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
4.2.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
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
3.2 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
4.18 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
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.
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.
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 1.4 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...
-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..
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.
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.
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.
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.
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 ...
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.
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 lý 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 lý 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.
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.
- 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 ý 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:
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 ý 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 2.4 Driver servo và động cơ Servo
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.
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.
- 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.
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....
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 2.12 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.
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
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.
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
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 lý 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
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 2.22 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
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,
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 lý 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 2.25 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.
6.3.2: Sơ đồ lấy dao
thành thấp, phù hợp với điều kiện kinh tế và những phần tử trong hệ thống phải dễ tìm mua và giá thành cũng 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.
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.
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.
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:
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
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.
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
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.
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.
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 ý, 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.
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.
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
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
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
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
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 :
15 SENS B Nối chân này qua điện trở cảm ứng dòng xuống GND để điều khiển dòng tải
Dưới đây là sơ đồ nguyên lý driver điều khiển động cơ bước.
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.
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
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
