Nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC mini

- luận văn thạc sĩ khoa học công nghệ chế tạo máy ngành : công nghệ chế tạo máy nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay cnc mini Nguyễn anh đức Hà Nội 2009 Hà Nội 2009 bộ giáo dục và đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội.
- luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu xây dựng mô hình động lực học và thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay cnc mini ngành : công nghệ chế tạo máy mã số :j Nguyễn anh đức Ngời hớng dẫn khoa học : TS.
- Hệ thống điều khiển của máy CNC 28 1.3.2.1.
- Các dạng điều khiển 28 1.3.2.2.
- Đặc điểm của hệ thống điều khiển 31 Chơng 2 - Nghiên cứu, thiết kế kết cấu động lực học của máy phay CNC mini 37 2.1.
- Dẫn động bằng động cơ bước ( Stepp motor) 57 Chơng 3 – Thiết kế hệ thống điều khiển và phần mềm điều khiển 69 3.1.
- Thiết kế hệ thống điều khiển 69 3.2.
- Phần mềm điều khiển 78 Kết luận 90 Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 1 Lời mở đầu Với sự phát triển không ngừng của các thành tựu Khoa hoc - Công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực điều khiển số và công nghệ thông tin đã giúp cho các nhà Chế tạo máy ứng dụng vào máy cắt kim loại các hệ thống điều khiển ngày càng tin cậy hơn với tốc độ xử lý nhanh hơn.
- Đó là cơ sở cho sự ra đời các máy công cụ hiện đại đợc điều khiển theo chơng trình số CNC.
- Nhà nớc có các dự án trọng điểm quốc gia nhằm mục đích tự thiết kế và chế tạo máy công cụ điều khiển số CNC.
- Trong luận văn tốt nghiệp này tác giả đã đi sâu nghiên cứu và tìm hiểu cấu trúc động học, hệ thống điều khiển và phần mền điều khiển của máy phay CNC mini.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 2 Mục đích của để tài Nghiên cứu xây dựng mô hình động học máy phay CNC mini, nắm đợc một số kiến thức cơ bản về thiết kế máy gia công điều khiển số CNC .
- Phơng pháp nghiên cứu Tìm hiểu kết cấu động lực học, hệ thống điều khiển và các phần mềm điều khiển máy phay CNC mini.
- ý nghĩa thực tiễn của đề tài Có đợc những kiến thức cơ bản về máy công cụ điều khiển số.
- Lịch sử phát triển của máy công cụ CNC Máy điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC) đã ra đời từ lâu.
- Jacquard chế tạo năm 1808 là thời điểm ra đời của máy điều khiển số.
- Tấm thép mang chơng trình điều khiển tự động hoàn chỉnh trên đợc xem là vật lu trữ chơng trình điều khiển máy.
- Phát minh ra máy tính là một bớc ngoặt quan trọng của điều khiển số.
- Do vậy máy công cụ cần phải hoàn thiện về mặt thiết kế và điều khiển nhằm nâng cao độ chính xác gia công.
- Vì vậy điều khiển số đã nhanh chóng đợc ứng dụng vào hệ thống điều khiển máy công cụ, đồng thời máy tính còn đợc ứng dụng để tính toán,lu trữ dữ liệu đờng dẫn dụng cụ trên băng đục lỗ, băng từ hoặc các Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 6 thiết bị khác.
- Và thành công này càng thúc đẩy ngành máy công cụ điều khiển số phát triển mạnh mẽ nh ngày nay.
- Năm 1958 ngời ta sử dụng một số từ tiếng Anh là ký tự để hình thành chơng trình điều khiển máy.
- Tập hợp các ký tự hình thành chơng trình dùng để điều khiển máy đợc gọi là ngôn ngữ APT (Automatically programmed Tool).
- Trên cơ sở của APT ngời ta phát triển ra nhiều dạng chơng trình điều khiển khác: ADAPT và AUTOSPOT của IBM.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 7 Năm 1976, những máy điều khiển hoàn toàn tự động theo chơng trình mà các thông tin viết dới dạng số gọi là máy điều khiển số NC (Numerical Control).
- Năm 2001 Fanuc đã chế tạo hệ điều khiển nano cho máy công cụ CNC.
- Máy điều khiển số đáp ứng đợc tính linh hoạt của sản xuất.
- Máy CNC dùng trong công nghiệp Cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, hệ thống điều khiển số đợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có máy công cụ.
- Hệ thống điều khiển là hệ thống điều khiển theo vị trí (point to point).
- Vì vậy hệ điều khiển này không cần cụm nội suy thẳng và cong.
- Hệ điều khiển máy khoan CNC đợc thiết kế với khả năng điều khiển tơng thích với hai cách viết chơng trình: Hệ tuyệt đối và hệ gia số.
- Yêu cầu chính đối với hệ thống điều khiển máy khoan CNC là tính toán nhanh và dừng chính xác vị trí.
- Hệ điều khiển máy khoan cho phép thực hiện các dạng chu trình khoan tự động.
- Máy phay CNC đợc trang bị hệ thống điều khiển mạnh để tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, nội suy thẳng, nội suy vòng và các đờng cong phức tạp (Spline).
- Chuyển động ụ sau thực hiện theo chơng trình điều khiển NC.
- Số trục điều khiển của trung tâm gia công ít nhất là 3.
- Để điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đờng hình học trên bề mặt chi tiết, cần tìm mối quan hệ vị trí giữa dụng cụ và chi tiết.
- Hệ tọa độ Đecac đợc chọn sử dụng làm hệ tọa độ trong máy công cụ điều khiển số.
- Không gian giới hạn bởi ba kích thớc của hệ tọa độ Đecac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết đợc gọi là vùng gia công.
- Hệ tọa độ Đecac gắn vào máy công cụ điều khiển số đợc quy định bắt đầu từ trục Z.
- Do vậy hệ thống điều khiển phải có khả năng điều khiển trực tiếp chuyển động của revonve.
- Hệ tọa độ Nhiệm vụ chính của chơng trình NC là cung cấp thông tin điều khiển chuyển động dụng cụ hình thành các đờng hình học đã đợc thiết kế trên chi tiết.
- Trong máy công cụ điều khiển hai trục thẳng thứ nhất X và trục thẳng Y xác định vị trí bàn máy.
- Tọa độ quy chiếu Trong máy công cụ điều khiển số điểm có hai mục đích sử dụng đó là điểm biểu diễn vị trí điểm (points) trong vùng gia công và điểm đợc sử dụng làm điểm quy chiếu (reference points) hay gọi là điểm gốc.
- Nhiều máy CNC ngời ta thiết kế hệ điều khiển yêu cầu bàn máy và trục chính phải quay về điểm gốc máy trớc khi thực hiện chơng trình mới.
- Hình 1-11: Điểm gốc của máy Điều khiển bàn máy và trục chính về gốc máy đợc thực hiện theo hai cách: bằng tay và bằng chơng trình.
- Điều khiển về gốc máy nhờ phần mềm (chơng trình), thờng trú trong máy.
- Hệ điều khiển Funuc và Mitsubishi dùng mã lệnh G28 để thực hiện mục đích đó.
- Hệ điều khiển máy CNC thừa nhận điểm quay về nh là một điểm gốc để tính toán các điểm khác trên máy.
- Khi điều khiển bằng tay ngời ta sử dụng các phím chức năng trên bàn điều khiển.
- Với cách này có thể điều khiển riêng từng trục.
- Điều khiển tự động thực hiện bằng chơng trình thờng trú trong máy.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 26 Thực hiện chức năng quay về điểm góc quay về, hệ điều khiển Funuc sử dụng mã lệnh G28 và G30.
- Sự có mặt của bộ điều khiển - Hệ truyền động cơ khí cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sát.
- Các động cơ đều đợc điều khiển vô cấp.
- Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần đợc điều khiển vô cấp, tự động theo chơng trình, trong phạm vi rộng.
- Từ các yêu cầu trên, ngời ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, nh động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ.
- Chuyển động của các trục đợc điều khiển tự động từ chơng trình.
- Hệ điều khiển dùng động cơ bớc đợc gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí.
- Trên các máy CNC công nghiệp thờng dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí.
- Mỗi trục chạy dao đợc điều khiển bằng một động cơ riêng và đặt trong hệ toạ độ Đề các 1.3.2.
- Hệ thống điều khiển của máy CNC 1.3.2.1.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 29 Tuỳ theo dạng của cỏc chuyển động giữa điểm đầu và điểm cuối của quóng đường chạy này, người ta phõn chia thành 3 dạng điều khiển.
- Điều khiển điểm được ứng dụng trờn cỏc mỏy khoan toạ độ và trờn cỏc thiết bị hàn điểm.
- Trong cỏc điều khiển đường mở rộng 2 trục của mỏy chuyển động với tốc độ như nhau đồng thời ta cú thể gia cụng bề mặt cụn ở gúc 450.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 30 Phạm vi ứng dụng của điều khiển đường bị thu hẹp trờn cỏc mỏy phay và mỏy tiện.
- Điều khiển 2D: Điều khiển 2D cho phộp thực hiện một contour nào đú của dụng cụ cắt trong một mặt phẳng gia cụng.
- Trục thứ 3 được điều khiển độc lập với 2 trục kia (hỡnh a).
- Điều khiển 2 1/2D: Dạng điều khiển này cho khả năng thực hiện cỏc chuyển động nào đú của dụng cụ cắt theo nhiều bề mặt gia cụng.
- Điều khiển 3D: Bằng điều khiển 3D ta cú thể thực hiện cỏc chuyển động của dụng cụ cắt trong một khụng gian 3 kớch thước (hỡnh c).
- Trong điều khiển 3D, tất cả cỏc trục mỏy chuyển động đồng thời.
- Cỏc dữ liệu này được giải mó và hệ thống điều khiển xuất ra cỏc tập lệnh để điều khiển cỏc cơ cấu chấp hành thực hiện cỏc lệnh theo yờu cầu của người sử Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 32 dụng.
- Như vậy, ta cú thể núi hệ điều khiển mỏy CNC trong cụng nghiệp là một hệ điều khiển kớn (dữ liệu lưu thụng theo một vũng kớn).
- Hệ thống điều khiển mỏy CNC ra làm hai phần: phần cứng và phần mềm.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 33 Hình 1-20: Sơ đồ khối của CPU Phần tử điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển tất cả cỏc phần tử của nú và cỏc phần tử khỏc của CPU.
- Xung nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển thực hiện đồng bộ hoạt động của cỏc phần tử.
- Nhiệm vụ này được thực hiện nhờ hai mạch: Mạch điều khiển servo và mạch phản hồi (hỡnh 1-21).
- Hỡnh 1-21 : Điều khiển Servo Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 35 Trờn đõy là cỏc phần cứng chủ yếu của mỏy CNC, ngoài ra cũn cú cỏc phần cứng cơ bản của một mỏy điều khiển số thụng thường như: Điều khiển tốc độ trục chớnh, Điều khiển trỡnh tự và cỏc mạch biến vào-ra (input-output.
- Phần mềm điều khiển: Đõy là chương trỡnh chớnh để thực hiện cỏc chức năng NC.
- Chương trỡnh điều khiển được lưu trữ trong ROM.
- Giỏ thành thấp, bộ điều khiển đởn giản.
- Để điều khiển cho loại này chỉ cần cấp xung liờn tiếp tuần tự từng quận một.
- Cuộn Cuộn Cuộn Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 63 Cỏc hộp vuụng kớ hiệu cho cụng tắc cú nhiờm vụ đúng mở tớn hiệu điều khiển tại cỏc thời điểm thớch hợp.thụng thường để bảo vệ cụng tắc điện tử khụng bị dũng phản hồi ngược trở lại từ cỏc cuộn dõy người ta mắc song song với cuộn dõy một điođe.
- Cuộn 1a Cuộn 1b Cuộn 2a Cuộn 2b Nhận xột : cú thể bỏ hai đầu chung 1, 2 để điều khiển giống như loại động cơ hai cực.
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 65 Với cỏc động cơ cụng suất nhỏ cần dẫn dũng khoảng 500mA cú thể dựng một số chip tớch hợp sẵn cho phộp điều khiển nhiều cặp động cơ .
- Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 67 Riờng mạch điều khiển loại 2 cực đỏi hỏi phải đảo chiều dũng điện đi qua cỏc cuộn nờn sử dụng mạch cầu H.
- Mạch cầu H đựơc ỏp dụng khỏ nhiều ngay cả trong điều khiển DC motor.
- Cú thể chọn cỏch kết hợp 2 con L298 để nõng gấp đụi hạn dũng điều khiển trờn 1 kờnh.
- thiết kế hệ thống điều khiển và phần mềm điều khiển 3.1.
- 0.4V-10mA + Cú chế độ điều khiển đủ bước và vi bứơc (Pin 19.
- Nguồn cấp điều khiển (Pin 9.
- Nguồn cấp điều khiển động cơ (max) (Pin 4): Vs= 50V – 3A +Xung cấp đầu ra điều khiển cỏc cuộn động cơ (Pin Sơ đồ nguyờn lý của chip L298: Sơ đồ chõn L298: Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 73 Cần lưu ý là khi chạy với dũng đủ lớn thỡ chip L298 khỏ núng vỡ vậy cần gắn thờm cho chip một bộ tản nhiệt nhụm và cú hệ thống quạt làm mỏt.
- Kết nối hai chip lại theo sơ đồ chõn tương ứng ta được sơ đồ nguyờn lý mach cấp xung điều khiển động cơ bước : Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 74 Một ưu điểm khi sử dụng cặp điều khiển L297- L298 là khả năng phản hồi dũng chạy qua cỏc quận Stato động thời cho phộp điều chỉnh chọn lựa dũng qua cỏc quận động cơ trỏnh khụng bị núng.
- Cú thể cú nhiều cỏch thiết kế mạch điều khiển cho động cơ bước như dựng kết hợp cỏch ly quang và tranzitor trường tuy nhiờn khụng cú khả năng phản hồi dũng.
- 3 modun điều khiển 3 động cơ bước (trong mỗi modun cú hệ thống đốn Led bỏo chạy bước.
- 1 modun kết nối trao đổi tớn hiệu điều khiển với PC.
- Modun nguồn chuyển từ 24VDC 5VDC sử dựng IC LM2576: Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 76 + Modun kết nối với PC: Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 77 + 3 modun điều khiển stepp motor: Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 78 + Nguyờn lý tổng: Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 79 3.2.
- Phần mềm điều khiển.
- 1 bước ren (mm) x stepp  1 (mm) Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 84 x = 200/ bước ren [bước] Với bước ren vớt me f = 1.25 mm, chế độ điều khiển nửa bước ( 400 stepp/vũng.
- Bổ sung hoàn thiện phần thiết kế hệ thống điều khiển của máy Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Anh Đức 92 Trong suốt quỏ trỡnh thực hiện, tụi đó nhận được nhiều giỳp đỡ quý bỏu

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt