.3. Điều khiển logic. ......................................................................................................... 10

2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC. ................................................................. 11

III.Hệ thống tính toán và điều khiển .......................................................................... 12

3.1.Khái niệm và phân loại. .............................................................................................. 12

3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC. ........................................................ 12

3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC. ....................................................................................... 15

3.4. Hệ DNC. ..................................................................................................................... 16

3.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS. ............................................................................. 16

Kết luận chương I. ..................................................................................................... 17

CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC 3

TRỤC ................................................................................................................... 18

I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống. ...................................................... 18

II.Động cơ AC Servo. ................................................................................................ 19

2.1.Động cơ AC Servo. ...................................................................................................... 19

2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo. ................................................................................ 21

III.Mạch điều khiển AKZ250. .................................................................................... 22

3.1.Giới thiệu mạch AKZ250. ............................................................................................ 22

3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250: ..................................................................................... 23

3.3.Cài đặt và ứng dụng. ................................................................................................... 24

IV.Biến tần và trục chính. .......................................................................................... 28

4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính. ................................................................ 28


SHSV: 20091468

2


4.2.Tìm hiểu về biến tần. ................................................................................................... 28

V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện. .................................................... 30

5.1. Thiết bị đo tốc độ. ....................................................................................................... 30

5.2 Thiết bị đo vị trí. .......................................................................................................... 31

5.3.Công tắc hành trình ..................................................................................................... 31

5.4 Nút bấm điều khiển tắt mở máy. ................................................................................. 31

5.5 Nút dừng khẩn ........................................................................................................... 32

5.6 Đèn báo hiệu .............................................................................................................. 32

5.7. Nguồn DC ................................................................................................................... 32

VI. Mô đun thay dao tự động. ................................................................................... 33

6.1.Xylanh khí nén. ............................................................................................................ 34

6.2.Cơ cấu quay đài dao.................................................................................................... 35

6.3.Thuật toán điều khiển cụm thay dao. .......................................................................... 37

Kết luận chương 2 ..................................................................................................... 39

CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ HÌNH MÁY

PHAY CNC 3 TRỤC. .......................................................................................... 40

I. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử của hệ thống. ....................................................... 40

1.1.Sơ đồ nguyên lý điều khiển .......................................................................................... 40

1.2.Động cơ bước. ............................................................................................................. 41

1.3.Driver động cơ bước. .................................................................................................. 44

1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính. .............................................................................. 56

II. Thiết kế mạch điều khiển CNC tương thích với phần mềm Mach3. ..................... 64

2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC. ............................................................................. 64

2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC. ...................................................................... 66

2.3.Sử dụng các cổng ra vào và cài đặt trên Mach3. ........................................................ 67

Kết luận chương 3 ..................................................................................................... 72

CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC .................. 73

I.Chế tạo. ................................................................................................................... 74

II. Lập trình gia công sản phẩm. ............................................................................... 80

Kết luận chương 4 ..................................................................................................... 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 88

Phụ Lục ................................................................................................................ 88


SHSV: 20091468

3


Mục lục hình vẽ

Số hình Tên hình vẽ Trang

1.1 Mô hình điều khiển DNC 7

1.2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 8

1.3 Cơ sở của các máy CNC 8

1.4 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 9

1.5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 11

1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC 12

1.7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 13

1.8 Lưu đồ lập trình bằng máy 14

1.9 Cấu trúc của hệ CNC 15

2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục 18

2.2 Động cơ AC Servo. 19

2.3 Cấu tạo động cơ Servo 20

2.4 Driver servo và động cơ Servo 21

2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver 21

2.6 Mạch AKZ250 23

2.7 Chân điều khiển các trục 24

2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính 25

2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250 25

2.10 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 26

2.11 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250 26

2.12 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250 27

2.13 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần 27

2.14 Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp 29

2.15 Biến tần của hãng SEIMENS 30

2.16 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 30

2.17 Công tắc hành trình D4MC-5000 31

2.18 Nút nhấn không đèn YW1B 32

2.19 Nút dừng khẩn 32

2.20 Đèn báo IDEC 32

2.21 Nguồn DC 24V 32

2.22 Sơ đồ modul thay dao tự động. 33

2.23 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén 34

2.24 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man 35

2.25 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man 36

2.26 Sơ đồ thuật toán trả dao 37

2.27 Sơ đồ thuật toán lấy dao 38

3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC 40

http://automaticforea.com/products/704/Cong-tac-hanh-trinh-D4V-8169Z.htm


SHSV: 20091468

4


3.2 Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực. 42

3.3 Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực. 43

3.4 Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực 43

3.5 Bố trí các chân của ic L297 45

3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước 49

3.7 Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước 50

3.8 Sơ đồ khối IC L298 51

3.9 Sơ đồ chân IC L298 52

3.10 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298 54

3.11 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước 55

3.12 Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân 57

3.13 Sơ đồ chức năng các chân cổng LPT 58

3.14 Sơ đồ chân IC74HC245 60

3.15 Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245 61

3.16 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 62

3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT 63

3.18 Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver 64

3.19 Sơ đồ đi dây trên board 65

3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC 66

3.21 Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp 67

3.22 Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3 68

3.23 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin 68

3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC 69

3.25 Cài đặt cổng vào trong Mach3 69

3.26 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3 70

3.27 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3 70

3.28 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý. 71

3.29 Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3 71

4.1 Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục 73

4.2 Mô hình 3D máy phay CNC 74

4.3 Kết cấu khung đế của mô hình 75

4.4 Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng. 76

4.5 Hình chiếu đứng mô hình máy phay 76

4.6 Hình chiếu cạnh mô hình máy phay 77

4.7 Hình chiếu bằng mô hình máy phay 77

4.8 Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin 78

4.9 Thông số chọn ray dẫn hướng 78

4.10 Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA 79

4.11 Đai ốc lắp kiểuFSWC 80


SHSV: 20091468

5


4.12 Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay

CNC

81

4.13 Lập trình tay trên Notepad 81

4.14 Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode 81

4.15 Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển 82

4.16 Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3 83

4.17 Khung điều khiển các trục tọa độ. 83

4.18 Khung điều khiển quá trình gia công 84

4.19 Mạch điều khiển trong mô hình 84

4.20 Quá trình chạy demo để test mô hình 85

4.21 Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình 85


SHSV: 20091468

6


Lời nói đầu

Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam. Máy CNC

xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp. Tuy nhiên

hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và

Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao. Những máy CNC thiết kế và

sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC

chạy được”. Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển

cho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết

kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ

đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước.

Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế

tạo được mô hình máy CNC hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới

khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự động của máy như khả năng thay

dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động... Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế

và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu xót, và mục tiêu

ổn định dao động và thiết kế modun thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự động

em chưa thể hoàn thiện. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy

cô để hoàn thiện hơn để tài.

Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Lâm và thầy Bùi Văn Hạnh, các thầy cô

trong bộ môn Hàn và Công nghệ kim loại đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện

tốt để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.


SHSV: 20091468

7


CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CNC.

I.Khái quát về các máy công cụ CNC.

1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển.

Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình

công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình

tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng

tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm...)

trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ

số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm

việc của thiết bị hay hệ thống.

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không

vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng...là

cao nhất . Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không

ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8bit... cho đến nay đã

đạt đến 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng

lưu trữ và xử lý.

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt

đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp

CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp

phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các

kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng

kể.

Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC


SHSV: 20091468

8


1.2 Cơ sở của máy CNC

Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn

máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra

tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác

của bàn máy trong hệ trục tọa độ.

Hình 1.3 Cơ sở của các máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy

CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải.

Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo

các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh

tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm

trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó

lên ba trục X, Y, Z.

Y

Z

X

Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM


SHSV: 20091468

9


Hình 1.4 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các

1.3. Đặc điểm và phân loại.

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc

điểm sau.

- Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện .....

- Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo ...

- Hệ thống định vị : Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp

- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.

- Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục.....

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng,

có thể được chia thành các nhóm sau:

-Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang

quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài....

-Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.

-Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các

bề mặt và các goc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên

công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.

-Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ,

mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ...


SHSV: 20091468

10


-Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiên, doa...

II. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số

2.1. Chương trình gia công một chi tiết.

Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu.

Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong

vật mang tin ( băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều

khiển số qua cửa nạp tương thích.

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số

liệu về dụng cụ cắt... được nạp vào từ bẳng điều khiển.

Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang

hệ điều khiển số của từng trạm gia công ( hệ DNC).

2.2. Khối điều khiển.

Chức năng của khối điều kiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ

sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài.

Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí encoder, và tốc độ của các

trục.

Thực hiện các chương trình điều kiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục

chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dang và

điều khiển tốc độ các trục.

2.3. Điều khiển logic.

Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối

đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và

giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ), lệnh

đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính,

lệnh thay dụng cụ.Đầu ra khối điều khiển logic điều khiển các cơ cấu chấp hành

như : Van thủy lực, van khí nén, các rơ-le..


SHSV: 20091468

11


2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.

Hình 1.5. Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC

1.Màn hình 2.Bảng điều khiển

3.Mạch ghép nối 4.Tay quay điện tử

Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm

việc của toàn hệ thống...

Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ

thống...

Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy,

do chi tiết... mà phải mở cửa làm việc

Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động ( BĐK) liên lạc với

CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương

trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU.


SHSV: 20091468

12


III.Hệ thống tính toán và điều khiển

3.1.Khái niệm và phân loại.

Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.6 .Giai đoạn đầu tiên,

những thông tin về kích thước đông nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương

trình, sau đó là cộng việc lập trình điều khiển.

Hình 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo tín hiệu

điều khiển các hệ truyền động điện tự động.

Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: Nc và CNC.

Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lí sao cho

chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm tạo ra các mã tương

thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào

bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên

các trục tọa độ. Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều kiển công

nghệ như tốc độ cắt,xoay chi tiết, thay dao...

3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC.

3.2.1. Chuẩn bị chương trình bằng tay.

Nhưng thông tin cần thiết đê chuẩn bị chương trình là: Bản vẽ chi tiết và các điều

kiện công nghệ. Người soạn thảo chương trình phải chuyền thông tin đó thành các

chương trình điều khiển số cho máy gia công.


SHSV: 20091468

13


Hình 1.7. Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

+ Chọn hệ toạ độ (Tương ứng với hướng dẫn của ISO) sao cho điểm toạ độ

ban đầucần phải trùng với điểm xuất phát của dụng cụ cắt hoặc chi tiết gia công.

+ Dựa trên quỹ đạo chuyển động giữ các điểm tựa, viết chương trình quỹ đạo

chuyển động (đường thẳng, đường tròn, Parabol, ...). Nếu như dùng phương pháp

gần đúng thì phải tính sai số.

+ Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt,

thành lập biểu đồ công nghệ.

3.2.2. Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính.

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết

gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo. Ngày nay

người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc trưng của lập

trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng.


SHSV: 20091468

14


Hình 1.8.Lưu đồ lập trình bằng máy

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện

các tính toán bằng tay.

- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn

các số liệu cho nhiệm vụ gia công.

- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện.

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp

thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia

công.

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các

chu trình công tác cần thực hiện.

- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ

liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.


SHSV: 20091468

15


Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽ

đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ

điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng

trị. Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:

1. Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả

năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả

đơn giản dễ sử dụng.

2. Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp

với ngôn ngữ của máy gia công.

3.Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra.

4. Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể.

3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC.

Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình. Ngoài ra nhờ có khối ghép

nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích

để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN. Bảng điều khiển và tay

quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập

trình gia công ...

Hình 1.9 Cấu trúc của hệ CNC


SHSV: 20091468

16


Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo,

điều phối. Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong

một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành

một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ.

Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh

tốc độ ...) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động

phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình.

3.4. Hệ DNC.

Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký tự

số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác. Trong đó hệ thống điều khiển có

cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như:

tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái

thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều

khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị

mong muốn và giá trị thực.

Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều

khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển

theo chương trình số. Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online)

nhiều máy CNC với một máy tính.

3.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS.

Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các

máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển

cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công

khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do.

Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong

hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận

hành theo nguyên tắc điều khiển DNC.


SHSV: 20091468

17


Kết luận chương I.

Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến

hiện nay, sự ra đời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành cơ khí

chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội. Sự ra đời của máy CNC

làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn , độ chính xá c cao hơn

và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt. Máy CNC có nhiều chủ ng loại khác nhau,

mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy. Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên ly

thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau. Cấu trúc của tất

cả các loại máy CNC đều bao gồm : Phần xử ly trung tâm (Giao diệ n người máy

và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo , động cơ servo , phản hồi tốc độ , vị

trí. Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao, ngày nay hầu hết

người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín.

Tuy nhiên trong thực tế nghiên cứu của sinh viên trong nước nói chung và

sinh viên đại học Bách Khoa nói riêng, thì việc nghiên cứu chế tạo một máy CNC

điều khiển vòng kín với đầy đủ chức năng và bộ phận của một máy CNC tiêu chuẩn

là rất khó. Vì giá thành động cơ Servo và hệ thống dẫn động vít mebi rất đắt và điều

khiển nhà xưởng còn hạn chế nên việc chế tạo một máy CNC đối với sinh viên là

rất khó.

Trong đồ án này em tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu các phần tử trong

hệ thống điều khiển của máy CNC tiêu chuẩn. Từ đó bắt tay vào chế tạo một mô

hình máy phay CNC 3 trục cỡ nhỏ. Mục tiêc của em trong đồ án này là chế tạo được

mô hình máy CNC 3 trục hoạt động tốt và có thể gia công được những vật liệu có

độ cứng vừa phải như nhôm, gỗ, nhựa. Máy có thể nhận file G-code và có thể lập

trình bằng tay trên phần mềm điều khiển. Các sản phẩm có thể phay ra là các bức

tranh 3D trên gỗ và trên nhựa.


SHSV: 20091468

18


CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC

3 TRỤC

I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống.

Sơ đồ hệ thống điều khiển thiết kế như sau.

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục sử dụng mạch điều khiển AKZ250

Các phần tử trong hệ thống:

- Mạnh AKZ250: kết nối máy tính và các phần tử điều khiển: driver động cơ, biến

tần, các cảm biến.

- Phần mềm Mach3 và máy tính: có vai trò như bộ điều khiển CNC điều khiển toàn

hệ thống.


SHSV: 20091468

19


- Driver servo và động cơ servo: có nhiệm vụ chuyền động cho các bàn máy để tạo

nên quỹ đạo chuyển động của đầu gia công theo yêu cầu hệ thống.

- Biến tần: điều khiển động cơ trục chính.

- Trục chính: là động cơ AC 3 pha có nhiệm vụ quay dao, tạo chuyển động cắt.

- Công tắc hành trình và các cảm biến: bảo vệ và cảnh cáo về hệ thống khi có sự cố

hoặc bàn máy chuyển động quá hành trình cho phép.

II.Động cơ AC Servo.

2.1.Động cơ AC Servo.

Nhờ sự phát triển vượt bậc của công nghệ điều khiển điện, hiện nay chuyển động

chạy dao trong máy công cụ điều khiển số dùng khá phổ biến động cơ AC Servo.

Hình 2.2 chỉ ra cấu tạo của động cơ AC Servo.

Hình 2.2 Động cơ AC Servo.

2.1.1 Lựa chọn động cơ

Khi lưa chọn động cơ người thiết kế phải xem sét nhiều yếu tố và các đặc

trưng về dải tốc độ, sự biến đổi momen tốc độ, tính thuận nghịch, chu kì làm việc,

momen khởi động và công suất yêu cầu.

Đặc biệt lưu y tới đường cong momen tốc độ động cơ bởi vì các đường cong

này cho ta những thông tin quan trọng.Để lựa chọn lựa công suất chúng ta cần chọn

lưạ các vấn đề sau:

a.Momen khởi động động cơ.


SHSV: 20091468

20


Momen ở tốc độ quay bằng 0 được gọi là momen khởi động cơ. Để động cơ

tự khởi động được, động cơ phải sinh ra momen lớn hơn momen ma sát và momen

tải đặt lên trục của nó. Nếu gọi a là gia tốc góc của động cơ và đuợc đo bằng Rad/s2,

Tm là momen động cơ, Ttải là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán

tính của Rôto và tải ta có quan hệ:

a = (Tm-Ttải)/J

b.Tốc độ cực đại của động cơ.

Là tốc độ quay lớn nhất khi momen động cơ bằng 0. Tốc độ này gọi là tốc độ

không tải.

c.Công suất yêu cầu tải.

Cần chọn động cơ sao cho có thể đáp ứng tốt được yêu cầu tải trong chu kỳ

làm việc, nghĩa là công suất động cơ phải lớn hơn hoặc bằng công suất tải.

d. độ phân giải của encoder.

Độ phân giải của encoder hay là cố xung trên một vòng quay mà encoder

nhận được, điều này có y nghĩa trong việc điểu khiển và giám sát vị trí góc quay

của động cơ. Độ phân giải của encoder sau động cơ càng lớn thì cấp chính xác hệ

thống càng cao.

2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Cấu tạo của một động cơ Servo được thể hiện trong hình 2.3. Một động cơ AC

Servo thường có 2 bộ phận chính, một là động cơ không đồng bộ hoặc đồng bộ 3

pha, hai là encoder. Encoder được gắn liền với động cơ và nhận tín hiệu về vị trí

cũng như tốc độ để phản hồi đến driver Servo.

Hình 2.3 Cấu tạo động cơ Servo


SHSV: 20091468

21


2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo.

Động cơ AC Servo được thiết kế chế tạo với mục đích điều khiển chính xác

vị trí, tốc độ và momen, do vậy driver điều khiển động cơ Servo cũng rất phức tạp

và khó chế tạo. Các bộ driver servo được bán kèm với động cơ Servo với giá thành

rất cao.

Hình 2.4 Driver servo và động cơ Servo

Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver.


SHSV: 20091468

22


Hình 2.5 Driver Servo của Mishubishi

III.Mạch điều khiển AKZ250.

3.1.Giới thiệu mạch AKZ250.

Mạch AKZ250 là mạch kết nối giữa phần mềm điều khiển ( phần mềm

Mach3) trên máy tính và các phần tử điều khiển như driver điều khiển động cơ bước

hoặc Servo, ngoài ra còn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và

công tắc hành trình và đưa về phần mềm sử lý.


SHSV: 20091468

23


Hình 2.6: Mạch AKZ250.

3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250:

- Hỗ trợ giao tiếp với tất cả các phiên bản của phần mềm Mach3, bao gồm cả

phiên bản Mach3 R3.042.040.

- Tương thích với Windows2000/XP/Vista/win 7

- Không cần cài đặt thêm bất cứ USB driver nào thêm cho máy tính, có thể sử

dụng ngay sau khi cắm vào máy tính.

- Tương thích hoàn toàn với mọi cổng USB, mạch liên tục giám sát trạng thái của

cổng USB.

- Bù được các thiết sót và sai lệch của phần mềm Mach3.

- Tần số dao động tối đa là 200KHz, thích hợp cho động cơ Servo cũng như động

cơ bước.

- Có các đèn LED báo trạng thái kết nối cổng USB và trạng thái hoạt động của

mạch.

- Có 16 đầu ra cho các mục đích khác nhau.

- Tốc độ chạy dao và tốc độ trục chính có thể được điều khiển bởi núm điều khiển.


SHSV: 20091468

24


- Cấp nguồn qua cổng USB, không cấp cần nguồn nuôi riêng.

3.3.Cài đặt và ứng dụng.

Mạch AKZ250 lấy nguồn từ cổng USB với moodun chia nguồn, không cần nguồn

cấp từ bên ngoài.

Tất cả các đầu ra, bao gồm chân tạo xung và chân dẫn hướng cho 4 trục (8 đầu ra

điều khiển) và đầu ra tín hiệu xung cho trục chính được đặt qua điện trở cao khi

cổng USB được kết nối. Khi chạy phần mềm Mach3, các tốc độ được điều khiển

bởi Mach3.

Tất cả các tín hiệu ra từ Mach3 cần được cài đặt ở chế độ tích cực thấp.

3.3.1. Chân đầu ra tín hiệu điều khiển động cơ các trục tọa độ.

Hình 2.7 : Chân điều khiển các trục.

Mạch AKZ250 hỗ trợ tối đa là điều khiển 5 trục tọa độ. Với phiên phản như

hình vẽ thì chỉ điểu khiển được tối đa 4 trục tọa độ là X, Y,Z và A. Mạch AKZ250

hỗ trợ điều khiển động cơ bước và động cơ Servo.

Trên board mạch có chú thích rõ ràng về các tín hiệu điều khiển cho từng

trục X, Y, Z, A. Với mỗi trục ta có 2 tín hiệu điều khiển, một là tín hiệu xung Step

cung cấp đến driver động cơ để điều khiển tốc độ động cơ, tín hiệu còn lại là tín

hiệu Direct điểu khiển hướng quay của động cơ. Tất cả các tín hiệu điều khiển từ

AKZ250 đều phải đưa qua driver động cơ mới có thể điều khiển được động cơ vì

tín hiệu ra chỉ là tín hiệu điểu khiển với mức điện áp 5V.

Tín hiệu ra điều khiển động cơ được tạo ra qua IC6N137 như hình vẽ.


SHSV: 20091468

25


Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính.

3.3.2. 16 đầu và đa mục đích.

Trên mạch AKZ250 có 16 đầu vào để người dùng sử dụng với các mục đích

khác nhau, với mỗi mục đích sử dụng cho mỗi đầu vào ta phải cài đặt để hệ thống

nhận biết mục đích sử dụng, việc cài đặt mục đích đầu vào được thực hiện trên phần

mềm điều khiển. Ở đây ta sử dụng phần mềm Mach3. Chi tiết phần cài đặt hệ thống

trong Mach3 được để cập chi tiết trong phần tiếp theo.

Hình 2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250.

Các mục đích sử dụng cho các cổng vào thường thấy như tín hiệu tạm dừng

chương trình, tín hiệu từ các cảm biến, công tắc hành trình....

Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 được trình bày như hình bên dưới.


SHSV: 20091468

26


Hình 2.10 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250

3.3.3. 8 đầu ra đa mục đích.

Các đầu ra của AKZ250 được dùng để điều khiển đóng mở các thiết bị ngoại vi,

các công tắc tơ, hay bật tắt các đèn báo trạng thái toàn hệ thống. Dưới đâu là vị trí

đầu ra trên AKZ250 và cấu tạo mỗi chân ra.

Hình 2.11 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250


SHSV: 20091468

27


Hình 2.12 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250

Tại mỗi cổng ra của AKZ250 được các ly với toàn bộ mạch chính bởi một photo

transistor. Photo transistor này có tác dụng bảo vệ cho mạch chính khi đầu vào từ

mạch ngoài gặp sự cố như đoạn mạch hay chập mạch. Tín hiệu ra qua photo

transistor rồi đi qua cặp transistor để khuếch đại tín hiệu cho đầu ra.

Các cổng ra trên mạch AKZ50 cần được cài đặt trên phần mềm điều khiển

khi được sử dụng cho mỗi mục đích khác nhau.

3.3.4. Đầu ra tín hiệu xung điều khiển trục chính.

Dưới đây và vị trí đầu ra điều khiển trục chính và các đi dây từ mạch AKZ250

ra biến tần để điểu khiển trục chính.

Hình 2.13 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần.

Để điều khiển biến tần ta cần sử dụng chân tạo dao động PWM và hai chân

đầu ra từ 8 đầu ra của AKZ20 để bật tắt trạng thái biến tần.


SHSV: 20091468

28


IV.Biến tần và trục chính.

4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính.

Động cơ trục chính thường được sử dụng là loại động cơ không đồng bộ 3 pha,

sở dĩ loại động cơ không đồng bộ ba pha hay được chọn để làm động cơ trục chính

vì loại động cơ này có dải công suất lớn từ vài trăm woat đến vài trăm kilowat, một

lý do nữa để chọn động cơ không đồng bộ ba pha là giá thành rẻ hơn nhiều so với

động cơ đồng bộ cùng công suất.

Công thức tính tốc độ động cơ:

𝜔 =2𝜋. 𝑓

𝑛. 𝑠

Trong đó: ω là tốc độ roto động cơ.

f là tần số dòng điện

n là cố cặp cực

s là hệ số trượt

Do vậy để điều chỉnh tốc độ động cơ ta có thể thay đổi tần số điện áp cấp vào

động cơ. Phương pháp điểu chỉnh tốc độ này là tối ưu hơn việc thay đổi số cặp cực

của động cơ vì cấu tạo động cơ khó thay đổi hơn. Hơn nữa dùng phương pháp thay

đổi tần số điện áp cấp vào động cơ ta có để điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ với

các bộ điều chỉnh tần số là biến tần.

4.2.Tìm hiểu về biến tần.

Biến tần là thiết bị biến đổi tần số, điện áp với mục đích chính thay đổi momen

để đạt được tốc độ mong muốn cho động cơ xoay chiều ba pha .

Về phân loại biến tần ba pha gồm có hai loại :

+ Biến tần trực tiếp

+ Biến tần gián tiếp: - Biến tần nguồn dòng

- Biến tần nguồn áp


SHSV: 20091468

29


Hiện nay biến tần được sử dụng nhiều nhất là loại biến tần gián tiếp. Còn

biến tần trực tiếp hầu như rất ít thấy xuất hiện trong công nghiệp.

4.2.1. Biến tần gián tiếp.

4.2.1.1. Khái niệm.

Bộ biến tần gián tiếp là bộ biến đổi nguồn điện xoay chiều có V1, f1 là hằng

số thành nguồn điện xoay chiều có Vr, fr thay đổi, qua khâu trung gian một chiều.

Tần số đầu ra được xác định bởi nhịp đóng mở của các thiết bị nghịch lưu.

4.2.1.2. Các khâu cơ bản.

Thiết bị biến tần gián tiếp gồm ba khâu cơ bản

1.Khâu chỉnh lưu: biến đổi nguồn xoay chiều sang một chiều.

2.Bộ lọc: để giảm bớt độ nhấp nhô của áp và dòng ở đầu ra của bộ chỉnh lưu.

3.Khâu nghịch lưu: biến đổi điện áp một chiều để đặt vào động cơ.

Thiết bị nghịch lưu có thể là Thyristor hoặc Transitor công suất.

Hình 2.14 Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp.

Do tính chất khác nhau của các khâu trung gian ta có hai loại biến tần là biến

tần áp và biến tần dòng.


SHSV: 20091468

30


4.2.2.Biến tần Siemens.

Hình 2.15 Biến tần của hãng SEIMENS.

Biến tần của hãng SEIMENS có 3 dòng phổ biến ở Việt Nam là MM410,

MM420 và MM440. Với nhu cầu điểu khiển tốc độ của một động cơ trục chính nên

ta chọn loại MM410 là đủ để đáp ứng yêu cầu điều khiển.

Thông số kỹ thuật của biến tần SEIMENS MM410.

- Điện áp: 220V-240V

- Công suất 120W-750W

- Tần số điện vào : 47-63Hz

- Tần số điện ra 0 đến 650Hz

- Các đầu vào số: 3 đầu vào lập trình được, chung đất phù hợp với PLC.

- Các đầu vào tương tự: 1 đầu vào dùng cho điểm đặt.

- Các đầu ra rơ le : 1, tùy chọn chức năng 30VDC/5A hay 250VAC//2A

- 1 cổng giao tiếp nối tiếp RS-485 USB.

V.Thiết bị đo lường, giám sát và các thiết bị điện.

5.1. Thiết bị đo tốc độ.

Thiết bị đo tốc độ để đo tốc độ quay thực của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi

tốc độ của động cơ về bộ điều chỉnh tốc độ. Tín hiệu phản hồi này được so sánh với

tốc độ đặt của động cơ, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ. Để


SHSV: 20091468

31


đo tốc độ quay của động cơ người ta dùng máy phát tốc hoặc Encoder gắn trực tiếp

với trục động cơ.

5.2 Thiết bị đo vị trí.

Các trục của máy được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác định toạ độ của bàn

và của dao cụ (Ví dụ: Encode vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển

của bàn theo trục X trên hình 2.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường

phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử ly tín hiệu này và xác định toạ độ

chính xác của các trục máy.

Hình 2.16 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC

Các dụng cụ này đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định toạ độ thực tế

tức thời của các trục toạ độ. Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong

các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ.

Tín hiệu đầu ra của các thiết bị này được đưa về so sánh với các giá trị đặt của vị

trí, kết quả được đưa vào các đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí.

5.3.Công tắc hành trình

Là thiết bị để bảo vệ máy khi bàn máy trượt quá hành trình cho phép, khi

chạm công tắc hành trình mạch điện ngoài sẽ bị ngắt và bàn máy ngừng chuyển

động, trành va chạm vào các chi tiết khác trong hệ thống.

Hình 2.17 Công 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

http://automaticforea.com/products/704/Cong-tac-hanh-trinh-D4V-8169Z.htm


SHSV: 20091468

32


Hình 2.18 Nút nhấn không 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 2.21 Nguồn DC 24V

http://i612.photobucket.com/albums/tt207/tatrdv/T102B_XolrXXaRwQTb_094706jpg_310x310.jpg


SHSV: 20091468

33


- Điện áp vào: 220V AC

- Điện áp ra: 24V DC

VI. Mô đun thay dao tự động.

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 công tiếp tục


SHSV: 20091468

34


thực hiện. Khi có lệnh tiếp theo thì AKZ250 lại gửi tín hiệu đến bộ điều khiển thay

dao và chương trình gia công dừng cho đến khi nhận lệnh thay dao tiếp theo.

6.1.Xylanh khí nén.

Trong quá 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 nguyên 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 không khí từ ngoài qua van lọc thô 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. Dòng 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.

Quá 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,

dòng khí bên buồng B sẽ truyền qua các ống dân khí về của B của van đảo chiều và


SHSV: 20091468

35


qua của T của van ra ngoài. Piston di chuyển với hành trình Lxl= 250 mm được đo

bởi hai cảm biến vị trí. Sau khi piston di chuyển với hành trình Lxl tín hiệu từ cảm

biến vị trí sẽ được xử ly và truyền về van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị

trí (o) khi đó piston sẽ đứng im, ở vị trí này nguôn khí nén không được dẫn động

nên xylanh-piston. Khi đó hệ thống thay dao thực hiên quá trình quay phân độ dụng

cụ vào vị trí thay dụng cụ và quá trình trục chính di chuyển vào kẹp dụng cụ.

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 dòng 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. Dòng 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 ly và truyền

về dừng động cơ. Quá 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 toán cơ cấu Man với bán kính của

đĩa là R=100(mm)

Hình 2.24 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man


SHSV: 20091468

36


Hình 2.25 Sơ đồ tính toán 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.


SHSV: 20091468

37


6.3.Thuật toán điều khiển cụm thay dao.

6.3.1.Sơ đồ trả dao

Hình 2.26 Sơ đồ thuật toán trả dao


SHSV: 20091468

38


6.3.2: Sơ đồ lấy dao

Hình 2.27: Sơ đồ thuật toán lấy dao.


SHSV: 20091468

39


Kết luận chương 2

Trong đồ án này em hướng tới tính toán thiết kế một hệ thống điều khiển cho máy

phay CNC 3 trục mà việc bắt tay vào chế tạo là có thể đối với sinh viên nói riêng

cũng như đối với người Việt Nam nói chung. Hệ thống đảm bảo được yêu cầu tiên

quyết là hoạt động tốt và ổn định, bên cạnh đó cần đảm bảo một số yếu tố như giá

thành thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế và những phần tử trong hệ thống phải dễ

tìm mua và giá thành cũng không 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 công nghệ gia công 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 mô 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 mô hình để sinh việc học tập và nghiên cứu. Còn thực tế để áp dụng vào việc

gia công cơ khí thì còn rất nhiều bất ổn, như đã đề cập ở trên, nếu ta dùng một máy

công cụ có độ chính xác cơ khi chưa đảm bảo để gia công chế tạo những máy công

cụ khác thì cấp độ sai số sẽ rất lớn.


SHSV: 20091468

40


CHƯƠNG III:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÔ 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

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC

Các phần tử trong hệ thống:

- Phần mềm Mach3 và máy tính: Có vai trò 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.

- Trục chính: động cơ AC 1 pha. Tạo chuyển động cắt.


SHSV: 20091468

41


- Công tắc hành trình: Giới hạn hành trình cho các bàn máy nhằm ngăn ngừa bàn

máy va chạm với các gối đỡ.

- Nguồn: nguồn cấp cho hệ thống gồm 5V và 24V.

- Đèn led báo trạng thái của hệ thống.

1.2.Động cơ bước.

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

không bằng động cơ Servo, và điều khiển ở động cơ bước là điểu khiển vòng 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 mô 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.


SHSV: 20091468

42


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 dòng 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 mô hình thực tế. Các thành phần của động cơ gồm có:

-Nam châm vĩnh cửu có một cặp cực Bắc-Nam (N-S).


SHSV: 20091468

43


-Stator 200 răng ( độ phân giải của động cơ là 1.8o ), được lái bởi các cặp cuộn

dây A1-A2 và B1-B2.

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 không 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 còn cực còn

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


SHSV: 20091468

44


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, ngoài ra các driver

chính hãng sử dụng trong công 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 còn có công 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 mô 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.

1.3.1.2. Sơ đồ chân và chức năng các chân.


SHSV: 20091468

45


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

2 GND Chân nối đất


SHSV: 20091468

46


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 mô-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 dòng 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 dòng tải ở tần công

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.


SHSV: 20091468

47


16 OSC Chân ngõ vào mạch dao động RC để qui định tần số chopper.

Khi dùng chức năng đồng bộ thì chân này nối với 0V (ngoại trừ

chip tạo dao động cho hệ đồng bộ L297).

+ Tần số: f=1/0.69RC

17 CW/CCW Chân điều khiển chiều quay động cơ. Chiều quay còn phụ thuộc

vào cách đấu dây cho động cơ

18 CLOCK Chân clock cho động cơ. Loại xung tích cực mức thấp.

Moto“bước” khi có cạnh xuống ở chân này.

19 HALF/FU

LL

Chân chọn lựa chế độ quay đủ bước, nửa bước

20 RESET Ngõ vào RESET. RESET là làm cho trạng thái động cơ trở về

vị

trí HOME (tầng 1, ABCD=0101)

1.3.1.3.Hoạt động.

IC L297 được chế tạo để dùng với mạch cầu đôi (IC tích hợp hoặc linh kiện rời)

trong các ứng dụng điều khiển động cơ bước thông dụng. Các tín hiệu vào là: xung

clock bước, tín hiệu chiều quay (quay thuận/nghịch), chế độ quay (đủ bước/nửa

bước) và xuất tín hiệu ra điều khiển phần công suất.

Nguyên lý hoạt động của L297 thực chất là bộ chuyển tín hiệu điều khiển

logic đơn giản thành chuỗi tín hiệu điều khiển các phase động cơ phù hợp. L297 có

tích hợp mạch chopper PWM giúp ổn định dòng tải trong cuộn dây động cơ. IC

L297 có thể tạo ra 3 loại chuổi xung điều khiển tùy theo tín hiều ở chân

HALF/FULL. Nhà sản xuất gọi 3 chế độ này là “bình thường” (normal – cấp điện

2 phase mỗi lần kích) và “sóng”-wave (chỉ cấp điện cho 1 phase trong mỗi lần kích)

và chế độ nửa bước (luân phiên cấp điện một phase- hai phase). Hai ngõ ra “cấm”-

inhibit, thường được kết nối trực tiếp với chân enable của L298 để xả dòng ngược

cuộn dây. Khi dùng L297 điều khiển động cơ lưỡng cực, hai tín hiệu này tác động

lên phase điều khiển.

Chân “CONTROL” để điều chỉnh giữa 2 chế độ chopper (chọn lựa chế độ


SHSV: 20091468

48


tín hiệu chopper xuất ra chân INHx hay xuất ra tín hiệu phase). Khi chopper trên

các phase, phase không tích cực (của mỗi cặp AB hoặc CD) được tích cực (thay vì

ngắt các phase rồi lại đóng phase). Trong ứng dụng của cặp L297+L298, kĩ thuật

này giúp giảm tiêu tán công suất ở điện trở cảm biến tải.

Mạch dao động nội trong chip (on-chip) kích 2 mạch chopper. Nó tạo xung

để set 2 flip-flop FF1 và FF2. Khi dòng tải trong cuộn dây bằng dòng qui định, rơi

áp trên 2 điện trở cảm ứng dòng (nối với 2 chân SENS1 và SENS2) bằng với VREH

và do đó mạch so sánh reset flip-flop ngắt dòng tải để chờ xung dao động tiếp theo.

Dòng tải đỉnh của 2 cuộn dây được đặt thông qua điện áp ở chân VREF.

Với mạch có nhiều L297, vấn đề nhiểu mass được giải quyết bằng hoạt động

đồng bộ (nối các chân SYNC với nhau, gắn mạch RC ở một L297 nào đó và nối

chân OSC ở các L297 còn lại với MASS)

1.3.1.4. Chuỗi xung pha trong các chế độ điều khiển.

Bên dưới là giản đồ chuyển đổi xung điều khiển thành xung pha của 3 chế

độ hoạt động của động cơ. Lưu y, xung clock step tích cực mức thấp nghĩa là high-

low-high. (tích cực bằng cạnh lên)

Trong giản đồ là chiều quay thuận. Để có chiều quay ngược, chỉ cần đảo

chân.

RESET để làm cho mạch xử lý trong chip (translator) về tần 1, khi đó

ABCD=0101.

a.Chế độ điều khiển nửa bước.

Để chọn chế độ điều khiển nửa bước thì chân HALF/FULL phải được đặt ở mức

cao.


SHSV: 20091468

49


Hình 3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước

Bảng 3.2 tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.

b.Chế đổ đủ bước.

Chế độ bình thường còn gọi là chế độ 2-phase-mở được thiết lập khi chân

FULL/HALF ở mức thấp. Trong chế độ này, hai chân cấm INHx luôn ở trạng mức

cao.


SHSV: 20091468

50


Hình 3.7 Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước

Bảng 3.3 Tín hiệu logic điểu khiển ra từ các pha.

1.3.2. L298

1.3.2.1 Giới thiệu

IC L298 là mạch tích hợp đơn chip có kiểu vỏ công suất 15 chân (multiwatt 15)

và PowerSO20 (linh kiện dán công suất). Là IC mạch cầu đôi (dual full-bridge)

có khả năng hoạt động ở điện thế cao, dòng cao. Nó được thiết kế tương thích

chuẩn TTL và lái tải cảm kháng như relay, cuộn solenoid, động cơ DC và động cơ

bước. Nó có 2 chân enable (cho phép) để cho phép/không cho phép IC hoạt động,

độc lập với các chân tín hiệu vào. Cực phát (emitter) của transistor dưới của mỗi


SHSV: 20091468

51


mạch cầu được nối với nhau và nối ra chân ngoài để nối với điện trở cảm ứng

dòng khi cần.Nó có thêm một chân cấp nguồn giúp mạch logic có thể hoạt động ở

điện thể thấp hơn.

1.3.2.2 Sơ đồ khối

Hình 3.8 Sơ đồ khối IC L298

1.3.2.3 Các giá trị chịu đựng tối đa

- Nguồn Vs tối đa : 50V

- Nguồn nuôi : 7V

- Điện thế vào: -0.3V – >7V

- Công suất tối tải tối đa: 25W

- Nhiệt độ tối đa 130oC


SHSV: 20091468

52


1.3.2.4 Sơ đồ chân

Hình 3.9 Sơ đồ chân IC L298

1.3.2.5 Thông số về nhiệt độ:

Kí hiệu Thông số PowerSO

20

Multiwatt15 Đơn vị

Rth-j-case Độ bền nhiệt của mối nối PN –

vỏ(MAX)

- 3 oC/W

Rth-j-amp Độ bền nhiệt của mối nối PN –

môi trường(MAX)

13(*) 35 oC/W

(*) không tính cho kiểu vỏ nhôm.


SHSV: 20091468

53


1.3.2.6.Chức năng các chân

STT Tên Chức năng

1 SENS A Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND

để điều khiển dòng tải

2 OUT 1 Đầu ra 1 của cầu A

3 OUT 2 Đầu ra 2 của cầu A

4 Vs Chân cấp nguồn cho tầng công suất. Cần có một tụ điện

không cảm kháng 100nF nối giữa chân này và chân GND

5 IN 1 Ngõ vào của cầu A

6 EN A Chân cho phép cầu A hoạt động. Khi chân này ở mức điện

áp cao sẽ cho phép cầu A hoạt đông.

7 IN 2 Ngõ vào 2 của cầu A

8 GND Chân lấy đất.

9 Vss Chân cấp nguồn cho khối logic 5V

10 IN 3 Đầu vào của mạch cầu B

11 EN B Chân cho phép cầu B hoạt động. Khi chân này ở mức điện

áp cao sẽ cho phép cầu B hoạt đông

12 IN 4 Đầu vào của mạch cầu B

13 OUT 3 Đầu ra của mạch cầu B

14 OUT 4 Đầu ra của mạch cầu B


SHSV: 20091468

54


1.3.2.7 Thông tin ứng dụng.

Mạch cầu H kép L298 của SGS-Thompson (và các hãng khác) có thể điều khiển

dòng điện lên tới 2A trên một kênh và được đóng vỏ như một linh kiện công suất,

ta có thể nối hai cầu H bên trong một vỏ LS298 thành một cầu H 4A .

IC L298 tích hợp 2 tầng công suất (A, B). Tần công suất chính là mạch cầu

và ngõ ra của nó có thể lái các loại tải cảm thông dụng ở nhiều chế độ hoạt

động khác nhau (tùy thuộc vào sự điều khiển ở ngõ vào) Dòng điện từ chân ngõ

ra chảy qua tải đến chân cảm ứng dòng : điện trở ngoài RSA, RSB cho phép việc

cảm ứng cường độ dòng điện này.

Mỗi cầu được điều khiển bởi 4 cổng ngõ vào In1, In2, EnA, và In3, In4, EnB.

Các chân In có tác dụng khi chân En ở mức cao, khi chân En ở mức thấp, các

chân ngõ vào In ở trạng thái cấm. Tất cả các chân đều tương thích với chuẩn TTL.

1.3.3. Ghép L297 với L298

Dựa vào datasheet ta có mạch ghép nối L297 với L298 như hình :

Hình 3.10 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298

15 SENS B Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND

để điều khiển dòng tải

http://www.st.com/


SHSV: 20091468

55


Với kiểu kết nối như hình trên ta có thể điều khiển động cơ bước với dòng điện

trong mỗi pha lên đến 2A.

L297 nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển của hệ thống,thường là vi điều

khiển và cung cấp các tín hiệu cần thiết.Ngoài ra nó còn chứa mạch chopper PWM

để điều khiển các cuôn dây của động cơ.

Dưới đây là sơ đồ nguyên ly driver điều khiển động cơ bước.

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước


SHSV: 20091468

56


1.4.Mạch breakout giao tiếp máy tính.

Trong hệ thống điều khiển máy phay CNC, phần kết nối giữa máy tính và máy

CNC là một phần rất quan trọng. Hiện nay để giao tiếp giữa máy CNC và máy tính

thường giao tiếp qua cổng LPT và cổng USB. Mỗi phương các giao tiếp đều có

những ưu và nhược điểm khác nhau.

Đối với mạch giao tiếp máy tính bằng cổng USB thì có nhiều ưu điểm như hiện

đại hơn, dễ dàng giao tiếp với mọi máy tính vì cổng USB trên mọi máy tính đều có.

Tuy nhiên phương thức giao tiếp này gặp một vấn đề là mạch chuyển đổi dữ liệu từ

lệnh trên máy tính rất phức tạp, chế tạo rất đắt tiền.

Mạch giao tiếp máy tính qua cổng LPT thì có phần cổ điển hơn. Mạch giao tiếp

thiết kế rất đơn giản và rẻ tiền. Tuy nhiên cũng tồn tại một vấn đề là các máy tính

sản xuất từ năm 2005 trở đi đã bỏ đi cổng LPT, kể cả các main PC cũng đã không

còn thấy xuất hiện cổng giao tiếp này. Do vậy để có một máy tính sử dụng để điều

khiển máy CNC của ta lại là một vấn đề khó. Nhưng do máy CNC thường để cố

định một vị trí trong xưởng và máy tính đi kèm cũng vậy nên ta có thể sử dụng máy

tính bàn là hợp lý. Các main PC ngày nay tuy không có cổng giao tiếp LPT nhưng

chúng lại được trang bị cổng PCI express mở rộng. Từ cổng PCI express ta có thể

cắm thêm card PCI to LPT để giao tiếp với máy CNC.

Như vậy việc chọn giao tiếp máy tính qua cổng LPT mang lại lợi ích về kinh tế

hơn rất nhiều so vơi giao tiếp máy tính qua cổng USB. Nhưng yếu điểm của phương

pháp giao tiếp qua cổng LPT hoàn toàn không ảnh hưởng gì đến hệ thống điều khiển

máy CNC.

1.4.1.Cổng giao tiếp LPT.

*.Cấu trúc cổng song song:

Cổng song song có 2 loại là loại chân cắm 36 chân và loại chân cắm 25 chân.

Ngày nay, loại ổ cắm 36 chân không còn được sử dụng, hầu hết các máy tính PC

đều trang bị cổng song song 25 chân nên ta chỉ cần quan tâm đến loại 25 chân.


SHSV: 20091468

57


Hình 3.12 Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân.

Bảng 3.4 Chức năng các chân cổng LPT

Tên của tín hiệu

Strobe

D0

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

Acknowledge

Busy (báo bận)

Paper empty (hết giấy)

Select (lựa chọn)

Auto Linefeed (tự động nạp

dòng)

Error (mắc lỗi)

Chân số

(chân số 25 chân)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Chân số

(ổ cắm 36 chân)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

32

31


SHSV: 20091468

58


Reset (đặt lại)

Select Input (lựa chọn lối

vào)

Ground (nối đất – 0V)

Signal – Ground (nối đất của

tín hiệu)

Chassis – Ground (vỏ máy

nối đất)

+5V

Không sử dụng

17

18-25

36

19-30, 33

16

17

18

34, 35

Tín hiệu ở các chân trên ổ cắm 25 chân và 36 chân để trong trương hợp cần

thiết có thể so sánh.

Sau đây là chức năng của các đương dẫn tín hiệu:

Hình 3.13 Sơ đồ chức năng các chân.

Strobe (1): Với một mức logic thấp ở chân này, máy tính thông báo cho máy

in biết có một byte đang sẵn sàng trên các đường dẫn tín hiệu để được truyền.

D0 đến D7: Các đường dẫn dữ liệu

Acknowledge: với một mức logic thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy

tính biết là đã nhận được kí tự vừa gửi và có thể tiếp tục nhận.


SHSV: 20091468

59


Busy (bận – 11): máy in gửi đến chân này mức logic cao trong khi đang đón

nhận hoặc in ra dữ liệu để thông báo cho máy tính biết là các bộ đệm trong máy

tính biết là các bộ đệm trong máy tính đã bị đầy hoặc máy in trong trạn thái Off-

line.

Paper empty (hết giấy – 12): Mức cao ở chân này có nghĩa là giấy đã dùng

hết.

Select (13): Một mức cao ở chân này, có nghĩa là máy in đang trong trạng

thái kích hoạt (On-line) Auto Linefeed (tự nạp dòng): Có khi còn gọi là Auto Feed.

Bằng một mức thấp ở chân này máy tính PC nhắc máy in tự động nạp một dòng

mới mỗi khi kết thúc một dòng.

Error (có lỗi): Bằng một mức thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy

tính là đã xuất hiện một lỗi, chẳng hạn kẹt giấy hoặc máy in đang trong trạng thái

Off-Line.

Reset (đặt lại): Bằng một mức thấp ở chân này, máy in được đặt lại trạng thái

được xác định lúc ban đầu.

Select Input: bằn một mức thấp ở chân này, máy in được lựa chọn bởi máy tính.

Qua cách mô tả chức năng của từng tín hiệu riêng lẽ ta có thể nhận thấy các

đương dẫn dữ liệu có thể chia thành 3 nhóm:

- Các đường dẫn tín hiệu, xuất ra từ máy tính PC và điều khiển máy tính, được gọi

là các đường dẫn điều khiển.

- Các đường dẫn tín hiệu, đưa các thông tin thông báo ngược lại từ máy in về máy

tính, được gọi là các đường dẫn trạng thái.

- Đường dẫn dữ liệu, truyền các bit riêng lẻ của các ký tự cần in.

Các đường dẫn của cổng song song được nối với ba thanh ghi 8bit khác nhau:

Thanh ghi dữ liệu

Thanh ghi trạng thái

Thanh ghi điều khiển


SHSV: 20091468

60


Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC

Bảng 3.5 Địa chỉ cổng LPT

Cổng song song

(LPT)

Địa chỉ thanh ghi

dữ liệu


trạng thái


điều khiển

LPT1

LPT2

LPT3

378h

278h

2BCh

379b

279b

2BDh

37Ah

27Ah

2BEh

1.4.2. IC 74HC245.

a, Chức năng : Đệm dữ liệu 2 chiều , thường ứng dụng trong các mạch sử

dụng led như quét led matrix , led 7 , hoặc đệm dữ liệu trên bus với các mạch sử

dụng nhiều linh kiện mắc song song

b.Sơ đồ chân:

Hình 3.14 Sơ đồ chân IC74HC245


SHSV: 20091468

61


Hình 3.15 : Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245

Chức năng các chân:

Chân 1: Dir là chân cho phép mở chiều đi của dữ liệu. Nếu Dir=1 thì dữ liệu cho

phép đi từ A đến B và ngược lại khi Dir=0.

Chân 2 đến 9 : Là 8 chân dữ liệu vào ra của đẩu A

Chân từ 11 đến 18: Là 8 chân dữ liệu vào ra của đầu B

Chân 19: OE chân cho phép . Nếu OE=0 dữ liệu được xuất ngược lại nguồn cấp.

Chân 20: Chân nối đất.

c. Cấu tạo bên trong:


SHSV: 20091468

62


Hình 3.16 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245

Các thông tin khác về IC 74HC245 ta có thể tra trong datasheet mà hãng sản

xuất cung cấp.

1.4.3.Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT

Từ chức năng các chân tín hiệu của cổng LPT và chức năng ra và các IC, ta xây

dựng được sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT như sau:


SHSV: 20091468

63


Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT

Nguyên lý hoạt động của mạch:

Tín hiệu từ máy tính cấp đến cổng LPT qua cáp. Từ đây tín hiệu được phân chia

thành các tín hiệu điều khiển các động cơ các tín hiệu ra vào phần mềm.

Các chân từ 2 đến 9 là chân tín hiệu ra điều khiển các động cơ dẫn động các trục.

Các tín hiệu ra từ chân số 2 đến số 7 cấp đến driver động cơ bước. Chân số 2, 4, 6

là tín hiệu điều khiển hướng quay trục X, Y, Z. Chân số 3, 5, 7 là chân xung cấp

đến các driver. Riêng chân số 8 và 9 ta có thể mở rộng điều khiển thêm 1 trục nữa.

Tín hiệu điều khiển các động cơ trục X, Y, Z được đưa qua IC 74HC245 để bảo

vệ máy tính khi có sự cố trên mạch.

Các tín hiệu từ chân 1, 14, 16, 17 là chân tín hiệu ra có chức năng đóng mở các

thiết bị ngoại vi như bơm làm mát, quạt gió.... Các chân ra được cách ly với máy

tính bơi IC PC817 nhằm bảo máy tính khi có sự cố hệ thống.

Các chân tín hiệu 10, 11, 12, 13, 15 là chân nhận tín hiệu vào từ thiết bị cảm biến

hay công tắc hành trình, các tín hiệu vào này cũng được đưa qua IC 74HC245 để

bảo vệ máy tính.


SHSV: 20091468

64


Các chân từ 18 đến 25 nối đất.

II. Thiết kế mạch điều khiển CNC tương thích với phần mềm Mach3.

2.1.Giới thiệu chức năng mạch CNC.

Dưới đây là hình ảnh mạch:

Hình 3.18 Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver

Trên thị trường hiện nay các mạch điều khiển CNC nhưng giá thành khá cao so

với thu nhập của sinh viên nên em đã đi đến y tưởng xây dựng một mạch điều khiển

CNC với giá thành rẻ có thể áp dụng vào việc nghiên cứu học tập. Ngoài ra mạch

còn có thể sử dụng điều khiển máy CNC tự chế tại các xưởng vừa và nhỏ.

Mạch điều khiển CNC do em thiết kế có một số đặc điểm sau:

- Tương thích hoàn toàn với phần mềm Mach3.

- Sử dụng để điều khiển động cơ bước. Mạch có tích hợp bộ điều khiển động cơ

bước nên không cần thêm driver cho động cơ bước.


SHSV: 20091468

65


- Mạch CNC giao tiếp với máy tính qua cổng LPT 25 chân.

- Mạch có thể điều khiển được tối đa 4 trục.

- Số đầu vào tín hiệu từ cảm biến hay công tắc hành trình là 5.

- Số đầu ra để bật tắt các thiết bị ngoài là 4.

- Có thể điều khiển công suất mạch thông qua biến trở.

- Dòng ra nuôi động cơ bước tối đa là 3A.

- Nguồn vào 24-36V

Với một mạch điều khiển CNC như trên thì việc nghiên cứu và chế tạo máy

CNC trở nên rất đơn giản, kể cả với những bạn sinh viên đam mê nghiên cứu hay

những xưởng sản xuất nhỏ lẻ.

Dưới đây là hình ảnh đi dây và bố trí linh kiện trên mạch in. Để thiết kế mạch

in em đã sử dụng phần mềm thiết kế mạch điện Proteus 8.0.

Hình 3.19 Sơ đồ đi dây trên board


SHSV: 20091468

66


2.2.Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC.

Dưới đây là sơ đồ nguyên ly mà em đã thiết kế:

Hình 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC

Mạch nguyên ly gồm các khối chính sau:

1.Khối đầu vào và ra của tín hiệu.

2.Khối mạch công suất.

3.Khối đèn báo

4.Khối nguồn

5.Khối bảo vệ máy tính và bảo vệ mạch.

6.Khối điều chỉnh chế độ điều khiển.


SHSV: 20091468

67


2.3.Sử dụng các cổng ra vào và cài đặt trên Mach3.

* Các cổng vào.

Hình 3.21 Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp

Cổng này được kết nối với máy tính thông qua cap LPT, máy tính vào mạch sẽ

giao tiếp 2 chiều thông qua cổng LPT này, do vậy ta cần có những cách ly quang

để bảo vệ máy tính trong trường hợp sảy ra hiện tượng chập điện tại mạch.

Trên máy tính thì địa chỉ cổng LPT là 378H nên muốn Mach3 nhận được mạch

CNC thì ta cần nhập địa chỉ cổng trong Mach3 như hình vẽ.


SHSV: 20091468

68


Hình 3.22 Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3

Vào mục Config -> Ports and Pins

Hình 3.23 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin

Mọi thông số để như hình vẽ trên.


SHSV: 20091468

69


Hình 3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC

Mỗi đầu vào gồm hai chân IN+ và IN- . Để sử dụng các cổng IN1 đến IN5 ta cần

mắc một nguồn 5V vào hai đầu IN+ và IN- của mỗi cặp chân vào, IN+ là nguồn

5V, IN- là nối đất. Khi mạch ngoài cấp 5V vào hai chân IN+ và IN- đóng thì mạch

nhận tín hiệu vào. Tín hiệu vào này sẽ gửi tới chân tương ứng của cổng LPT và cuối

cùng là đến phần mềm Mach3.

Để cài đặt cổng vào trong phần mềm Mach3 ta vào Config -> Ports and

Pins sau đó chọn Input Signals

Hình 3.25 Cài đặt cổng vào trong Mach3


SHSV: 20091468

70


Tại cửa sổ này ta chọn tín hiệu ra cần sử dụng. Các đầu vào thường dùng là Estop

và Công tắc hành trình.

Với đầu vào là Estop, giả sử chọn đầu vào là IN1 ứng với chân 10 của cổng

LPT thì ta tích vào Enable ứng với dòng Estop và điền số Pin number là 10 như

hình vẽ dưới, mạch không để ở chế độ hoạt động ở mức thấp nên ô Active low để

dấu x.

Hình 3.26 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3

Với đầu vào là công tắc hành trình ta cài đặt như hình vẽ.

Hình 3.27 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3

Ở đây là cài đặt khi cả 6 cữ hành trình được mắc nối tiếp ở chế độ thường đóng,

khi một trong các công tắc hành trình bị tác động, mạch ngoài bị ngắt, khi đó do để

chế độ hoạt động của chân vào là Active low phần mềm sẽ nhận tín hiệu vào khi

công tắc hành trình bị tác động. Chân vào mà ta sử dụng trên mạch là chân IN2

tương ứng với chân số 11 của cổng LPT.

*Các cổng ra.


SHSV: 20091468

71


Cổng tín hiệu ra các động cơ bước.

Hình 3.28 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý.

Có tất cả 16 đầu ra tới các động cơ bước để điều khiển 4 trục X, Y, Z và A.

Mỗi trục cần 4 tín hiệu a, b, c, d để điều khiển như hình vẽ. Nếu động cơ bước sử

dụng là lưỡng cực thì ta mắc lần lượt các pha A, B, C và D của động cơ theo thứ tự

lần lượt vào 4 pha ra của một trục trên mạch, ta chỉ cần mắc lần lượt theo đúng thứ

tự A, B, C, D mà không cần quan tâm đầu ra của pha A trên mạch có ứng với đầu

pha A trên động cơ không, miễn sao là tất cả các động cơ đểu mắc theo một thứ tự

để dễ cài đặt trên phần mềm.

Trên Mach3 ta cài đặt tín hiệu điều khiển các trục như sau:

Hình 3.29 Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3


SHSV: 20091468

72


Ta vào Config -> Ports and Pins chọn thanh công cụ Output Signals. Nếu sử dụng

các trục X, Y, X thì ta tích Enable vào các dòng tương ứng, các tín hiệu Step và Dir

được thiết lập như hình vẽ.


*Kết quả đạt được :

- Tìm hiểu được nguyên lý tín hiệu từ phần mềm Mach3 ra cổng LPT

- Thiết kế thành công hệ thống điều khiển mô hình máy phay CNC điều khiển

bằng phần mềm Mach3

- Nghiên cứu và thiết kế mạch thành công mạch CNC tương thích với phần

mềm Mach3.

*Những hạn chế :

- Hệ thống điều khiển kết nối máy tính qua cổng LPT đã lỗi thời.

- Chưa phát triển được hệ thống thay dao tự động vào mô hình.

- Mạch điều khiển CNC tự thiết kế chỉ điều khiển được động cơ bước với

dòng tải tối đa là 3A

- Chưa kiểm nghiệm được độ bền của mạch điều khiển CNC trong điều khiển

nhiều bụi tại nhà xưởng.

*Hướng phát triển:

- Chế tạo mạch điều khiển CNC có thể điều khiển động cơ Servo

- Thêm chức năng điều khiển trục chính cho mạch CNC.


SHSV: 20091468

73


CHƯƠNG IV : CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Sau nhiều tháng nghiên cứu và chế tạo nhóm đã chế tạo thành công mô hình máy

phay CNC 3 trục và đã tiến hành gia công một số sản phẩm trên gỗ và nhựa. Dưới

đây là hình mô hình máy phay của nhóm.

Hình 4.1 : Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục


SHSV: 20091468

74


Hình 4.2 Mô hình 3D máy phay CNC

I.Chế tạo.

Các thông số ban đầu:

- Kích thước bàn máy: 500 x 400 x 200 mm

- Kích thước phôi gia công lớn nhất: 240x300x100 mm

Dựa vào kích thước bàn máy dự tính ban đầu em tính toán thiết kế khung bàn máy

bằng phương pháp hàn. Vật liệu làm khung là thép hộp chữ nhật kích thước


SHSV: 20091468

75


20mmx40mm, sử dụng thép hộp để đảm bảo tính cứng vững và trọng lượng toàn

bàn máy không quá lớn. Dưới đây là tính toán sơ bộ kích thước các bộ phận của mô

hình máy phay CNC.

Khung máy :Tại khung đế ta lắp cơ cấu dẫn động cho bàn Y gồm các thanh day dẫn

hướng và một vít mebi. Tính toán sơ bộ ta có kính thước khung đế 600x400x230

và có kết cấu như hình vẽ.

Hình 4.3: Kết cấu khung đế của mô hình.


SHSV: 20091468

76


Hình 4.4 Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng.

Hình 4.5 Hình chiếu đứng mô hình máy phay


SHSV: 20091468

77


Hình 4.6 Hình chiếu cạnh mô hình máy phay

Hình 4.7 Hình chiếu bằng mô hình máy phay


SHSV: 20091468

78


Dẫn hướng: cơ cấu dẫn hướng, cụ thể là thanh dẫn hướng được sử dụng để dẫn

hướng chuyển động trong cơ cấu, chịu lực cắt ngang đảm bảo độ chính xác gia

công.

Hình 4.8 Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin

Chúng tôi lựa chọn dẫn hướng của hãng Hiwin, cách tính chọn và kiểm

nghiệm được thực hiện theo hướng dẫn kèm theo của hãng.

Hình 4.9 Thông số chọn ray dẫn hướng

Ta chọn được ray dẫn hướng phù hợp:

series HGH 15 C A (None) 2 R 350 (None) Z0 C II DD/E2/RC


SHSV: 20091468

79


Hình 4.10 Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA

- Truyền động: với kết cấu nhỏ, tải thấp ta chọn sử dụng vít me bi. Vít me bị có

nhiệm vụ biến chuyển động quay của động cơ thành tịnh tiến của bàn máy tạo ra

lực cắt, vít me bi sẽ chịu lực dọc trục.

Bước của vít me được chọn theo tốc độ di chuyển của bàn.

Độ dài vít me được chọn theo kết cấu bàn máy.

Đường kính được chọn dựa theo tải trọng.

Các thông số khác được tùy chọn phù hợp theo hướng dẫn của nhà cung cấp.


SHSV: 20091468

80


Hình 4.11 Đai ốc lắp kiểuFSWC

Chọn vít-me

series: 4R16-10B2-1FSWC

Đường kính 16mm

Bước vít 10mm

- Động cơ: chọn sử dụng động cơ step.

Để chọn được động cơ, ta cần tính được tải đặt lên động cơ khi hoạt động từ đó

suy ra được momen cần thiết.

Từ tốc độ yêu cầu ta tính ra được tốc độ vòng quay của động cơ. Như

vậy với hai thong số momen và tốc độ ta có thể chọn ra được động cơ.

II. Lập trình gia công sản phẩm.

Các bước lập trình và gia công sản phẩm:


SHSV: 20091468

81


Hình 4.12 Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay CNC

Bước 1: Lập trình trên Notepad hoặc dùng các phần mềm CAD/CAM để có file

Gcode.

Hình 4.13 Lập trình tay trên Notepad

Hình 4.14 Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode


SHSV: 20091468

82


Bước 2: Nạp chương trình vừa có được vào phần mềm Mach3. Ta vào file-> load

Gcode hoặc nháy vào load Gcode trên giao diện điều khiển. Phần mềm Mach3 có

thể nhận các file *.txt từ Notepad và file *.nc từ phần mềm CAM.

Hình 4.15 Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển.

Bước 3: Lấy gôc phôi. Ta di chuyển bàn máy về vị trí góc phôi. Chú y đến hướng

dương của các trục X và Y sao cho phù hợp với gốc phôi đã chọn trong khi lập

trình. Sau đó trên phần mềm Mach3 ta nháy phím RESET rồi đưa các trục tọa độ

về 0.0

Hình 4.16 Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3


SHSV: 20091468

83


Hình 4.17 Khung điều khiển các trục tọa độ.

Bước 4: Kiểm tra lại máy và chạy chương trình gia công.

Hình 4.18 Khung điều khiển quá trình gia công

Ta nháy Cycle Start để bắt đầu chạy chương trình. Stop để tạm dừng chương trình.

Khung Feed Rate để tăng hoặc giảm tốc độ nội suy.

Dưới đây là một số hình ảnh quá trình chế tạo mô hình và một số sản phẩm mà

nhóm em đã thực hiện gia công trên mô hình máy phay CNC.


SHSV: 20091468

84


Hình 4.19 Mạch điều khiển trong mô hình


SHSV: 20091468

85


Hình 4.20 Quá trình chạy demo để test mô hình


SHSV: 20091468

86


Hình 4.21 Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình


SHSV: 20091468

87



*Kết quả đạt được:

- Chế tạo thành công mô hình máy phay CNC 3 trục.

- Máy chạy ổn định và độ chính xác ở mức độ vừa phải.

- Thực hiện gia công được một số sản phẩm thực trên máy.

*Những điểm hạn chế:

- Máy mới chỉ gia công được những vật liệu có độ cứng vừa phải như gỗ và nhưa.

- Chưa có bộ phận thay dao.

- Sử dụng động cơ bước để truyền động các trục nên có hiện tượng trượt bước khi

quá tải.

- Chưa có bộ phận làm mát.

- Hình trình của các bàn máy còn nhỏ.

*Hướng phát triển:

- Thay động cơ bước bằng động cơ Servo để hệ máy chính xác hơn.

- Chế tạo phần cơ khí đồng bộ và chính xác hơn để có thể gia công các vật liệu có

độ cứng cao hơn.


SHSV: 20091468

88


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1].Giáo trình Công nghệ CNC - GS TS Trần Văn Dịch, NXB khoa học và kỹ thuật

Hà nội 2004.

[2].Giáo trình CAD-CAM-CNC –Nguyễn Ngọc Đào – NXB Trường đại học sư

phạm kỹ thuật TP HCM

[3].How to make your own CNC machine - Nguồn internet

http//www.buildownCNC.com

[4]. Giáo trình Kỹ thuật điện tử - Đỗ Xuân Thụ ,NXB giáo dục

[5]. Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho

máy CNC – Phạm Quang Khải –Ngành cơ điện tử ĐH Bách Khoa Hà Nội 2013.

[6].Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng chuyền động

cho bàn máy CNC- Tạ Minh Tiến – Ngành tự động hóa, Đại học Thái Nguyên 2004.

[7].Thông tin máy CNC và mạch điều khiển CNC trên website:

http//www.thegioiCNC.com

[8].datasheet các IC L297, L298, 74HC245 – datasheet do nhà sản xuất cung cấp.

[9]. Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ - Tạ Duy Liêm, Nhà xuất bản.

[10]website: http://.www.machviet.com/

Khoa học và Kỹ thuật.

Phụ Lục

-Phụ lục 1 .Bản vẽ sơ đồ tín hiệu điều khiển toàn hệ thống máy phay CNC.

-Phụ lục 2.Bản vẽ sơ đồ điều khiển toàn hệ thống mô hình máy phay CNC.

-Phụ lục 3.Bản vẽ sơ đồ nguyên ly mạch điều khiển CNC.

-Phụ lục 4.Bản vẽ sơ đồ nguyên ly các IC trong mạch điều khiển CNC.

-Phụ lục 5.Lưu đồ quá trình thiết kế và gia công sản phẩm.

cnc

Documents