Phân tích và thiết kế hệ thống CNC 2DOF dẫn động băng đai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
o0o
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CNC 2-DOF DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI
SVTH : Hà Phương
MSSV : 20701861
GVHD : TS. Phạm Công Bằng

TP.HỒ CHÍ MINH, 2011
LỜI CÁM ƠN
Lời đầu tiên, em xin cảm ơn tất cả quý Thầy/Cô trong Khoa Cơ Khí cũng như quý
Thầy/Cô ở Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã trang bị những kiến thức quý báu cũng
như đã giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Phạm Công Bằng, người đã tận tình chỉ
dạy cho em phương pháp nghiên cứu khoa học, cung cấp rất nhiều kiến thức chuyên sâu để
thực hiện đề tài. Trong quá trình làm luận văn em đã tiếp thu từ Thầy rất nhiều điều quý báu
là hành trang cho em bước vào công việc và cuộc sống sau này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/Cô đã dành thời gian quý báu để nhận
xét và chấm Luận văn tốt nghiệp. Đây sẽ là nhưng đóng góp rất quý giá cho em để hoàn thiện
và phát triển đề tài ngày một tốt hơn, đưa vào ứng dụng thực tiễn trong sản xuất.
Xin gửi lời cám ơn đến các bạn trong nhóm luận văn do thầy Phạm Công Bằng hướng
dẫn cùng tập thể lớp CK07CD đã nhiệt tình giúp đỡ mình trong quá trình học tập tại trường và
quá trình làm luận văn.
Sau cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Mẹ, Ba, Chị, Em những người đã luôn
luôn động viên, ở bên con trong những lúc khó khăn nhất, là động lực cho con nỗ lực cố gắng
trong suốt những năm tháng học tập tại trường và trên những bước đường tiếp theo trong cuộc
sống.
i

i
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Bàn máy 2-DOF (2D) là một hệ thống mà bộ phận công tác của bàn máy có thể chuyển
động trong một mặt phẳng. Bàn máy 2D có thể được ứng dụng để khắc chữ cái, hoa văn trang
trí, để di chuyển đồ vật trong mặt phẳng hay trong các máy CNC nhiều bậc tự do… Có thể
thấy ứng dụng của bản máy 2D rất phong phú trong nhiều lĩnh vực. Luận văn này tập trung
vào việc thiết kế hệ thống bàn máy 2D được dẫn động bằng đai đồng thời nghiên cứu giải
thuật và viết chương trình điều khiển cho bàn máy có thể chuyển động theo các biên dạng cho
trước.
ii
ii
MỤC LỤC
iii
iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bàn máy 2 bậc tự do MAXY 4000
1
Hình 1.2: Máy cắt tia nước L2040 Water Jet
2
Hình 1.3: Máy cắt laser CJG-185300
2
Hình 1.4: Máy cắt plasma TruEdge II
2
Hình 1.5: Máy đo quang 2 bậc tự do
3
Hình 1.6: Sản phẩm thép được cắt theo biên dạng 2D
3
Hình 1.7: Khắc hoa văn trên đá Granite
3
Hình 1.8: Sản phẩm 3D được tạo từ biên dạng 2D

4
Hình 1.9: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc
5
Hình 1.10: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai Flat Bridge FPA
5
Hình 1.11: Máy Shot Mini 100s
6
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai
7
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D
9
Hình 2.2: Mô hình thiết kế tổng thể
10
v
Hình 2.3: Cụm khung
11
Hình 2.4: Cụm động cơ
11
Hình 2.5: Cụm pulley trơn chuyển hướng
12
Hình 2.6: Cụm pulley răng truyền động
12
Hình 2.7: Cụm cơ cấu chấp hành
13
Hình 2.8: Mô hình tổng thể bàn máy 2D trong thực tế
13
Hình 2.9: Động cơ step CSA-UA56D1-SB
14
Hình 2.10: Bánh đai ATP20XL025-A-H8
15

Hình 2.11: Biểu đồ moment
16
Hình 3.1: Nguyên lý động cơ bước 2 pha đơn cực
18
Hình 3.2: Dãy cấp xung mỗi pha trong điều khiển Full Step
19
v
Hình 3.3: Vùng từ trường quay theo trình tự cấp xung Full Step
19
Hình 3.4: Các dạng kích xung động cơ step
20
Hình 3.5: : Mạch công suất động cơ CSA-UA56D1-SB
21
Hình 3.6: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN1
21
Hình 3.7: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN2
21
Hình 3.8: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN3
22
Hình 3.9: Cụm SW1 và SW2 cài đặt các chế độ hoạt động của động cơ
22
Hình 3.10: Card điều khiển SMC-4DF-PCI
25
Hình 3.11: Sơ đồ chân cổng giao tiếp các thiết bị ngoại vi của card
26
Hình 3.12: Cách kết nối nhiều card SMC-4DF-PCI
26
Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch xuất xung CW, CCW
27
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch truyền nhận tín hiệu giữa card và diver động cơ

28
Hình 3.15: Sơ đồ nối dây giữa card với động cơ bước và thiết bị output
28
Hình 3.16: Sơ đồ nối dây giữa card các cảm biến vị trí
29
Hình 3.17: Hệ thống điện được kết nối trong thực tế
29
Hình 3.18: Sơ đồ nối dây của card với các cổng COM
30
vi
Hình 4.1: Sơ đồ động học của bàn máy 2D
31
Hình 4.2: Chuyển động nhỏ nhất của cơ cấu chấp hành
35
Hình 4.3: Lưới chuyển động của cơ cấu chấp hành
36
Hình 4.4: Phân tích chuyển động của bộ phận công tác theo hướng trục OX
36
Hình 4.5: Nội suy đường Spline
46
Hình 4.6: Làm trơn láng quỹ đạo
46
Hình 4.7: Sơ đồ lệnh chạy mỗi bank
47
Hình 4.8: Sơ đồ giải thuật điều khiển bàn máy 2D
48
Hình 4.9: Giao diện chương trình điều khiển bàn máy 2D
49
Hình 5.1 Nội suy đường tròn với tốc độ khác nhau
52

vi
Hình 5.2: Kết quả thực nghiệm chuyển động cơ bản
53
Hình 5.3: Kết quả thực nghiệm nội suy đường thẳng và đường tròn
54
Hình 5.4: Nội suy đường tròn bằng các đoạn thẳng nhỏ
55
Hình 5.5: Thực nghiệm làm trơn láng quỹ đạo
56
Hình 5.6: Thực nghiệm chạy hơn 1024 bank
57
Hình 5.7: Thực nghiệm vẽ chuỗi “WELCOME”
57
vii
vii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của động cơ Step
14
Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của động cơ CSA-UA56D1-SB
20
Bảng 3.2: Các giá trị góc bước của động cơ
22
Bảng 3.3: Các chế độ kích xung cho động cơ
23
Bảng 3.4: Các giá trị dòng giữ của động cơ
23
Bảng 3.5: Các giá trị dòng hoạt động của động cơ
24
Bảng 3.6: Chức năng của các chân nối của card
27

Bảng 4.1: Các chuyển động nhỏ nhất của cơ cấu chấp hành
35
Bảng 4.2: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng ARC
39
Bảng 4.3: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng CIRCLE
39
Bảng 4.4: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng ELLIPSE
40
Bảng 4.5: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng LINE
40
Bảng 4.6: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng POINT
41
Bảng 4.7: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng POLYLINE
41
Bảng 4.8: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng SPLINE
41
viii
Bảng 4.9: Nhóm mã sau ứng dụng cho các đối tượng TEXT
41
Bảng 5.1: Dạng nội suy được hỗ trợ trong card SMC-4DF-PCI
54
viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về hệ thống bàn máy 2 bậc tự do
Bàn máy 2 bậc tự do (2D) nhờ tác động của 2 động cơ kết hợp chuyển động của 2 trục
tạo ra những quỹ đạo mong muốn trên mặt phẳng. Bàn máy 2D có thể chuyển động theo trục
OX, OY trong mặt phẳng nằm ngang OXY (hình 1.1), hoặc theo 2 trục OY, OZ hoặc OX, OZ
trong mặt phẳng thẳng đứng. Phổ biến hiện nay là bàn máy 2D chuyển động trong mặt phẳng

OXY. Bàn máy có thể gắn bộ phận công tác phục vụ nhiều mục đích khác nhau như gia công
chi tiết 2D, cắt sản phẩm, khắc họa tiết, hoa văn 2D
Nhờ những tiến bộ khoa học và công nghệ hiện nay trên thị trường đã có những bàn
máy 3 bậc tự do, các loại máy CNC 4, 5 hoặc 6 bậc tự do nhưng bàn máy 2D vẫn có chỗ đứng
riêng của nó nhờ các ưu điểm của nó so với các loại bàn máy hiện đại khác như sau:
• Cấu tạo đơn giản
• Chi phí chế tạo và vận hành thấp
• Điều khiển linh hoạt và dễ dàng
• Phù hợp với mục đích gia công trên mặt phẳng.
Hình 1.1: Bàn máy 2 bậc tự do MAXY 4000 [1]
1.1.1 Các loại bàn máy 2 bậc tự do
Hiện nay bàn máy 2 bậc tự do được ứng dụng rất rộng rãi. Phần lớn các loại bàn máy
gia công, máy CNC phay, tiện… đều có ứng dụng bàn máy 2 bậc tự do trong việc tạo chuyển
16
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
trong mặt phẳng nằm ngang. Bàn máy 2D được gắn bộ phận công tác khác nhau sẽ trở thành
các máy chuyên biệt sử dụng các công nghệ gia công khác nhau như máy cắt tia nước (hình
1.2), máy cắt laser (hình 1.3) , máy cắt plasma (hình 1.4), máy hàn cắt hoặc sử dụng vào các
mục đích khác như máy đo quang học (hình 1.5)…
Hình 1.2: Máy cắt tia nước L2040 Water Jet [2]
Hình 1.3: Máy cắt laser CJG-185300 [3]
17
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.4: Máy cắt plasma TruEdge II [4]
Hình 1.5: Máy đo quang 2 bậc tự do [5]
1.1.2 Khả năng công nghệ
Hiện nay những bàn máy 2 bậc tự do được lắp bộ phận công tác có thể tạo ra nhiều sản
phẩm gỗ, nhựa, thủy tinh, thép, đá …cắt theo biên dạng 2D, khắc họa tiết, hoa văn lên sản
phẩm, gia công những vật có dạng 3D được tạo ra từ biên dạng 2D…

Hình 1.6: Sản phẩm thép được cắt theo biên dạng 2D [6]

18
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.7: Khắc hoa văn trên đá Granite [6]
Hình 1.8: Sản phẩm 3D được tạo từ biên dạng 2D
1.1.3 Các dạng chuyển động đối với bàn máy 2 bậc tự do và ưu nhược điểm của chúng
a) Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc
Loại bàn máy này phổ biến nhất trên thị trường hiện nay. Mỗi trục được điều khiển độc
lập bởi 1 động cơ, truyền động bằng visme đai ốc đến bộ phận công tác. Nó có ưu, nhược
điểm là:
 Ưu điểm:
• Đã tồn tại khá lâu và phổ biến nên kết cấu gần như được hoàn thiện.
• Các chi tiết lắp ráp đã được tiêu chuẩn hóa có thể dễ dàng tìm mua và thay thế, chi
phí chế tạo rẻ hơn so với các dạng bàn máy khác.
 Nhược điểm:
• Cấu tạo cồng kềnh.
• Trục phía dưới phải chịu toàn bộ trọng lượng của trục phía trên và cả động cơ nên
phải tính toán bền phức tạp hơn các phương án thiết kế khác.
• Lắp ráp phức tạp.
b) Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai
Khác với dạng chuyển động ở trên, động cơ truyền động đến bộ phận công tác qua đai.
So với dạng truyền động bằng visme đai ốc, dạng truyền động bằng đai có những ưu nhược
điểm như sau.
19
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
 Ưu điểm:
• Kết cấu đơn giản hơn.
• Khối lượng hệ thống được giảm đi đáng kể.
 Nhược điểm:

• Có thể xảy ra hiện tượng trượt đai vì thế nên cần phải tính toán thiết kế hệ thống cẩn
thận.
• Bị hạn chế về mặt tải trọng của bộ phận công tác.
• Sau một thời gian phải tiến hành thay đai.
Hình 1.9: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc [1]
Hình 1.10: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai Flat Bridge FPA [7]
20
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
c) Bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng vistme-đai ốc
Đặc điểm của dạng này là 2 trục nằm độc lập, một trục nằm phía dưới, một trục nằm
phía trên, và chúng tách rời với nhau (hình 1.11). Dạng bàn máy này có những ưu nhược điểm
như sau
 Ưu điểm:
• Hai trục không đặt chồng lên nhau nên dễ dàng cho việc điều khiển.
• Kết cấu đơn giản dễ tháo lắp.
 Nhược điểm:
• Cần chú ý tính toán bền cho phần đỡ trục phía trên.
• Cụm trục phía trên gồm 1 trục và bộ phận công tác nên khá cồng kềnh.
Hình 1.11: Máy Shot Mini 100s [8]
d) Bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai
Đặc điểm của dạng bàn máy này là vị trí của bộ phận công tác được điều khiển kết hợp
đồng thời của 2 động cơ thông qua chỉ một dây đai đơn (hình 1.12). Ưu, nhược điểm của dạng
này đó là:
 Ưu điểm:
• Kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp.
• Dễ triển khai.
• Phạm vi hoạt động rộng.
• Đơn giản hóa việc tính toán sức bền cho cơ cấu.
21
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

• Hai trục không đặt chồng lên nhau nên 2 động cơ điều khiển cho 2 trục có thể chọn
cùng 1 loại động cơ, cùng 1 loại công suất, dễ dàng hơn cho việc tính toán và điều
khiển.
 Nhược điểm:
• Cơ cấu này vẫn còn mới trên thị trường, chưa được đầu tư nghiên cứu nhiều nên khi
thiết kế và điều khiển sẽ còn nhiều hạn chế cần tối ưu dần.
• Vì sử dụng đai truyền động nên khả năng chịu tải kém.
1- Vùng làm việc của bộ phận công tác.
2- Bộ phận công tác.
3- Đai răng.
4- Thanh trượt.
5- Pulley
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài
Với bàn máy 2 bậc tự do đối với 3 dạng đầu tiên đã được nghiên cứu kỹ và ứng dụng
rộng rãi. Trong khi đó với dạng bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai vẫn
còn đang rất mới mẻ cả về thiết kế lẫn ứng dụng, có thể đào sâu nghiên cứu để đưa vào ứng
dụng thực tế trong sản xuất và nhiều lĩnh vực khác. Vì thế nên đề tài luận văn tập trung phân
tích, thiết kế, và điều khiển hệ thống bàn máy 2D dẫn động bằng đai sao cho bộ phận công tác
có thể di chuyển theo quỹ đạo mong muốn trong mặt phẳng OXY.
 Nhiệm vụ đề tài
• Phân tích, thiết kế và chế tạo bàn máy 2D dẫn động bằng đai.
22
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• Phân tích động học hệ thống và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D
• Thiết kế chương trình giao diện điều khiển bàn máy 2D bằng chương trình Visual C#
2008.
 Phạm vi đề tài:
• Bộ phận công tác có khả năng chuyển động trên mặt phẳng với độ chính xác dịch
chuyển là 0,1(mm).

• Phạm vi hoạt động của bàn máy là 350×250 (mm).
1.3 Tổ chức luận văn
Để thực hiện các nhiệm vụ trên thì cần tổ chức thực hiện luận văn như sau:
Chương 2 : Tính toán và thiết kế mô hình cơ khí.
Chương 3: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điện.
Chương 4: Phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển.
Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.
Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài.
23
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
CHƯƠNG 2
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
Trong chương này sẽ tiến hành tính toán và thiết kế cơ khí bàn máy 2D sao cho đảm
bảo các yêu cầu về kỹ thuật như độ bền, độ chính xác dịch chuyển là 0,1 mm, vùng hoạt động
của cơ cấu chấp hành là 350 x 250 (mm).
2.1 Thiết kế cơ khí
1-Vùng làm việc của bộ phận công tác
2-Bộ phận công tác
3-Pulley truyền động
4-Đai răng
5-Pulley chuyển hướng
6-Con trượt
7-Thanh trượt
8-Động cơ
24
CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D
Dựa vào sơ đồ nguyên lý của bàn máy (hình 2.1), tiến hành thiết kế sơ bộ mô hình tổng
thể và các cụm chi tiết trong mô hình.
Hình 2.2: Mô hình thiết kế tổng thể

Bàn máy gồm 2 động cơ Step truyền động bằng đai, qua các pulley chuyển hướng để
điều khiển cơ cấp chấp hành như hình 2.2.
Các cụm chi tiết của mô hình là:
• Cụm khung
• Cụm động cơ.
• Cụm pulley trơn chuyển hướng.
• Cụm pulley răng truyền động.
• Cụm cơ cấu chấp hành.
2.1.1 Cụm khung
Cụm khung (hình 2.3) sử dụng những thanh nhôm định hình tiết diện ngang là 30 x 30
(mm), độ dài thanh nhôm là 850 và 450 (mm), được lắp chặt với nhau bằng các miếng tam
giác. Khung nhôm được đặt trên mặt phẳng, dùng để đỡ các cụm chi tiết khác.
2.1.2 Cụm động cơ
Mô hình cụm động cơ trong thiết kế và chế tạo thực tế thể hiện trong hình 2.4 gồm các
bộ phận chính như sau:
• Động cơ step.
• Giá đỡ động cơ.
• Pulley truyền động từ trục động cơ đến đai.
25