Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục

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 các chương
trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
12
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.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
13
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.

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
14
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.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
15
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


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
16
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.




SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
17
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 l
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 l 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.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
18
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.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
19
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  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.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
20
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/s
2
,
T
m
là momen động cơ, T
tải
là momen tải đặt lên trục động cơ và J là momen quán
tính của Rôto và tải ta có quan hệ:
a = (T
m
-T
tải
)/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  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


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
21
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM
2.2.Bộ điều khiển động cơ AC Servo.
Động cơ AC Servo được thiết kế chế tạo với mục đích điều khiển chính xác
vị trí, tốc độ và momen, do vậy driver điều khiển động cơ Servo cũng rất phức tạp
và khó chế tạo. Các bộ driver servo được bán kèm với động cơ Servo với giá thành
rất cao.

Hình 2.4 Driver servo và động cơ Servo

Hình 2.5 Sơ đồ ghép nối động cơ với driver.

SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
22
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.5 Driver Servo của Mishubishi
III.Mạch điều khiển AKZ250.
3.1.Giới thiệu mạch AKZ250.
Mạch AKZ250 là mạch kết nối giữa phần mềm điều khiển ( phần mềm
Mach3) trên máy tính và các phần tử điều khiển như driver điều khiển động cơ bước
hoặc Servo, ngoài ra còn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ các cảm biến và
công tắc hành trình và đưa về phần mềm sử lý.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
23
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.6: Mạch AKZ250.
3.2.Đặc điểm của mạch AKZ250:
- Hỗ trợ giao tiếp với tất cả các phiên bản của phần mềm Mach3, bao gồm cả
phiên bản Mach3 R3.042.040.
- Tương thích với Windows2000/XP/Vista/win 7
- Không cần cài đặt thêm bất cứ USB driver nào thêm cho máy tính, có thể sử
dụng ngay sau khi cắm vào máy tính.
- Tương thích hoàn toàn với mọi cổng USB, mạch liên tục giám sát trạng thái của
cổng USB.

- Bù được các thiết sót và sai lệch của phần mềm Mach3.
- Tần số dao động tối đa là 200KHz, thích hợp cho động cơ Servo cũng như động
cơ bước.
- Có các đèn LED báo trạng thái kết nối cổng USB và trạng thái hoạt động của
mạch.
- Có 16 đầu ra cho các mục đích khác nhau.
- Tốc độ chạy dao và tốc độ trục chính có thể được điều khiển bởi núm điều khiển.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
24
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM
- Cấp nguồn qua cổng USB, không cấp cần nguồn nuôi riêng.
3.3.Cài đặt và ứng dụng.
Mạch AKZ250 lấy nguồn từ cổng USB với moodun chia nguồn, không cần nguồn
cấp từ bên ngoài.
Tất cả các đầu ra, bao gồm chân tạo xung và chân dẫn hướng cho 4 trục (8 đầu ra
điều khiển) và đầu ra tín hiệu xung cho trục chính được đặt qua điện trở cao khi
cổng USB được kết nối. Khi chạy phần mềm Mach3, các tốc độ được điều khiển
bởi Mach3.
Tất cả các tín hiệu ra từ Mach3 cần được cài đặt ở chế độ tích cực thấp.
3.3.1. Chân đầu ra tín hiệu điều khiển động cơ các trục tọa độ.

Hình 2.7 : Chân điều khiển các trục.
Mạch AKZ250 hỗ trợ tối đa là điều khiển 5 trục tọa độ. Với phiên phản như
hình vẽ thì chỉ điểu khiển được tối đa 4 trục tọa độ là X, Y,Z và A. Mạch AKZ250
hỗ trợ điều khiển động cơ bước và động cơ Servo.
Trên board mạch có chú thích rõ ràng về các tín hiệu điều khiển cho từng
trục X, Y, Z, A. Với mỗi trục ta có 2 tín hiệu điều khiển, một là tín hiệu xung Step

cung cấp đến driver động cơ để điều khiển tốc độ động cơ, tín hiệu còn lại là tín
hiệu Direct điểu khiển hướng quay của động cơ. Tất cả các tín hiệu điều khiển từ
AKZ250 đều phải đưa qua driver động cơ mới có thể điều khiển được động cơ vì
tín hiệu ra chỉ là tín hiệu điểu khiển với mức điện áp 5V.
Tín hiệu ra điều khiển động cơ được tạo ra qua IC6N137 như hình vẽ.


SVTH: PHẠM QUANG KHẢI Lớp: Cơ điện tử 2 K54
SHSV: 20091468
25
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS. TRẦN LÂM

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý chân điều khiển các trục tọa độ và trục chính.
3.3.2. 16 đầu và đa mục đích.
Trên mạch AKZ250 có 16 đầu vào để người dùng sử dụng với các mục đích
khác nhau, với mỗi mục đích sử dụng cho mỗi đầu vào ta phải cài đặt để hệ thống
nhận biết mục đích sử dụng, việc cài đặt mục đích đầu vào được thực hiện trên phần
mềm điều khiển. Ở đây ta sử dụng phần mềm Mach3. Chi tiết phần cài đặt hệ thống
trong Mach3 được để cập chi tiết trong phần tiếp theo.

Hình 2.9 Bố trí 16 cổng vào đa mục đích trên AKZ250.
Các mục đích sử dụng cho các cổng vào thường thấy như tín hiệu tạm dừng
chương trình, tín hiệu từ các cảm biến, công tắc hành trình
Cấu tạo cổng vào của mạch AKZ250 được trình bày như hình bên dưới.