Tài liệu đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển máy phay cnc 3 trục

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 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM Mục lục hình vẽ Số hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 3.1 Tên hình vẽ Mô hình điều khiển DNC Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM Cơ sở của các máy CNC Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC Lưu đồ điểu khiển hệ CNC Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay Lưu đồ lập trình bằng máy Cấu trúc của hệ CNC Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục Động cơ AC Servo. Cấu tạo động cơ Servo Driver servo và động cơ Servo Sơ đồ ghép nối động cơ với driver Mạch AKZ250 Chân điều khiển các trục Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp Biến tần của hãng SEIMENS Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC Công tắc hành trình D4MC-5000 Nút nhấn không đèn YW1B Nút dừng khẩn Đèn báo IDEC Nguồn DC 24V Sơ đồ modul thay dao tự động. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Sơ đồ thuật toán trả dao Sơ đồ thuật toán lấy dao Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC Trang 7 8 8 9 11 12 13 14 15 18 19 20 21 21 23 24 25 25 26 26 27 27 29 30 30 31 32 32 32 32 33 34 35 36 37 38 40 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 GVHD: ThS. TRẦN LÂM Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực. Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực. Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực Bố trí các chân của ic L297 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước Sơ đồ khối IC L298 Sơ đồ chân IC L298 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân Sơ đồ chức năng các chân cổng LPT Sơ đồ chân IC74HC245 Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver Sơ đồ đi dây trên board Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC Cài đặt cổng vào trong Mach3 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý. Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3 Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục Mô hình 3D máy phay CNC Kết cấu khung đế của mô hình Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng. Hình chiếu đứng mô hình máy phay Hình chiếu cạnh mô hình máy phay Hình chiếu bằng mô hình máy phay Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin Thông số chọn ray dẫn hướng Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA Đai ốc lắp kiểuFSWC 42 43 43 45 49 50 51 52 54 55 57 58 60 61 62 63 64 65 66 67 68 68 69 69 70 70 71 71 73 74 75 76 76 77 77 78 78 79 80 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 GVHD: ThS. TRẦN LÂM Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay CNC Lập trình tay trên Notepad Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3 Khung điều khiển các trục tọa độ. Khung điều khiển quá trình gia công Mạch điều khiển trong mô hình Quá trình chạy demo để test mô hình Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình 81 81 81 82 83 83 84 84 85 85 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 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. Z Y X 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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... Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM -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.. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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 Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM - 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 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: a.Momen khởi động động cơ. Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 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 2.3 Cấu tạo động cơ Servo Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI SHSV: 20091468 20