Đồ án Thiết kế - Thi công - Điều khiển bàn máy CNC 2 trục

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG KHOA CƠ KHÍ – BM CƠ ĐIỆN TỬ ��� ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP: THIẾT KẾ - THI CÔNG - ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC 2 TRỤC GVHD: ĐỖ ĐỨC VƯƠNG SVTH : LÊ QUANG LÂN NGUYỄN TẤN PHƯỚC NGUYỄN ĐẶNG HỒNG PHÚC Lớp :CĐCĐT 08 TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2011 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 2 GVHD: Đỗ Đức Vương 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 bàn máy CNC 2 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. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 3 GVHD: Đỗ Đức Vương LỜI CẢM ƠN ��� Lời đầu tiên nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường CĐKT Cao Thắng và đặc biệt là thầy cô của bộ môn cơ điện tử đã giảng dạy chúng em trong suốt thời gian học tập cũng như hỗ trợ chúng em rất nhiều trong việc thực hiện đề tài này. Thời gian học tập tại trường là những kinh nghiệm, là hành trang quý báu giúp chúng em tự tin hơn, vững bước hơn trong công việc sau này. Một lần nữa, em xin chân thành cám ơn thầy Vương, các thầy cô trong trường, chúc các thầy cô luôn dồi dào sức khỏe, thành công trong cuộc sống và đào tạo nên những sinh viên giỏi giúp ích cho xã hội. Và xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã hỗ trợ tất cả mọi điều kiện để đề tài hoàn thành tốt đẹp. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 4 GVHD: Đỗ Đức Vương NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ��� .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Giáo viên hướng dẫn Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 5 GVHD: Đỗ Đức Vương NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ��� .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 6 GVHD: Đỗ Đức Vương NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN ��� .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 7 GVHD: Đỗ Đức Vương MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................ 2 LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. 3 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN........................................................ 4 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN........................................................... 5 NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN........................................................6 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU BÀN MÁY CNC 2 TRỤC..............................................9 1. Tổng quan về bàn máy CNC 2 trục:.................................................................... 9 2. Các công việc cần phải thực hiện:..................................................................... 11 3. Dự đoán những khó khăn:..................................................................................12 4. Hướng giải quyết:.............................................................................................. 12 CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG............................................................... 13 I. Thiết kế cơ khí :..................................................................................................13 1. Chọn vít me:................................................................................................... 13 2. Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ:............................................15 3. Động cơ DC servo:.........................................................................................16 II. Thiết kế phần cứng:...........................................................................................20 1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống:......................................................................... 20 2. Phân tích chức năng........................................................................................20 3. Thiết kế mạch điện tử:....................................................................................21 III. Thuật Toán Nội Suy Theo Phương Pháp DDA .............................................. 33 1. Nội suy đường thẳng:..................................................................................... 33 2. Nội suy đường tròn:........................................................................................39 IV. Giao Tiếp Máy Tính:....................................................................................... 43 1. Cách ghép nối PIC16F877A với RS232:....................................................... 43 2. Cách thức thiết lập giao tiếp RS232 trong CCS:............................................43 3. Các đặc tính của MSComm:...........................................................................43 4. Truyền nhận dữ liệu:...................................................................................... 44 5. Giao diện điều khiển:......................................................................................45 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 8 GVHD: Đỗ Đức Vương V. Giải thuật điều khiển:........................................................................................46 1. Lưu đồ giải thuật chuyển động:......................................................................46 2. Lưu đồ giải thuật giao tiếp:............................................................................ 47 Chương III :KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................48 I. Kết quả đạt được:................................................................................................48 II. Kết quả chưa đạt được :.................................................................................... 48 III. Hướng phát triển :............................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................49 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 9 GVHD: Đỗ Đức Vương CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU BÀN MÁY CNC 2 TRỤC 1. Tổng quan về bàn máy CNC 2 trục: a. 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 CNC. Sự ra đời của bàn máy 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 bàn máy CNC 2 trục”. Đề tài “Điều khiển bàn máy CNC 2 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 16F877A. 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. b. 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 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 10 GVHD: Đỗ Đức Vương 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. c. Ứng dụng: Tùy theo mục đích sử dụng mà bàn máy có những công dụng khác nhau:Máy khoan, Máy phay, Máy tiện, Máy cắt,.... Hình 1:Mô hình máy phay Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 11 GVHD: Đỗ Đức Vương d. 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 cắt cao nhờ vào cơ khí vững chắc của máy, vật liệu làm dụng cụ cắt hiện đại như : hợp kim, gốm oxit,... - Thời gian gia công ngắn. - Ít phải dừng máy để kiểm tra kỹ thuật. - Có thể gia công hàng loạt. e. Nhược điểm: - Giá thành chế tạo và sửa chửa cao. - Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn. 2. Các công việc cần phải thực hiện: -Thiết kế cơ khí cho bàn máy. -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 16f877A. -Tìm hiểu về giao tiếp máy tính dùng cổng com. -Giao tiếp máy tính bằng ngôn ngữ visual Basic. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 12 GVHD: Đỗ Đức Vương 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. 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, thuật toán nội suy, PID qua sách báo,internet, thầy cô, bạn bè,.... Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 13 GVHD: Đỗ Đức Vương CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG I.Thiết kế cơ khí : 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.Tạo lực đẩy nhỏ khi gia công vật mẫu. Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp. Hình 2:Bộ truyền vitme đai ốc thường Phương án 2: vít me đai ốc bi và dùng đai: + Vít me đai ốc bi : Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 14 GVHD: Đỗ Đức Vương 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 3: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. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 15 GVHD: Đỗ Đức Vương 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. Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ: a.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. b. 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: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 16 GVHD: Đỗ Đức Vương - 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. c. 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. 3. Động cơ DC servo: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 17 GVHD: Đỗ Đức Vương Hình 4:động cơ DC servo a. Chọn động cơ: Chọn công suất băng tải : Trong đó::công suất trên băng tải. P :lực tác dụng V :vận tốc Hiệu suất chung:=0.94*0.972 *0.9954 *1=0.87 Trong đó:=0.94 :hiệu suất bộ truyền đai =0.97: hiệu suất bộ truyền bánh răng. =0.995: hiệu suất 1 cặp ổ lăn. =1: hiệu suất khớp nối. Công suất cần thiết: Ta cần chọn động cơ có : b. Giới thiệu động cơ Servo: ĐộngcơDC servo đượcthiếtkếchonhữnghệthốnghồitiếpvòngkín.Tínhiệura củađộngcơđượcnốivớimộtmạchđiềukhiển.Khiđộngcơquay,vậntốcvàvịtrísẽ đượchồitiếpvềmạchđiềukhiểnnày.Nếucóbấtkỳlýdonàongăncảnchuyểnđộng quaycủađộngcơ,cơcấuhồitiếpsẽnhậnthấytínhiệurachưađạtđượcvịtrímong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. c. Đặc điểm: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 18 GVHD: Đỗ Đức Vương - 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. Dòng lớn nhất tức thời 3A Điện áp định mức(V0) 24V Dòng định mức(I0) 2A Tốc độ định mức(N0) 3000 vòng/phút Công suất định mức 40W Moment định mức 0.637 Nm (6.5kgf.cm) Tốc độ lớn nhất (N) 3000 vòng/phút Hằng số thời gian điện (Te) 1.5 m.s Nhiệt trở (Rth) 1.2°C/W Nhiệt cho phép phần ứng 130°C Moment hãm(Tf) 4.9x10 -2 N.m(0.5kgf.cm) Bảng 1:Bảng thông số vật lý của động cơ trục chính Mã màu Chức năng Xanh dương ( Blue) Pha A Xanh lá (Green) Pha B Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 19 GVHD: Đỗ Đức Vương Vàng (yellow) Pha Z Đỏ (red) +5V Đen (black) 0V Bảng 2:Bảng mô tả dây encoder động cơ trục chính Động cơ sử dụng cho trục X, trục Y có dòng liên tục là 2A, điện áp cung cấp định mức là 24V, công suất định mức là 40W. �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