ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế và Điều khiển máy khoan CNC 3 trục

LỜI NÓI ĐẦU

Hòa nhịp cùng với sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa thì ngành cơ khí nước ta trong những năm qua đã có những bước phát triển đáng kể. Việc nắm bắt, nghiên cứu và ứng dụng kịp thời các công nghệ kĩ thuật phát triển, cũng như các thiết bị, linh kiện mới là một việc quan trọng góp phần đưa đất nước ta bắt kịp tiến độ phát triển với các nước trên thế giới.Trong xu thế ngành cơ điện tử đã được hình thành và phát triển đã tạo sự thay đổi lớn khi biết cách phối hợp các công nghệ sẵn có. Sự kết hợp này hình thành nhiều đặc điểm mà các ngành trước đây không có, chính vì vậy ngành cơ điện tử ngày càng phát triển và phát huy sức mạnh của mình, nhưng để nắm bắt được kiến thức mới thì đòi hỏi bản thân ta phải nắm vững những kiến thức căn bản, đặt biệt là ở lĩnh vực điều khiển chính xác.

 Do đó, nhóm đã thống nhất chọn đề tài “ Thiết kế- Thi công- Điều khiển mô hình máy khoan CNC 3 trục ” nhằm giới thiệu cho người đọc cách thức căn bản để điều khiển động cơ nói riêng và thiết bị nói chung từ đó làm nền tảng để phát triển những ứng dụng mới.

Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm, mặc dù rất cố gắng song không thể tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm nhất định, rất mong nhận được ý kiến xây dựng tích cực của quý thầy cô và các bạn để chúng tôi hoàn chỉnh hơn về nội dung cũng như về hình thức.

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MÁY KHOAN CNC 3 TRỤC............................................... 1

1.1 Tổng quan về máy khoan CNC 3 trục:....................................................................... 1

1.1.1 Giới thiệu:................................................................................................................... 1

1.1.2 Lịch sử hình thành:.................................................................................................... 1

1.1.3 Ứng dụng:.................................................................................................................... 2

1.1.4 Ưu điểm:...................................................................................................................... 2

1.1.5 Nhược điểm:............................................................................................................... 2

1.2 Các công việc cần phải thực hiện:.............................................................................. 2

1.3 Dự đoán những khó khăn:............................................................................................ 3

1.4 Hướng giải quyết:.......................................................................................................... 3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG........................................................................... 4

2.1.Thiết kế cơ khí :............................................................................................................. 4

2.1.1.Chọn vít me:............................................................................................................... 4

2.1.2 Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ:.................................................. 6

2.1.3 Động cơ DC servo và động cơ DC:.......................................................................... 7

2.1.4. Bộ truyền đai:............................................................................................................ 9

2.1.5 Cấu tạo sơ bộ:........................................................................................................... 10

2.1.6  Kết cấu của từng bộ phận:..................................................................................... 11

2.1.7 Tính toán bộ truyền đai:......................................................................................... 14

2.2 Thiết kế phần cứng:.................................................................................................... 19

2.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống:................................................................................ 19

2.2.2 Phân tích chức năng:............................................................................................... 20

2.3 Thiết kế mạch điện tử:................................................................................................ 19

2.3.1 Mạch PIC 16F887.................................................................................................... 19

2.3.2 Mạch LM629:........................................................................................................... 23

2.3.3 Mạch công suất LMD18200 + Cach li:................................................................ 29

2.3.4 Mạch RS232:............................................................................................................ 31

2.3.5 Công tắc hành trình:................................................................................................ 32

2.3.6 Mạch nguồn:............................................................................................................. 33

2.3.7 Mạch relay:............................................................................................................... 34

CHƯƠNG 3: VI XỬ LÝ ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM.................................................. 39

3.1 Vi xử lý điều khiển LM629:...................................................................................... 39

3.1.1 Giới thiệu:................................................................................................................. 39

3.1.2 Nguyên lý hoạt động:.............................................................................................. 40

3.1.3 Tinh chỉnh bộ lộc PID:............................................................................................ 44

3.1.4 Tập lệnh:................................................................................................................... 49

CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN PID..................................... 67

4.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID:................................................................................... 67

4.1.1 Khâu P:...................................................................................................................... 68

4.1.2 Khâu I: ...................................................................................................................... 69

4.1.3 Khâu D:..................................................................................................................... 70

4.1.4 Tổng hợp 3 khâu – Bộ điều khiển PID:................................................................ 72

4.1.5 Rời rạc hóa bộ điều khiển PID:.............................................................................. 73

CHƯƠNG 5: LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT.............................................................................. 74

5.1 Tổng quát..................................................................................................................... 74

5.2 Sơ đồ điều khiển các trục.......................................................................................... 74

5.3 Sơ đồ đọc file TXT...................................................................................................... 75

5.4 Lưu đồ giải thuật điều khiển máy khoan mạch in giao tiếp với máy tính.......... 76

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................................................ 77

6.1 Kết quả đạt được:........................................................................................................ 77

6.2 Kết quả chưa đạt được :............................................................................................. 77

6.3 Hướng phát triển :....................................................................................................... 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................. 78

DANH MỤC CÁC BẢNG, SƠ ĐỒ, HÌNH

BẢNG 2.1 Thông số chip 74HC245.

BẢNG 2.2 Mô tả các chân RS232.

BẢNG 2.3 Thông số điện áp hoạt động.

BẢNG 3.1 Thông số điện áp hoạt động.

BẢNG 3.2 Danh sách tập lệnh.

BẢNG 3.3: Mặt nạ ngắt của LM629.

BẢNG 3.4: Các bit xác định tham số bộ lọc.

BẢNG 3.5  Bảng tra thời gian lấy mẫu khâu vi phân.

BẢNG 3.6 Các bit quy định quỹ đạo chuyển động.

BẢNG 3.7 Byte trạng thái.

BẢNG 3.8 Thanh ghi tín hiệu.

SƠ ĐỒ 2.1 Sơ đồ khối hệ thống.

SƠ ĐỒ 3.1: Sơ đồ khối của LM629.

HÌNH 2.1 Bộ truyền vitme đai ốc thường.

HÌNH 2.2 Bộ truyền vít me – đai ốc bi.

HÌNH 2.3 Động cơ DC servo.

HÌNH 2.4 Cấu tạo encoder.

HÌNH 2.5 Cấu tạo truyền đai giữa động cơ và vit me.

HÌNH 2.6 Mô hình 3D.

HÌNH 2.7 Trục X.

HÌNH 2.8 Truc Y.

HÌNH 2.9 Trục Z.

HÌNH 2.10 Thanh trượt.

HÌNH 2.11 Mạch thực tế của hệ thống.

HÌNH 2.12 Mạch kết nối vi điều khiển với LM629.

HÌNH 2.13 Sơ đồ nguyên lý PIC16F887.

HÌNH 2.14 Sơ đồ chân PIC16F887.

HÌNH 2.15 Ảnh thực tế PIC16F887.

HÌNH 2.16 Sơ đồ nguyên lý LM629.

HÌNH 2.17 Mạch LM629.

HÌNH 2.18 Sơ đồ chân LM629.

HÌNH 2.19 IC 74HC245.

HÌNH 2.20 Cấu trúc chân của IC 74HC14.

HÌNH 2.21 Sơ đồ nguyên lý LMD18200.

HÌNH 2.22 Mạch công suất LMD18200.

HÌNH 2.23 Sơ đồ nguyên lý giao tiếp RS232.

HÌNH 2.24 Mạch RS232.

HÌNH 2.25 Sơ đồ nguyên lý công tắc hành trình.

HÌNH 2.26 Mạch nguồn 5V.

HÌNH 2.27 Mạch nguồn và 24V.

HÌNH 2.28 Sơ đồ nguyên lý mạch Relay.

HÌNH 2.29 Mạch Relay.

HÌNH 2.30 Relay 24V.

HÌNH 2.31 IRF 3205.

HÌNH 2.32 D468.

HÌNH 3.1 Hồi tiếp vị trí.

HÌNH 3.2 Profile hình thang điển hình.

HÌNH 3.3 Hoạt động đọc byte  rạng thái.

HÌNH 3.4 Hoạt động ghi byte lệnh.

HÌNH 3.5 Hoạt động đọc dữ liệu.

HÌNH 3.6 Hoạt động ghi dữ liệu.

HÌNH 3.7 Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động 8 MHz.

HÌNH 4.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID.

HÌNH 4.2 Đáp ứng của khâu P.

HÌNH 4.3 Đáp ứng quá độ của khâu I và khâu PI.

HÌNH 4.4  Đáp ứng của khâu D và PD.

HÌNH 4.5 Đáp ứng của khâu P, PI và PID.

HÌNH 4.6 Sơ đồ khối PID.

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MÁY KHOAN CNC 3 TRỤC

1.1 Tổng quan về máy khoan CNC 3 trục:

1.1.1 Giới thiệu:

Đời sống ngày càng phát triển đòi hỏi cao về chất lượng sản phẩm, tốc độ sản xuất, độ chính xác,…Do đó, vấn đề tự động hóa được đặt ra để đáp ứng nhu cầu đó.Một trong số những sản phẩm của tự động đó là máy khoan CNC. Sự ra đời của máy khoan CNC đáp ứng cho nhu cầu sản xuất tự động đạt độ chính xác cao về hình dáng kích thước của sản phẩm.Do đó nhóm quyết chọn đề tài” Điều khiển máy khoan CNC 3 trục”.

Đề tài “Điều khiển máy khoan CNC 3 trục” nhằm góp phần tự động hóa quá trình sản xuất. Khi hoạt động, toàn bộ quy trình công nghệ, các thông số trong dây chuyền sản xuất đòi hỏi phải cần độ chính xác cao về vị trí cũng như đáp ứng về thời gian. Để đáp ứng được yêu cầu này thì động cơ DC servo kết hợp với bộ điều khiển PID là lựa chọn phù hợp nhất. Bộ điều khiển trung tâm PID dùng bộ xử lý điều khiển vị trí LM629 giao tiếp với vi điều khiển PIC 16F887. Kết hợp với khả năng tính toán nội suy và xử lý mạnh của máy tính, bộ điều khiển có thể chuyển động của động cơ với vị trí chính xác và đáp ứng với vận tốc với độ tin cậy cao.

1.1.2 Lịch sử hình thành:

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T.Parson cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950.Sau thế chiến thứ 2, Parson tham gia sản xuất các máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp.Parson sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kỳ đầu,ông đã tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử các phép tính bằng tay và sơ đồ.Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một máy cắt mức tự động cho Không Quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển trợ động (servo motor ) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kỳ lớn, phức tạp và đắt đỏ.Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay.

Bộ điều khiển giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy .Ví dụ như một số máy nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết dưới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình.

1.1.3 Ứng dụng:

Tùy theo mục đích sử dụng mà máy CNC có những công dụng khác nhau:Máy khoan, Máy phay, Máy tiện, Máy cắt,...

1.1.4 Ưu điểm:

- Sản phẩm sản xuất không phụ thuộc vào tay nghề người công nhân mà phụ thuộc vào chương trình điều khiển được đưa vào máy tính.

- Độ chính xác làm việc cao.

- Chất lượng gia công ổn định, độ chính xác lặp lại cao.

- Tốc độ khoan cao nhờ vào cơ khí vững chắc của máy, vật liệu làm dụng cụ khoan hiện đại như : boa đồng 1 lớp, boa đồng 2 lớp, ...

- Thời gian gia công ngắn.

- Ít phải dừng máy để kiểm tra kỹ thuật.

- Có thể gia công hàng loạt.

1.1.5 Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo và sửa chửa cao.

- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn.

1.2 Các công việc cần phải thực hiện:

-Thiết kế cơ khí cho máy khoan.

-Thiết kế mạch điện tử để điều khiển động cơ.

-Nghiên cứu thuật toán PID trong động DC servo.

-Tìm hiểu encoder trong việc điều khiển tốc độ động cơ DC servo.

-Nghiên cứu thuật toán nội suy đường thẳng trong điều khiển động cơ.

-Thiết kế bộ điều khiển động cơ dùng vi điều khiển PIC 16f887.

-Tìm hiểu về giao tiếp máy tính dùng cổng com.

-Giao tiếp máy tính bằng ngôn ngữ visual Basic.

1.3 Dự đoán những khó khăn:

- Kinh phí mua dụng cụ, linh kiện, vật liệu cơ khí,....

- Thuật toán PID còn khá mới mẻ.

- Để điều khiển chính xác và tốc độ cao cần phải tìm động cơ tốt, số xung cao...

- Nghiên cứu thuật toán nội suy.

- Tìm hiểu vể IC LM629, LMD18200.

1.4 Hướng giải quyết:

-Cố gắng tận dụng những linh kiện, vật liệu sẵn có.

-Nghiên cứu, tìm hiểu, tìm kiếm tài liệu IC LM629, LMD18200, internet, thầy cô, bạn bè…

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

2.1.Thiết kế cơ khí :

2.1.1.Chọn vít me:

• Phương án 1: Dùng vít me đai thường và gắn đồng trục với động cơ.

Vít me được gắn đồng trục với động cơ. Khi động cơ quay, vít me quay. Động cơ và vít me được gắn cố định,làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục x,y).Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động.

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít,một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít. Vì vậy tốc độ di chuyển nhanh nhưng lại có độ chính xác khi di chuyển không cao.

Hình 2.1Bộ truyền vitme đai ốc thường.

• Phương án 2: Vít me đai ốc bi và dùng đai.

+ Vít me đai ốc bi :

Đây là dạng vít me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi chuyển thành ma sát lăn. Điều này đem đến một ưu điểm : chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động.

Hình 2.2 Bộ truyền vít me – đai ốc bi.

Trong đó: 1 :vít me

                 2: đai ốc

                 3: các viên bi

                 4: rãnh hồi bi

Bộ truyền vít me – đai ốc bi là dạng profin răng vít me và đai ốc profin dạng hình chữ nhật và hình thang, dễ chế tạo nhưng chịu tải kém còn profin hình tròn thì khó chế tạo mà chịu tải lớn.

Rãnh hồi bi có dạng : ống, theo lỗ khoan của đai ốc, rãnh giữa hai vòng ren kế tiếp nhau.

Rãnh dạng ống : kích thước bộ truyền lớn, độ bền mòn ở đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.

Rãnh hồi bi theo lỗ khoan của đai ốc : kết cấu gọn,tính công nghệ cao, khả năng tách nhóm hồi bi khó.

Rãnh hồi bi giữa hai vòng kế tiếp : có kích thước gọn,không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao, chiều dài rãnh hồi bi lớn .

+ Dùng đai:

Sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vào 2 cái lỗ có cùng kích thước răng cưa với đai. Một lỗ bắt chặt vào trục động cơ, còn lỗ kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động, sao cho lỗ có thể quay tự do tại chỗ.Khi động cơ quay toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo bánh răng, vít me di chuyển theo.

Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính lỗ .Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng chu vi lỗ.Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển chậm nhưng độ chính xác cao,lực đẩy lớn.

• Kết luận:

Qua thảo luận nhóm quyết định chọn phương án: Trục vít me đai ốc bi kết hợp với đai làm bộ truyền dẫn chuyển động, để đạt độ chính xác cao khi gia công ...

2.1.2 Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ:

• Phương án phôi cố định: Trục X di chuyển trên bàn máy, trục Y chuyển động trên trục X,trục Z chuyển động trên trục Y

Đặc điểm:

- Trục X phải có kết cấu vững để vừa có thể trượt, vừa nâng được các trục Y và Z.      

- Trục Y trượt trên trục X nên bộ phận trượt trục X phải gắn thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ,…Các bộ phận cùng chuyển động trên trục X.

• Phương án phôi di chuyển:Phôi di chuyển trên trục X và dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục Y và Z.

Đặc điểm:

- Phần cố định bao gồm khung máy, các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy.

-Trục X, Y gắn trên thanh trượt gắn cố định trên khung máy, trục Z trượt trên trục Y.

• Kết luận: Với mô hình thí nghiệm, nhóm chọn phương án: Phôi cố định, trục X và Y di chuyển,để đạt độ chính xác gia công cao. Vì khi gia công mà phôi di chuyển sẽ tạo ra sự dịch chuyển do đó độ chính xác gia công không cao.

2.1.3 Động cơ DC servo và động cơ DC:

Hình 2.3 Động cơ DC servo.

• Giới thiệu động cơ Servo:

Động cơ DC servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhậnthấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.

• Đặc điểm:

- Đặc tính nổi bật: quán tính nhỏ, tăng hiệu suất và tốc độ đáp ứng.Kích thước nhỏ gọn, nhẹ và hiệu suất cao

- Chống bụi và chống nước.

- Cải thiện khả năng tản nhiệt bằng cách bổ sung vào vỏ bọc hợp kim nhôm.

- Kết hợp với encoder và IC tích hợp loại nhỏ tăng khả năng chống nhiễu.

- Có thể kết hợp với các khối điều khiển chuyên dụng.

• Hoạt động của động cơ DC:

Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90^o – 180^o. Việc điều khiển động cơ có thể ứng dụng để điều khiển robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng. Điều khiển động cơ là điều khiển độ rộng xung (PWM), động cơ đòi hỏi tín hiệu từ 30-60 xung/s.

• Tìm hiểu về encoder:

Mục đích của việc dùng encoder: Dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Hình 2.4 Cấu tạo encoder.

• Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ rãnh đèn led không chiếu qua được. Còn chỗ có lỗ rãnh thì đèn led chiếu xuyên qua .Khi đó phía mặt bên kia của đĩa người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, cứ mỗi lần mắt thu nhận được tín hiệu của đèn led thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng .Đây là nguyên lý cơ bản của encoder.

• Encoder:

Thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index).kênh I xuất hiện một “xung” sau mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau.Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng.Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 độ động cơ DC.

2.1.4. Bộ truyền đai:

Hình 2.5 Cấu tạo truyền đai giữa động cơ và vit me.

2.1.5 Cấu tạo sơ bộ:

Hình 2.6 Mô hình 3D.

-  Trục X là trục chính trong mặt phẳng định vị. Trên máy khoan nằm song song với bàn máy ( bàn kẹp chi tiết).

-  Trục Y là trục thứ 2 trong mặt phẳng định vị. Trên máy khoan nó nằm trên mặt máy và vuông góc với bàn máy.

-  Trục Z luôn luôn trùng  với trục truyền động  chính.  Trục này được nhà chế tạo xác định. Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến mũi khoan. Điều đó có nghĩa là trong chuy ển động theo chiều âm của trục Z, mũi khoan sẽ đi tới bề mặt chi tiết.

2.1.6  Kết cấu của từng bộ phận:

• Trục x:

Hình 2.7 Trục X.

- Vít me trục x được gắn nằm ngang, phía trên bàn khoan

- Sử dụng bộ truyền đai để truyền động cho vít me trục x và động cơ, nhờ vậy trục x có thể di chuyển ngang qua lại khi động cơ quay.

- Trên con trượt của vít me trục x được gắn  trục z.

- Phía dưới vít me được gắn dính với thanh trượt, nhờ thanh trượt để chịu lực cho trục x, nhờ vậy vít me sẽ không bị uốn cong do chịu khối lượng của trục z.

• Trục y:

Hình 2.8 Trục Y.

- Vít me trục y được gắn phía dưới bàn khoan và được nối với bàn khoan bằng 4 bulong ren suốt.

- Vít me tục y được nối với động cơ bằng bộ truyền đai, nhờ vậy khi động cơ quay thì vít me di chuyển tới lui tùy theo chieu2 quay của động cơ.

- Ổ trượt của vít me được nối với bàn máy bằng 4 bu long ren suốt, khi ổ trượt di chuyển thì bàn khoan cũng di chuyển.

• Trục z:

Hình 2.9 Trục Z.

- Trục z được thiết kế bao gồm : 1 vít me bi, 2 thanh trượt, 1 động cơ khoan mạch và 1 động cơ dc được gắn với vít me bằng bộ truyền đai.

- Ổ trượt được gắn 1 tấm nhôm và được gắn dính với 2 con trượt của thanh trượt, dung 2 thanh trượt để tạo sự cân bằng cho bàn trượt và bàn trượt di chuyển êm hơn.

- Phía trên bàn trượt gắn 1 động cơ khoan sử dụng động cơ DC.

- Phía trên, vít me trục z được truyền động bằng bộ truyền đai.

- Sử dụng đong cơ dc có hộp số

- Khi động cơ quay thì nhờ có bộ truyền đai bàn trượt di chuyển lên xuống, dộng cơ khoan được gắn trên bàn trượt cũng di chuyển lên xuống theo bàn trượt 1 cách dễ dàng.

• Bàn khoan và thanh trượt:

Hình 2.10 Thanh trượt.

- Bàn khoangồm 2 lớp gỗ và mi ca

- Lớp dưới là mica được nối với ổ trượt của vít me trục y, và với 4 con trượt của 2 thanh trượt được gắn 2 bên. 2 thanh trượt giúp bàn khoan cân bằng và di chuyển êm.

- Lớp trên là gỗ, khi khoan ta kep mạch áp sát vào tấm gỗ, mach7 sẽ không bị uốn.

2.1.7 Tính toán bộ truyền đai:

• Bộ truyền đai truc x:

L: chiều dài đai

A: khoảng cách trục

• góc ôm của đai trên bánh nhỏ và bánh lớn

và b             –  chiều dày và chiều rộng của tiết diện đai dẹt
                  B: chiều rộng bánh đai.

• Tính chiều dài đai tru x :

• Góc ôm:

           Lực căng đai:

             : Chiều dày đai ( tra bảng)

            : ứng suất căng ban đầu

            b:  chiều rộng đai (tra bảng)

• Lực tác dụng lên trục

• Quãng đường vít me di chuyển:

Ta có:

Trong đó :  số vòng quay của bánh đai nhỏ

             : số vòng quay bánh đai lớn

Vd: cho           ta có

 => = 17/51 =  như vậy khi  quay được 1 vòng thì quay  được  vòng

Mà khi bánh đai lớn quay được 1 vòng thì con trượt vít me di chuyển 1 đoạn la 10mm vì bước ren của vít me bằng 10mm

Từ đó ta có công thức :                

• Bộ truyền đai truc y:
• Tính chiều dài đai truc y :

• Góc ôm:

• Lực căng đai

             : Chiều dày đai ( tra bảng)

            : ứng suất căng ban đầu

            b:  chiều rộng đai (tra bảng)

• Lực tác dụng lên trục

• Bộ truyền đai truc z:

• Tính chiều dài đai truc z :

• Góc ôm:

• Lực căng đai:

             : Chiều dày đai ( tra bảng)

            : ứng suất căng ban đầu

            b:  chiều rộng đai (tra bảng)

• Lực tác dụng lên trục

• Quãng đường vít me di chuyển:

Ta có:

Trong đó :  số vòng quay của bánh đai nhỏ

             : số vòng quay bánh đai lớn

vd: cho            ta có

 => = 9/12 =0,75 như vậy khi  quay được 1 vòng thì  quay  được 0,75 vòng

Mà khi bánh đai lớn quay được 1 vòng thì con trượt vít me di chuyển 1 đoạn la 4mm vì bước ren của vít me bằng 4mm.

Từ đó ta có công thức :       

2.2 Thiết kế phần cứng:

2.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống:

Sơ đồ 2.1 Sơ đồ khối hệ thống.

Hình 2.11 Mạch thực tế của hệ thống.   

2.2.2 Phân tích chức năng:

- Máy tính: Làm nhiệm vụ lập trình, thiết kế giao diện giao tiếp điều khiển động cơ.

- Module điều khiển trung tâm: gồm có vi xử lý PIC16F887 và IC LM629. Nhận lệnh từ máy tính, truyền xuống khối công suất điều khiển động cơ và đọc tín hiệu trở về vi xử lý.

- Module Công Suất: Dùng IC LM18200 nhận xung tín hiệu trực tiếp từ LM629 để điều khiển động cơ.

 - Động cơ: Trên động cơ DC servo có gắn encoder để đọc tín hiệu hồi tiếp về LM629.

- Nguồn cung cấp: gồm nguồn cung cấp các Module lấy từ nguồn 5V và nguồn 24V cung cấp cho động cơ.

2.3 Thiết kế mạch điện tử:

2.3.1 Mạch PIC 16F887: Là khối điều khiển trung tâm và là phần quan trọng nhất trong hệ thống mạch điện. Nó được xem như là bộ não của cả một hệ thống điều khiển mọi hoạt động của các cơ cấu.

Hình 2.12 Mạch kết nối vi điều khiển với LM629.

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý PIC16F887.

• Giới thiệu về PIC16F887 :

PIC 16F887 là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay  ( đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường ). Cấu trúc tổng quát của PIC 16F887 như sau:
- 8 K Flash ROM, 368 Byte SRAM.  
- 256 Bytes EEPROM.
- 5 ports ( A, B, C, D, E ) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập.
- 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2).
- 1 bộ định thời 16 bits (Timer 1) với nguồn xung Clock ngoài.
- 2 bộ CCP ( Capture / Compare/ PWM).
- 1 bộ biến đổi AD 10 bits ( có 14 kênh RA0, RA1, RA2, RA3, RA5, RE0, RE1, RE2, RB2, RB3, RB1, RB4, RB0, RB5 ).
- 2 bộ so sánh tương tự (Compartor).
- 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer).
- Một cổng Com nối tiếp ( RC6-TX, RC7-RX ).
- 15 nguồn ngắt.  

- Tần số hoạt động tối đa 20MHz và 2 tụ gốm 22p dùng để tạo dao động giúp cho vi điều khiển hoạt động. Nối vào chân OCS1, OCS2 ( chân 13, 14 ).

Hình 2.14 Sơ đồ chân PIC16F887.

Hình 2.15 Ảnh thực tế PIC16F887.

• Lý thuyết tính toán:

Nút reset: Vi điều khiển PIC 16F887 hoạt động khi chân số 1 MCLR ở mức 1 và bị reset khi bị clear về mức 0. Bình thường nút reset hở ra chân reset ở mức 1 vi điều khiển hoạt động. Khi nhấn nút reset, chân 1 chạm đất bị clear về 0, vi điều khiểnđược reset về trạng thái ban đầu. Ở đây để đảm bảo thuộc tính trên trở R50=10k treo để cho VĐK hiểu khi không nhấn mức 1 khi nhấn mức 0. Nhưng theo lý thuyết tính toán cho dòng cấp vào chân vi điều khiển là 25mA thì R50 chỉ có 200 Ohm.                               

           Để tránh các tín hiệu nhỏ tác động lên chân reset ta có thể mắc thêm tụ lọc tần số cao C = 104 để chống nhiễu.

Nạp chương trình cho vi điều khiển qua 2 chân PGC, PGD ( 39, 40 ). Chân 12, 31, nối GND. Chân 11, 32 nối Vcc_5V được kết nối với tụ 104 để chống nhiểu.

 2.3.2 Mạch LM629:

Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý LM629.

Hình 2.17 Mạch LM629.

• LM629: có 28 chân

• Chân 1 IN/ ngõ vào: nhận lựa chọn chỉ dẫn xung ngõ vào encoder. Phải đặt mức 1 nếu không dung. Chỉ dẫn đươc đọc khi các chân 1, 2, 3 ở mức thấp.
• Chân 2, 3 ngõ vào tín hiệu encoder A, B.
• Chân 4 đến chân 11 ngõ vào tiếp nhận Port I/O D0-D7: port dữ liệu hướng tiếp nhận xử lý. Dung để viết lệnh hay dữ liệu vào LM629 và đọc byte trạng thái hay dữ liệu từ nó, được điều khiển bởi CS\ (chân 12), PS\ (chân 16), RD\ (chân 13), WR\ (chân 15).
• Chân 12 ngõ vào chân chọn chip CS\: dung để chọn LM629 cho hoạt động đọc và viết.
• Chân 13 ngõ vào đọc RD\ dung để đọc trạng thái hay dữ liệu.
• Chân 14: GND.
• Chân 15 ngõ vào viết WR\: dùng để viết lệnh hay dữ liệu.
• Chân 16 ngõ vào chọn Port PS\: dung để chọn lệnh hay dữ liệu. Chọn lệnh khi ở mức thấp. Theo mode được điều khiển từ chân 16:

• Lệnh được viết đến port lệnh khi chân 16 = 0.
• Byte trạng thái được đọc từ port lệnh khi chân 16 = 0
• Viết và đọc dữ liệu khi chân 16 = 1.

• Chân 17 ngõ ra ngắt HI: hoạt động mức cao khi co điều kiện ngắt xảy ra.
• Chân 18 RST\ là chân reset.

• Sơ đồ chân IC LM629:

Hình 2.18 Sơ đồ chân LM629.

• Linh kiện hỗ trợ LM629:

IC74HC245: là IC đệm dữ liệu 2 chiều.

                             Hình 2.19 IC 74HC245.

• Nguyên lý hoạt động: Đây là IC số loại 20 chân, chức năng từng chân như sau:

+ Chân 1: DIR chân chọn hướng dữ liệu: nếu DIR=1 thì input A và output B và ngược lại với DIR=0;

+ Chân 2=>chân 9: A0=>A7 data in/output phụ thuộc vào chân DIR

+ Chân 10: GND

+ Chân 11 =>18: B7=>B0 data in/output phụ thuộc vào chân DIR

+ Chân 19: OE chân cho phép tích cực ở mức 0 .nếu 0E=0 thì IC xuất dữ liệu ngược lại OE=1

+ Chân 20: VCC

Bảng2.1 Thông số chip 74HC245.

• Nhìn vào bảng ta biết được giá trị điện áp dòng vào ra:

+ Hoạt động ở diện áp <= 7V.

+ Dòng ra tầm 20 đến 30 mA.

+ Công suất mạch tầm  500 đến 700 mW.

IC74HC14:

Tác dụng: Loại đi phần nhiễu tín hiệu (có thể xảy ra trong môi trường xung quanh ) từ encoder đưa về LM629.

Cấu tạo: Là cổng schmitte trigger, loại cổng logic cho phép chuyển trạng thái dứt khoát giữa mức cao và mức thấp.Với cổng logic thường, khi tín hiệu vào chuyển tiếp chậm thì tín hiệu ra thường bị rung.Với cổng schmitte thì không. Khi tín hiệu chuyển từ mức thấp sang cao nếu đạt tới một áp ngưỡng VT+ thì ngay lập tức ngõ ra là mức 1. Ngược lại, khi tín hiệu từ mức cao chuyển sang mức thấp nếu đạt tới ngưỡng VT- thì ngõ ra là mức 0. VT+ > VT- .Nhờ vào sự chênh lệch giữa VT+ và VT- (còn gọi là độ trể ) mà cổng này có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu rất nhiều.

..............................................................

KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Điều khiển máy khoan CNC 3 trục

6.1 Kết quả đạt được:

- Đã chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh phần cơ khí của bàn máy khoan CNC.

- Kết cấu gọn nhẹ phù hợp với mô hình thí nghiệm.

- Thiết kế các board mạch điện tử và các driver điều khiển động cơ.

- Sử dụng phần mềm visual basic để giao tiếp với máy tính thông qua cổng com.

- Đã hoàn chỉnh quá trình gia công sản phẩm.

6.2 Kết quả chưa đạt được :

- Chế tạo cơ khí vẫn còn hạn chế về độ chính xác.

- Còn hạn chế kích thước các board mạch lớn từ 20x20 cm.

- Hệ thống hoạt động chưa như mục tiêu đặt ra ...

6.3 Hướng phát triển :

- Tìm hiểu và nghiên cứu để sảm phẩm được hoàn thiện tốt hơn.

- Ứng dụng bàn máy để chế tạo các bàn máy khác...để phục vụ nhu cầu của các ngành công nghiệp khác.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] www.dientuvietnam.com

[2] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi Tiết Máy, Nhà xuất bản Giáo Dục(tái bản lần thứ 6), 2003

[4] Huỳnh Thái Hoàng, Nguyễn Thị Phương Hà, Lý thuyết điều khiển tự động, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2005.

[5] National Semiconductor, Datasheet LM628/LM629 Precision Motion Controller, 2003.

[6] National Semiconductor Application Note 706, LM628/LM629 User Guide, 1993.

[7] National Semiconductor Application Note 693, LM628 Programming Guide, 1999.

[8] National Semiconductor Application Note 868, Interfacing the HPC and LM629 for Motion Control, 1993.