THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CYBER MILL PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM

i 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ




LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CYBER
MILL PHỤC VỤ THÍ NGHIỆM


GVHD: THS. NGUYỄN THÁI ANH TUẤN
SVTH: LÊ ĐÌNH THI
MSSV: 20302660




Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2008
Nhiệm vụ luận văn
 
 
 

 
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Nhiệm vụ đề ra trong luận văn tốt nghiệp này là:

• Tìm hiểu kết cấu, tính năng mô hình thí nghiệm máy phay Cyber Mill sẵn có.
• Đề nghò phương án thiết kế bộ điều khiển Cyber Mill phục vụ thí nghiệm.
• Đọc được File dữ liệu G_Code và File dữ liệu Autocad.
• Thi công và điều khiển.
Lời cảm ơn
 
 
 
ii
 
LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN THÁI ANH TUẤN đã tận tình hướng dẫn
em làm bản luận văn Tốt nghiệp này. Thầy đã dành cho em sự giúp đỡ nhiệt tình trong suốt
thời gian làm luận văn.
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý thầy cô Bộ môn Cơ điện tử
đã dành thời gian quý báu để đọc, nhận xét, và tham gia hội đồng chấm luận văn.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tất cả quý thầy cô trong Khoa Cơ Khí Trườøng Đại Học Bách
Khoa TP. HCM đã trang bò cho em các kiến thức cơ sở và chuyên ngành cũng như giúp đỡ
em trong thời gian làm luận văn.



Chân thành cảm ơn.
  Sinh viên thực hiện
              Lê Đình Thi


Tóm tắt
 
 

 
iii
 
TÓM TẮT

Hiện nay hệ thống FMS (Flexible Manufacturing System) là một trong những môn
học cần hiết đóng vai trò quan trọng đối với các sinh viên nghành kó thuật đặc biệt là nghành
cơ điện tử giúp cho sinh viên có cái nhìn tổng quát về một hệ thống tự động mà không cần
phải vào những nhà máy lớn, giúp sinh viên tiếp cận cũng như được thực hành với những hệ
thống tự động mà không phải bỡ ngỡ khi tiếp xúc thực tế.
Do đó việc phát triển một mô hình thí nghiệm FMS là rất cần thiết phục vụ cho việc
học hành cũng như thí nghiệm trong nhà trường.
Nắm bắt được tầm quan trọng đó nhà trường đã đầu tư một hệ thống FMS phục vụ
cho việc thí nghiệm, nhưng hiện giờ hệ thống máy đã bò hư hỏng chỉ còn lại phần cơ, do đó
cần phải thiết kế lại bộ điều khiển cũng như phần mềm điều khiển cho hệ thống máy. Hệ
thống FMS này gồn 2 thành phần đó là hệ thống tay máy và hệ thống gia công CNC 2 1/2D,
do giới hạn của Luận văn nên trong luận văn này chỉ tập trung vào việc phục hồi lại hệ thống
điều khiển cho máy phay Cyber Mill.

Mục lục

iv 
 
Mục lục
Đề mục Trang
Trang bìa…………………………………………………………………………………..i
Nhiệm vụ luận văn
Lời cảm ơn………….…………………………………………………………………….ii
Tóm tắt…………………………………………………………………………………...iii
Mục lục…………………………………………………………………………………...iv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN...................................................................................................1
1.1 Tổng quan về hệ thống FMS................................................................................1
1.1.1

Đònh nghóa.............................................................................................1
1.1.2

Đặc điểm của hệ thống FMS................................................................1
1.1.3

Những ưu điểm của hệ thống FMS.......................................................1
1.2 Giới thiệu về hệ thống FMS “Walli”....................................................................3
1.3 Những phần tử trong hệ thống “Walli”.................................................................4
1.3.1

Hệ thống băng tải..................................................................................4
1.3.2

Phần tử robot..........................................................................................5
1.3.2.1

Giới thiệu tổng quan về robot………………………..………5
1.3.2.2

Các robot sử dụng trong hệ thống “Walli”…………….…….8
1.3.3

Phần tử máy phay “Cyber Mill”………………………………….…..9
1.3.3.1

Tổng quan về máy phay CNC……………………………….9
1.3.3.2

Phần tử máy phay “Cyber Mill” trong hệ thống “Walli”…..13
1.4 Xu hướng phát triển của hệ thống FMS……………………………………….14
CHƯƠNG 2: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN…………………………………………...15
2.1 Giải thuật thu tọa độ File *.DXF của Autocad…………………………………15
2.1.1 Qui tắc lưu tọa độ trong file DXF……………………………………..15

2.1.1.1 Đường thẳng………………………………………………….15
2.1.1.2 Hình chữ nhật………………………………………………...16
2.1.1.3 Cung tròn…………………………………………………….18
2.1.2 Giải thuật………………………………………………………………21
2.1.2.1 Giải thuật thu tọa độ đường thẳng…………………………..22
2.1.2.2 Giải thuật thu tọa độ hình chữ nhật………………………….23
2.1.2.3 Giải thuật thu tọa độ cung tròn………………………………25
2.2 Giải thuật thu tọa độ File CAD/CAM…………………………………………28
Mục lục

v 
 

2.2.1 Giới thiệu lệnh CNC căn bản………………..………………………28
2.2.2 Giải thuật thu tọa độ………………………………………………….30
2.3 Giải thuật nội suy ……………..……………………………………………….34
2.3.1 Giải thuật nội suy đường thẳng ………………………………………34
2.3.2 Giải thuật nội suy đường tròn ……………………..…………………37
2.4 Điều khiển………………………………..…………………………………….39
2.4.1 Mạch điều khiển dùng Pic Microcontroller……………….………….39
2.4.2 Mạch công suất của 2A Stepper Motor………………………………42

2.4..3 Mạch cung cấp nguồn…………………………………….………….43
2.5 Giới thiệu hệ thống phần cứng máy CNC……………………………………44
2.5.1 Bàn máy……………………………………………………………….44
2.5.2 Motor trục chính…………………………………………….…………45
2.5.3 Motor kẹp chặt……………………………………………...………….46
2.6 Sơ đồ hệ thống điều khiển……………………………………………………46
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN…………………………………………48
3.1 Chương trình chính……………………………………………………………48
3.1.1 Giao diện chương trình chính…………………………………………48
3.1.2 Chức năng các thành phần chính………………………….………….49
3.2 Gia công biên dạng…………………………………………………………..51
3.2.1 Gia công bằng chương trình gia công(G-Code)…………..…………..51
3.2.2 Gia công bằng File Autocad(*.Dxf)……………………..……………53
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN……………………………………………………………….57
4.1 Những vấn đề đã được giải quyết………………………………………….57
4.2 Hướng phát triển của đề tài………...………………………………………57
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………..58
Chương 1 Tổng quan
 
  6  
  Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hệ thống FMS
1.1.1 Đònh nghóa
FMS (FLEXIBLE MANUFACTURE SYSTEMS) Hệ thống sản xuất linh họat là một hệ
thống tự động thực hiện những nguyên công khác nhau theo những trình tự khác nhau trên
cùng một công cụ như nhau ( phần chấp hành). Sự ra đời của hệ thống sản xuất linh họat là
do sự phát triển của hệ thống tin học.
Tính linh họat của sản xuất được tính một cách đặc biệt để đáp ứng ràng buộc về kinh
tế của một thò trường đa dạng mà lợi nhuận cao nhờ giảm tồn kho và thời gian sản xuất. Nhu

cầu về hệ thống sản xuất linh họat nhạy bén nhất là trong gia công cơ khí. Ngoài ra nó còn
tồn tại trong một số lónh vực khác nhau như : lắp ráp, đóng gói và sản xuất đồ hộp, đúc, thực
phẩm và các dạng sản xuất khác. Ngày nay, các phương tiện tin học cho phép điều khiển và
giám sát hết sức linh họat và chỉ phụ thuộc vào cơ cấu chấp hành. Các thành phần trong hệ
thống FMS bao gồm:
- Điều khiển (điều khiển dòng vật liệu).
- Cơ cấu vận chuyển phôi.
- Cấp phôi, đònh hướng và cố đònh.
- Biến đổi vật chất (gia công, rữa và kiểm tra).
∗ Đặc điểm của hệ thống FMS:
- Thích nghi nhanh chóng với tính đa dạng của sản xuất và sản lượng trung bình.
- Điều khiển tức thì, cho phép tối ưu hóa thời gian chạy máy và dòng vật liệu.
- Sử dụng người máy ở trình độ cao để cấp phôi cho máy.
∗ Những ưu điểm của hệ thống FMS:
- Khả năng thay đổi dòng vật chất mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của
dòng vật liệu.
- Có thể tự động sản xuất nhiều lọai sản phẩm mà không cần thay đổi công cụ sản xuất.
Chương 1 Tổng quan
 
  7  
- Nâng cao được chất lượng sản phẩm nhờ thực hiện những thay đổi cần thiết trong thiết
kế sản phẩm.
- Giảm giá thành nghiên cứu và chế tạo công cụ.
- Nhòp sản xuất nhanh hơn.
- Điều khiển cả xí nghiệp tốt hơn, giảm thời gian chết, lưu kho trong sản xuất.
- Hệ thống sản xuất mang tính đồng bộ.
- Giảm được số người làm việc tại những nơi nguy hiểm, khó khăn.
- Có thể thay đổi cấu hình sản xuất một cách nhanh chóng trong trường hợp xảy ra sự
cố.
Hệ thống FMS áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật về tin học ,kỹ thuật điều

khiển số, điều khiển người máy, đặc biệt là mô hình sãn xuất tự động có tên là Workcell (tế
bào sản xuất tự động), đây là đơn vò cơ bản có khả năng làm việc độc lập hoàn toàn với các
bộ phận khác trong nhà máy, nó đảm đương việc thực hiện hoàn tất một nguyên công trong
quy trình sản xuất. Workcell này còn có thể biến đổi chức năng làm việc để phù hợp với nhu
cầu thay đổi mẫu mã của sản phẩm cũng như kết nối với với các workcell khác để tạo nên
dây chuyền sản xuất linh hoạt.
Dây chuyền công nghiệp dùng người máy được điều khiển bằng máy tính điện tử cùng
với các thiết bò gia công điều khiển số dạng NC và CNC tạo khả năng dễ dàng thay đổi quy
trình làm việc, sự thay đổi công việc có thể thực hiện chủ yếu chỉ bằng sự thay đổi chương
trình trong máy tính. Các thiết bò này thay thế dần các máy tự động “cứng”.

Dưới đây là mô hình thí nghiệm thu nhỏ của hệ thống sản xuất linh hoạt sử dụng robot
kết hợp với máy CNC dưới sự điều khiển của máy tính:
Kho 
Trạm gia
côn
g
Vận chuyển
phôi 
Rây dẫn
Robot lưu
kho
Chương 1 Tổng quan
 
  8  
 
Hình 1.1 Mô hình hệ thống FMS chuẩn, trong sản xuất máy bay
Bên cạnh những thuận lợi thì hệ thống sản xuất linh hoạt còn nhiều vấn đề như : cấu
trúc tổ chức, quản lý các phần tử cơ bản trong hệ thống đến việc đánh giá lợi ích, các vấn đề
xã hội mà hệ thống sản xuất gây ra. Chính những vấn đề này đã gây ra sự phức phức tạp mà

đòi hỏi chúng ta phải đi nhgiên cứu tìm hiểu về nó, để cho việc ứng dụng các hệ thống này
trong thực tế mang lại hiệu quả cao.

1.2 Giới thiệu về hệ thống FMS “Walli”
 
“WALLI” là tên của hệ thống FMS bao gồm một dãy những thiết bò tương thích lẫn
nhau cụ thể như robot , máy CNC và những thiết bò ngoại vi khác như là băng tải thể hiện
được những yêu cầu đòi hỏi của dây chuyền sản xuất tự động . Dãy thiết bò tương ứng ở trên
được thiết kế nhằm mục đích phục vụ lónh vực học tập nhưng tất cả chúng vẫn phù hợp với
một dây chuyền công nghiệp nhẹ .

Chương 1 Tổng quan
 
  9  
    
 
 
Hình 1.2 Mô hình chung về hệ thống “Walli “

“WALLI” sử dụng phần mềm có tên là “WALLI 3” hay còn gọi là “WALLI for
window” nhằm để giám sát việc điều khiển cho những phần tử của Walli như là Robot , máy
CNC , kể cả những phần tử ngoại vi và cũng có thể kết hợp các phần tử này lại với nhau để
tạo thành tế bào sản xuất tự động hay còn gọi là “Work Cell”. Phần mềm này chạy đơn giản
như những phần mềm cài đặt khác và nó có thể mô phỏng tất cả các hoạt động của hệ thống
thế nhưng việc điều khiển hay giám sát hoạt động của robot hay máy CNC cần phải sử dụng
Card giao được lắp đặt trên máy tính PC. Để tìm hiểu ứng dụng của phần mềm này chúng ta
sẽ đi vào tìm hiểu cụ thể từng phần tử của hệ thống WALLI.

1.3 Những phần tử trong hệ thống “Walli”
Chương 1 Tổng quan

 
  10  
1.3.1 Phần tử băng tải
Hệ thống băng tải được thiết kế như là 1 đơn vò độc lập . Nó có thể được sử dụng như là
một đơn vò băng tải hoạt động độc lập hoặc có thể kết hợp với những thành phần khác tạo
thành hệ thống FMS dưới sự điều khiển của phần mềm máy tính.
Những yếu tố liên quan đến băng tải:
• Chiều dài cơ bản của băng tải là 500mm
• Bánh đai của băng tải có đường kính 22.6mm
• Tỉ số truyền từ động cơ ra bánh đai là 44.3 : 1
• Động cơ để vận hành băng tải là DC Servo có tích sẵn hộp giảm tốc bánh răng
bên trong với tỉ số truyền là 1.25 : 1
• Dóa encoder của motor DC servo có độ phân giải là 4 xung/ vòng.
• Trên băng tải có sử dụng công tắc hành trình dạng nút nhấn.
Trong hệ thống FMS thông qua tín hiệu từ robot , máy phay mà máy tính sẽ cung cấp
những tín hiệu xung để làm cho băng tải chạy hay ngừng nhằm để điều khiển khoảng cách
dòch chuyển của sản phẩm đặt trên băng tải.
 
               

Hình 1.3 Hình dáng của phần tử băng tải
 
Chương 1 Tổng quan
 
  11  
 
1.3.2 Phần tử Robot
1.3.2.1 Giới thiệu tổng quan về Robot

“Robotics” là một khái niệm phổ biến rất rộng lớn , tập trung chủ yếu trên hình thức

di chuyển giống như con người. Bên cạnh đó khái niệm “Robotics” còn được hiểu gần như
đồng nhất với khái niệm tự động hóa công nghiệp, khái niệm thứ hai này chỉ đúng một phần
bởi hai lí do thứ nhất robot chỉ là một thành phần trong tự động hóa; thứ hai là do sự miêu tả
robot trong sinh hoạt xã hội ít nhiều được phóng đại.Thực tế , những robot rất đa dạng về
hình dáng cho nhiều mục đích khác nhau.
Việc phát minh ra Robot và ứng dụng nó trong nhiều lónh vực của đời sống xã hội cũng
như trong công nghiệp hay nghiên cứu khoa học đã có từ lâu như : thiết bò biết đi 4 chân có
chiều dài hơn 3m nặng 1.4 tấn do R.S Mosher thuộc hãng General Electric chế tạo năm 1968
hay robot Unimation đầu tiên được đưa vào sử dụng đầu tiên tại hãng General Motor năm
1962 , đặc biệt hơn là robot Shakey nhận dạng đối tượng bằng camerado đại học Standford
thiết kế năm 1969…
Trước sự đa dạng phong phú như vậy chúng cần đi phân loại chúng và có rất nhiều
cách phân loại khác nhau :
+ Dựa theo dạng hình học không gian hoạt động ta chia ra các loại robot : Robot
tọa độ vuông góc , robot tọa độ trụ , robot tọa độ cầu , robot toàn khớp bản lề ( kể cả robot
“Scara” )

Chương 1 Tổng quan
 
  12  
                
     
Hình 1.4 Robot tọa độ vuông góc


Hình 1.5 Robot tọa độ trụ
 
 
Chương 1 Tổng quan
 

  13  
             

Hình 1.6 Robot tọa độ cầu
  
 
                 

Hình 1.7 Robot toàn khớp bản lề