Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.59 MB, 22 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHUẤT ANH VŨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ
(OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY 3 TRỤC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204
S KC 0 0 4 0 5 1
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHUẤT ANH VŨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ
(OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY 3 TRỤC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204
Tp. Hồ Chí Minh, năm 2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KHUẤT ANH VŨ
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ MỞ
(OPEN CNC) ĐỂ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY 3 TRỤC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204
Hướng dẫn khoa học:
TS. NGUYỄN NGỌC DŨNG
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013
LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Khuất Anh Vũ
Giới tính:Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 10-12-1983
Nơi sinh: Tây Ninh
Quê quán: Đại Đồng - Thạch Thất – Hà Nội
Dân tộc: Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:027A Nguyễn Thái Học KP3 P3 Tx. Tây Ninh
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:826583
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính Quy
Thời gian đào tạo từ …9…/2001… đến …9/ …2006…
Nơi học (trường, thành phố): Thành Phố Hồ Chí Minh
Ngành học: Công Nghệ Tự Động
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Ứng dụng phần mềm CATIA để gia công trên máy
VMC 6530
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật
Người hướng dẫn:Th.S Trần Chí Thiên
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:
Thời gian
Nơi công tác
Công việc đảm nhiệm
9/2007
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
9/2008
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
9/2009
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
9/2010
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
9/2011
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
9/2012
Trường trung cấp nghề tỉnh Tây Ninh
Giáo viên
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 5 năm 2013
Khuất Anh Vũ
LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thầy, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương, đã tận tình
hướng dẫn tôi hoàn thành công trình luận văn thạc sĩ này.
Xin chân thành cảm ơn Quí Thầy, Cô và các bạn đồng nghiệp lớp cao học Cơ khí
máy khóa 2010 A đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho nội dung luận văn.
Trân trọng và cảm ơn
Khuất Anh Vũ
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 5 năm 2013
Khuất Anh Vũ
1
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU .................................................................................................. 12
1.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu. .......................................................... 15
1.2.1 Mục tiêu, khách thể. ........................................................................................ 15
1.2.2 Đối tượng nghiên cứu. ..................................................................................... 15
2.3
Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu. ................................................ 15
1.3.1 Nhiệm vụ nghiên cứu:...................................................................................... 15
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 15
CHƢƠNG 2. TỔNG QUAN ......................................................................................... 17
2.1 Giới thiệu bộ điều khiển có cấu trúc mở. .............................................................. 17
2.1.1 Khái niệm về Bộ điều khiển có cấu trúc mở ...................................................... 17
2.1.2 Tầm quan trọng của bộ điều khiển cấu trúc mở ................................................. 20
2.1.3 Ƣu điểm của cấu trúc mở:................................................................................... 21
2.1.4 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc và thế giới ..................................................... 23
2.1.4.1 Các nghiên cứu ngoài nƣớc .......................................................................... 23
2.1.4.1.1 DỰ ÁN OSACA ( Open Architeture for control within Automation
Systems) ................................................................................................................... 23
2.1.4.1.2 DỰ ÁN OSEC ( Open systems environments for Controllers) ................ 24
2.1.4.1.3 DỰ ÁN OMAC (Open Modular Architecture Controller) ....................... 24
2.1.4.1.4 Ngoài ra các trƣờng đại học cũng có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này. . 25
2
2.1.4.1.5 Các nghiên cứu trong nƣớc. ...................................................................... 25
CHƢƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 27
3.1 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC ......................................................... 27
3.1.1 Sơ đồ nguyên lý và hệ thống .......................................................................... 27
3.1.2 Kết cấu phần cứng máy phay CNC ................................................................. 29
3.1.2.1 Trục vitme bi ................................................................................................ 29
3.1.2.2 Ổ sống lăn ..................................................................................................... 35
3.1.2 Phần điều khiển máy phay CNC ..................................................................... 39
3.1.2.1 Hệ thống điều khiển số ................................................................................. 40
3.1.2.1.1 Hệ thống điều khiển hở ............................................................................. 41
3.1.2.1.2 Hệ thống điều khiển kín ............................................................................ 42
3.1.2.1.3 Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển số ........................................ 43
3.1.2.2 Phần mềm CNC ............................................................................................ 44
3.1.2.2.1 Phần mềm điều khiển ................................................................................ 44
3.1.2.2.2 Phần mềm ghép nối. .................................................................................. 45
3.1.2.2.3 Post Processor............................................................................................ 46
3.1.2.2.4 Phần mềm ứng dụng. ................................................................................. 47
3.1.2.3 Động cơ bƣớc ............................................................................................... 47
3.1.2.3.1 Khái niệm .................................................................................................. 47
3
CHƢƠNG 4 PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY CNC .................................................... 56
4.1 Các thông số kỹ thuật của máy phay CNC ............................................................ 56
4.1.1 Các thông số chính .......................................................................................... 56
4.2 Thiết kế phần cơ khí ........................................................................................... 56
4.2.1 Phƣơng án thiết kế khung máy ........................................................................ 56
4.3 Thiết kế phần điều khiển .................................................................................... 61
4.3.1Phƣơng án thiết kế mạch điều khiển ................................................................ 62
4.3.2Phƣơng án thiết kế phần mềm điều khiển ........................................................ 64
CHƢƠNG 5. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN .......................... 67
5.1 Tính toán thiết kế kết cấu và hệ thống dẫn động của máy..................................... 67
5.1.1 Xác định lực kéo phần thân máy:. .................................................................. 67
5.1.2 Tính toán động lực học và chọn động cơ cho từng trục .................................. 68
5.1.2.1 Tính toán cho trục X ..................................................................................... 68
Hình 5.2 Lực tác dụng lên trục X ............................................................................. 68
5.1.2.4 Tính toán cho trục Z ..................................................................................... 73
5.2 Tính toán chọn sống lăn ..................................................................................... 74
5.3 Tính toán chọn bƣớc trục vitme bi......................................................................... 76
5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục X ............................................................. 77
5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Y ............................................................. 77
4
5.3.1 Tính toán chọn trục vitme bi cho trục Z ............................................................. 77
5.4 Thiết kế phần điều khiển ..................................................................................... 77
5.4.1Thiết kế mạch Breakout ................................................................................... 78
5.4.2 Mạch Driver động cơ bƣớc ............................................................................. 79
5.5 Thiết kế Phần mềm điều khiển. .......................................................................... 79
5.5.1.2 Các giao diện của mach 3: ............................................................................ 80
CHƢƠNG 6. CHẾ TẠO VÀ CHẠY KIỂM NGHIỆM .................................................. 84
6.1 Chế tạo các bộ phận của máy ................................................................................ 84
6.1.1 Chế tạo trục X và kết cấu nối trục của động cơ ............................................. 84
6.1.2 Chế tạo trục Y và kết cấu nối trục của động cơ ............................................. 85
6.1.2 Chế tạo trục Z và kết cấu nối trục của động cơ .............................................. 87
6.1.3 Chế tạo mạch Breakout ................................................................................... 88
6.1.4 Chế tạo mạch mạch driver 3 trục động cơ....................................................... 90
6.1.5 Tủ điện điều khiển hoàn chỉnh ........................................................................ 91
6.1.6 Phần mềm điều khiển ...................................................................................... 91
6.1.6 Máy hoàn chỉnh ............................................................................................... 98
6.1.4 Giao diện máy khi đang làm việc .................................................................. 100
6.2 Chạy kiểm nghiệm............................................................................................ 100
CHƢƠNG 7. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................ 103
5
7.1
ĐÁNH GIÁ KẾT QỦA ................................................................................... 103
7.2 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 104
7.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. .............................................................. 104
6
DANH SÁCH CÁCH CHỮ VIẾT TẮT
NGUYÊN GỐC
CHỮ VIẾT TẮT
- Intelligent Machining Systems
IMS
- Open architecture controller
OAC
- Numerical Control Markup Language
NCML
- Numerical Control
NC
- Adaptive control with optimisation
ACO
- Adaptive control with constraints
ACC
- Open System Architecture for Controls within Automation systems
OSACA
- Open System Environment for Controllers
OSEC
- Open Modular Architecture Controller
OMAC
- Computer Numerical control
CNC
- Automatic Programming Tool
APT
- Computer- Aided Manufacturing
CAM
- Computer-Aided Design
CAD
- Personal Computer
PC
- National Instruments
NI
- Programmable Logic Controller
PLC
- Application Programming Intreface
API
7
- Dynamic Link Libraries
DLL
- Recursive least square
RLS
- Digital Differential Analyse
DDA
- Measurement & Automation Explorer
MAX
- Open Modular Architecture Controller)
OMAC
- Analog to digital converters
A/D
- Digital to analog converters
D/A
8
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1: Máy phay CNC
8
Hình 2.1: Những ƣu điểm chính của cấu trúc mở máy CNC
14
Hình 2.2: Ba cách mở khác nhau của hệ thống điều khiển
14
Hình 2.3: Nguyên lý “Open CNC” kết hợp PC
17
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của máy phay CNC
20
Hình 3.2: Sơ đồ điều khiển hệ thống
21
Hình 3.3: Quan hệ giữa lực và tốc độ của vitme
22
đai ốc thƣờng và vitme đai ốc bi
Hình 3.4: Trục vime bi
23
Hình 3.5: Kết cấu vitme bi
24
Hình 3.6 : Profil ren nửa tròn
24
Hình 3.7: Rãnh hồi bi kiểu ống
25
Hình 3.8: Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trong đai ốc
25
Hình 3.9: Hồi bi theo rãnh khoan đƣờng ống
26
Hình 3.10: Chiều moment tác dụng lên sống lăn
27
Hình 3.11: Hệ thống điều khiển hở
30
Hình 3.12: Hệ thống điều khiển kín
31
Hình 3.13: Cấu trúc từng phần của hệ thống điều khiển
32
9
Hình 3.14: Mối liên hệ giữa PMC với cụm CNC và máy
34
Hình 3.15: Cấu trúc Post Processor
35
Hình 3.16: Động cơ bƣớc
36
Hình 3.17: Sơ đồ cấu tạo của động cơ bƣớc
37
Hình 3.18: Động cơ bƣớc đơn cực
38
Hình 3.19: Động cơ bƣớc lƣỡng cực
39
Hình 3.20: Động cơ bƣớc nhiều pha
39
Hình 3.21: Động cơ bƣớc kiểu từ trở
40
Hình 3.22: Động cơ bƣớc kiểu lai
40
Hình 3.23: Sơ đồ điều khiển động cơ bƣớc
41
Hình 4.1: Phƣơng án 1
42
Hình 4.2: Thanh dẫn hƣớng
43
Hình 4.3: Cơ cấu dẫn hƣớng của các trục
43
Hình 4.4: Phƣơng án 2
44
Hình 4.5: Sống lăn bi
45
Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý phƣơng án 1
46
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý phƣơng án 2
47
Hình 4.8: Cấu trúc phần mềm điều khiển
48
Hình 5.1: Lực kéo phần thân máy
50
10
Hình 5.2: Lực tác dụng lên trục X
51
Hình 5.3: Lực tác dụng lên trục Y
52
Hình 5.4: Lực tác dụng lên trục X
54
Hình5.5: Lực tác dụng lên sống lăn
55
Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý mạch Breakout
57
Hình 5.7: Sơ đồ nguyên lý của mạch driver
58
Hình 5.8: Phần giao diện của Mach 3
59
Hình 5.9: Phần giao diện menu toolpath
60
Hình 5.10: Phần giao diện menu offset
61
Hình 6.1: Trục X
62
Hình 6.2: Cơ cấu nối trục của động cơ trục X
63
Hình 6.3: Trục Y
64
Hình 6.4: Cơ cấu nối trục của trục Y
65
Hình 6.5: Trục Z
66
Hình 6.6: Mạch Breakout hoàn thành
66
Hình 6.7: Mạch driver 3 trục động cơ
67
Hình 6.8: Tủ điện hoàn chỉnh
67
Hình 6.9: Giao diện chính của phần mềm
68
Hình 6.10: Giao diện menu MDI
69
11
Hình 6.11: Giao diện của menu toolpath
70
Hình 6.12: Menu offset
71
Hình 6.13: Menu Setting
72
Hình 6.14: Menu Dianostics
73
Hình 6.15: Máy sau khi hoàn thành
74
Hình 6.16: Giao diện của máy khi đang làm việc
75
Hình 6.17: Bản vẽ kỹ thuật
76
Hình 6.18: Kết quả gia công
76
12
CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU
Trong sự phát triển của thời đại hiện đại hóa và công nghiệp hóa ai ai cũng biết
và nghe nói đến nhiều về tự động hóa. Trong ngành cơ khí cũng vậy cụm từ CNC(
computer numerical controller) hầu nhƣ mọi ngƣời trong ngành đều biết. Máy CNC là
máy gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của
công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính ta có thể
bắt gặp máy CNC dƣới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nƣớc có
hạt mài, máy đột dập và nhiều dạng máy công nghiệp hiện đại khác.
Hình 1.1 Máy phay CNC
Máy CNC ra đời đã giải quyết đƣợc rất nhiều vấn đề sản xuất trong cơ khí, máy
CNC nó có những ƣu điểm nổi bật là năng suất cao có thể chế tạo ra những chi tiết có
13
độ chính xác cao. Nhƣng có những khuyết điểm là giá thành cao và chi phí để bảo trì
bảo dƣỡng thay thế thiết bị khó khăn, do hầu hết máy CNC, ngày nay, chủ yếu là độc
quyền nên việc thay thế các thiết bị và phần cứng rất khó khăn và phụ thuộc rất nhiều
vào nhà sản xuất.
Chính vì lý do đó đề tài:“Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN
CNC) để điều khiển máy phay 3 trục” là cần thiết và đƣợc tiến hành với mục đích là:
Thiết kế máy phay CNC 3 trục với hệ điều khiển có thể thay thế và sửa chữa dễ dàng.
Bản Báo cáo khoa học tổng kết đề tài nghiên cứu ngoài chƣơng mở đầu và kết
luận đề nghị, gồm 5 chƣơng phần nội dung có theo các phụ lục, trong đó:
- Chƣơng 1: Giới thiệu phần mở đầu, trong chƣơng này, tác giả đề cập đến tính
cần thiết và lý do chọn đề tài. Từ đó đề ra nhiệm vụ, phạm vi và phƣơng pháp nghiên
cứu cho đề tài.
- Chƣơng 2: Trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Trong chƣơng 2, tác giả
giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài
nƣớc- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, tập trung trình bày phần cơ sở lý thuyết phục vụ
cho quá trình tính toán ở chƣơng 5, là phần thiết kế tính toán về cơ khí và phần điều
khiển.
- Chƣơng 4: Nêu ý tƣởng và phƣơng án thiết kế. Trong chƣơng này, tác giả đề
cập đến các phƣơng án chế tạo khung máy CNC từ đó chọn ra khung máy tối ƣu và
phù hợp nhất để chế tạo
-
Chƣơng 5: Tính toán và thiết kế máy và bộ điều khiển
Từ phƣơng án thiết kế đã đƣợc chọn, tác giả tiến hành tính toán thiết kế từng chi
tiết của máy nhƣ: Tính toán và chọn động cơ cho 3 trục, thiết kế bộ điều khiển và phần
mềm cho máy phay CNC.
14
-
Chƣơng 6: Chế tạo và kiểm nghiệm.
-
Chƣơng kết luận và đề nghị.
Phụ lục
