Đề tài Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy CNC

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM MỤC LỤC Lời nói đầu ............................................................................................................. 6 CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC. ...................................................................................................................... 7 I.Khái quát về các máy công cụ CNC. ........................................................................ 7 1.1.Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển. ............................................................... 7 1.2 Cơ sở của máy CNC ...................................................................................................... 8 1.3. Đặc điểm và phân loại. ................................................................................................. 9 II. Nguyên lý vận hành của máy công cụ điều khiển số ............................................ 10 2.1. Chương trình gia công một chi tiết. ........................................................................... 10 2.2. Khối điều khiển. .......................................................................................................... 10 2.3. Điều khiển logic. ......................................................................................................... 10 2.4.Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC. ................................................................. 11 III.Hệ thống tính toán và điều khiển .......................................................................... 12 3.1.Khái niệm và phân loại. .............................................................................................. 12 3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC. ........................................................ 12 3.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC. ....................................................................................... 15 3.4. Hệ DNC. ..................................................................................................................... 16 3.5. Hệ thống gia công linh hoạt FMS. ............................................................................. 16 Kết luận chương I. ..................................................................................................... 17 CHƯƠNG II:THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC ................................................................................................................... 18 I.Sơ đồ hệ thống và các phần tử trong hệ thống. ...................................................... 18 II.Động cơ AC Servo. ................................................................................................ 19 2.1.Động cơ AC Servo. ...................................................................................................... 19 2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo. ................................................................................ 21 III.Mạch điều khiển AKZ250. .................................................................................... 22 3.1.Giới thiệu mạch AKZ250. ............................................................................................ 22 3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250: ..................................................................................... 23 3.3.Cài đặt và ứng dụng. ................................................................................................... 24 IV.Biến tần và trục chính. .......................................................................................... 28 4.1.Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính. ................................................................ 28 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 2 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 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM Mục lục hình vẽ Số hình Tên hình vẽ Trang 1.1 Mô hình điều khiển DNC 7 1.2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 8 1.3 Cơ sở của các máy CNC 8 1.4 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 9 1.5 Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 11 1.6 Lưu đồ điểu khiển hệ CNC 12 1.7 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 13 1.8 Lưu đồ lập trình bằng máy 14 1.9 Cấu trúc của hệ CNC 15 2.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục 18 2.2 Động cơ AC Servo. 19 2.3 Cấu tạo động cơ Servo 20 2.4 Driver servo và động cơ Servo 21 2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver 21 2.6 Mạch AKZ250 23 2.7 Chân điều khiển các trục 24 2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính 25 2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250 25 2.10 Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 26 2.11 Vị trí 8 đầu ra trên mạch AKZ250 26 2.12 Cấu tạo cổng ra trên Mạch AKZ250 27 2.13 Sơ đồ nối ghép AKZ250 với biến tần 27 2.14 Sơ đồ bộ biến tần gián tiếp 29 2.15 Biến tần của hãng SEIMENS 30 2.16 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 30 2.17 Công tắc hành trình D4MC-5000 31 2.18 Nút nhấn không đèn YW1B 32 2.19 Nút dừng khẩn 32 2.20 Đèn báo IDEC 32 2.21 Nguồn DC 24V 32 2.22 Sơ đồ modul thay dao tự động. 33 2.23 Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén 34 2.24 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man 35 2.25 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man 36 2.26 Sơ đồ thuật toán trả dao 37 2.27 Sơ đồ thuật toán lấy dao 38 3.1 Sơ đồ hệ thống điều kiển mô hình máy phay CNC 40 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 3.2 Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực. 42 3.3 Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước lai đơn cực. 43 3.4 Cấu tạo rotor của động cơ bước lai đơn cực 43 3.5 Bố trí các chân của ic L297 45 3.6 Sơ đồ tín hiệu điều khiển trong chế độ nửa bước 49 3.7 Sơ đồ xung điều khiển kiểu đủ bước 50 3.8 Sơ đồ khối IC L298 51 3.9 Sơ đồ chân IC L298 52 3.10 Sơ đồ kết nối IC L297 và L298 54 3.11 Sơ đồ nguyên lý driver động cơ bước 55 3.12 Cổng LPT 25 chân và bố trí các chân 57 3.13 Sơ đồ chức năng các chân cổng LPT 58 3.14 Sơ đồ chân IC74HC245 60 3.15 Sơ đồ chân và chức năng các chân của IC 74HC245 61 3.16 Cấu tạo bên trong của IC 74HC245 62 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch đệm LPT 63 3.18 Mạch điều khiển CNC tích hợp step driver 64 3.19 Sơ đồ đi dây trên board 65 3.20 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển CNC 66 3.21 Cổng LPT lấy tín hiệu vào mạch từ máy tính cung cấp 67 3.22 Vào cửa sổ thiết lập các chân chức năng trong Mach3 68 3.23 Giao diện cửa số Engine Configuration Port and Pin 68 3.24 Cổng lấy tín hiệu vào từ các thiết bị ngoại vi trên mạch CNC 69 3.25 Cài đặt cổng vào trong Mach3 69 3.26 Cài đặt cổng vào nút Estop trên Mach3 70 3.27 Cài đặt cổng vào công tắc hành trình trên Mach3 70 3.28 Cổng ra điều khiển động cơ bước trên mạch nguyên lý. 71 3.29 Cài đặt cổng ra điều khiển động cơ trên Mach3 71 4.1 Hình ảnh thực mô hình máy phay CNC 3 trục 73 4.2 Mô hình 3D máy phay CNC 74 4.3 Kết cấu khung đế của mô hình 75 4.4 Khung đế sau khi lắp vít mebi và ray dẫn hướng. 76 4.5 Hình chiếu đứng mô hình máy phay 76 4.6 Hình chiếu cạnh mô hình máy phay 77 4.7 Hình chiếu bằng mô hình máy phay 77 4.8 Thanh dẫn hướng vuông của hãng Hiwin 78 4.9 Thông số chọn ray dẫn hướng 78 4.10 Catalog ray dẫn hướng HIWIN HGH 15CA 79 4.11 Đai ốc lắp kiểuFSWC 80 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 4.12 Quy trình thiết kế và gia công sản phẩm trên mô hình máy phay CNC 81 4.13 Lập trình tay trên Notepad 81 4.14 Sử dụng phần mềm CAM để mô phỏng gia công là lấy Gcode 81 4.15 Các cách để nạp chương trình gia công vào phần mềm điều khiển 82 4.16 Phím mở chế độ điều chỉnh trên Mach3 83 4.17 Khung điều khiển các trục tọa độ. 83 4.18 Khung điều khiển quá trình gia công 84 4.19 Mạch điều khiển trong mô hình 84 4.20 Quá trình chạy demo để test mô hình 85 4.21 Sản phẩm khắc chữ trên gỗ bằng mô hình 85 SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 6 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. SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 7 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. Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các Robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Hình 1.1: Mô hình điều khiển DNC SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM 1.2 Cơ sở của máy CNC Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ. Hình 1.3 Cơ sở của các máy CNC Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa đồ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải. Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z. Y Z X Hình 1.2: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 9 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... SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 10 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.. SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54 SHSV: 20091468 11 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