Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3 MB, 102 trang )
B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
---------------------------------
Nguyễn hữu định
Nghiên cứu Thiết kế máy đột dập cnc
Chuyên ngành: công nghệ chế tạo máy
LUN VN THC S KHOA HC
ngành: công nghệ cơ khí
hớng dẫn khoa học: pgs.ts. phạm văn nghệ
H NI - 2010
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Lời cảm ơn
Trớc tiên tôi xin đợc bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS PHạM
VĂN NGHệ ngời hớng dẫn khoa học đã tận tình chỉ bảo tôi trong suốt quá
trình làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo Viện Cơ khí, Trung tâm Việt
Nhật Trờng Đại học Công nghiệp Hà Nội, Công ty cổ phần cơ khí chính xác
vinashin cùng các bạn bè đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong
qúa trình nghiên cứu.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Hữu Định
Luận văn thạc sỹ
1
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan rằng những nội dung trong luận văn này là trung thực
và là công trình nghiên cứu của tôi.
Hà nội, ngày 20 tháng 10 năm 2010
Học viên
Nguyễn Hữu Định
Luận văn thạc sỹ
2
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Lời nói đầu
Ngày nay kỹ thuật tự động hoá xâm nhập và phát triển mạnh mẽ vào
nhiều lĩnh vực hoạt động của đời sống xã hội. Tự động hoá đem lại những
hiệu qủa rõ rệt trong sản xuất nh: tăng năng suất lao động, nâng cao tính
đồng đều của chất lợng sản phẩm, tiết kiệm vật liệu, cải tiến điều kiện lao
động nhất là trong môi trờng độc hại, thay thế các động tác đơn thuần, lặp lại
của con ngời...
ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều
khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống máy công cụ CNC mở
ra bớc phát triển mới cho gia công cơ khí, các hệ thống CAD/CAM cho phép
thiết kế kết cấu lập trình và tự động gia công với sự trợ giúp của máy vi tính.
Nhờ sự phát triển của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic có
khả năng lập trình PLC đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều
khiển rơ le. Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng. Các PLC
ngày nay không những có khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển
logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tơng tự.
Các PLC đợc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp do một số lý do sau:
- Tốn ít không gian: Một PLC cần ít không gian hơn một máy tính tiêu
chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng.
- Tiết kiệm năng lợng: PLC tiêu thụ năng lợng ở mức rất thấp, ít hơn
tất cả các máy tính thông thờng.
- Giá thành thấp: Một PLC giá tơng đơng cỡ 5 đến 10 rơ le, nhng nó
có khả năng thay thế hàng trăm rơ le.
- Khả năng thích ứng với môi trờng công nghiệp: Các vỏ của PLC đợc
làm từ các vật liệu cứng, có khả năng chống chịu đợc bụi bẩn, dầu mỡ,
Luận văn thạc sỹ
3
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
độ ẩm, rung động và nhiễu nhờ CPU của PCL đợc cách ly với hệ thống
bên ngoài.
- Giao diện trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn cần có một hệ thống
phức tạp để có thể giao tiếp với môi trờng công nghiệp. Trong khi đó
các PLC có thể giao diện trực tiếp nhờ các mô đun vào ra I/O.
- Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ
đồ thang, tơng tự nh sơ đồ đấu dây của các hệ thống điều khiển rơ le
thông thờng.
- Tính linh hoạt cao: Chơng trình điều khiển của PLC có thể thay đổi
nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chơng trình điều khiển mới
vào PLC bằng bộ lập trình trực tiếp, bằng thẻ nhớ, truyền qua mạng.
Vận dụng những kiến thức đã học ở trờng ĐHBK - HN và công tác
thực tế cùng với sự hớng dẫn nhiệt tình của PGS.TS Phạm Văn Nghệ. Tôi đã
tổng hợp đợc một khối lợng kiến thức nhất định. Nghiên cứu thiết kế máy
đột dập CNC phục vụ thiết thực cho sản xuất thực tế và trong công tác thiết kế
cơ khí trong nghành công nghiệp đóng tàu tại Việt Nam.
Vì điều kiện nghiên cứu và kinh nghiệm thực tế còn hạn chế nên đề tài
này không thể tránh khỏi thiếu sót.
Rất mong đợc sự góp ý của thầy, cô và các bạn!
Tôi xin trân thành cảm ơn !
Học viên
Nguyễn Hữu Định
Luận văn thạc sỹ
4
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
MC lục
TT
Danh mục
Trang
Chơng1: Nghiên cứu lý thuyết cơ bản về máy công cụ
16
điều khiển theo chơng trình số
1.1:
Tổng quan về máy CNC
16
1.1.1
Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ máy công cụ điều khiển
theo chơng trình số..............................................................
16
1.1.2
Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC...............................
18
1.1.3
Kết luận và yêu cầu kỹ thuật cơ bản đối với máy công cụ
CNC.......................................................................................
20
1.2:
Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc
21
Sơ đồ hệ thống.......................................................................
21
1.2.1
Phân tích hệ điều khiển..........................................................
21
1.2.1.1
Khối máy tính........................................................................
21
1.2.1.2
Khối giao tiếp RS232.............................................................
21
1.2.1.3
Khối mạch MCU................................................
21
1.2.1.4
Khối mạch logic và mạch công suất......................................
21
1.2.1.5
Khối cảm biến........................................................................
21
1.2.2
Khối máy tính
22
1.2.2.1
Giới thiệu
22
1.2.2.2
Ưu điểm của VB
22
1.2.2.3
Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán
23
1.2.2.4
Sơ đồ thuật toán khối máy tính
24
1.2.3
Khối giao tiếp với máy tính
27
Luận văn thạc sỹ
5
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
1.2.3.1
Giới thiệu về các giao tiếp
27
1.2.3.2
Giới thiệu về cổng COM
27
1.2.3.3
Sơ đồ chân của IC MAX 232
28
1.2.3.4
Sơ đồ mạch thực tế đợc thiết kế nh sau:
28
1.2.4
Khối động cơ & mạch công suất
29
1.2.4.1
Giới thiệu về động cơ bớc
29
1.2.4.2
Lợi ích của việc dùng động cơ bớc
29
1.2.4.3
Cấu tạo và phân loại động cơ bớc
30
1.2.4.4
Mạch điều khiển động cơ bớc
32
1.2.4.5
Sơ đồ mạch đợc thiết kế nh sau:
36
1.2.4.6
Nguyên lí hoạt động của mạch công suất
38
1.2.5
Khối Vi Điều Khiển:
38
1.2.5.1
Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của hãng ATMEL:
38
1.2.5.2
Cấu trúc vi điều khiển 8051
40
1.2.5.4
Hoạt động Timer của 8051 và các thanh ghi SFR của Timer
44
1.2.5.5
Hoạt động của PORT nối tiếp trong 8051
49
1.2.5.6
Hoạt động ngắt của 8051
51
1.2.5.7
Sơ đồ mạch MCU đợc thiết kế nh sau
53
1.2.5.8
Lu đồ thuật toán khối MCU
54
1.2.6
Khối MCU
57
1.3
Phân tích cấu trúc điều khiển máy đột dập CNC
57
1.3.1
1.3.2
Thông số kỹ thuật của máy đột dập CNC CP-1250
Tính năng điều khiển của máy đột dập CNC CP-1250
Luận văn thạc sỹ
6
57
60
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
1.3.2.1
1.3.2.1.1
1.3.2.1.2
60
Các mã lệnh trong máy
60
Các mã lệnh G
Các mã lệnh M
Chơng 2: phân tích tính toán yêu cầu kỹ thuật của
61
63
hệ thống cấp phôi
Khảo sát kết cấu máy và hệ thống cấp phôi của máy đột dập
2.1.2
65
MD160
2.1.2.1
Kết cấu thân máy.
65
2.1.2.2
Kết cấu hệ thống cấp phôi
65
2.1.2.3
Kết cấu hệ thống bàn đỡ phôi
65
2.1.2.4
Kết cấu hệ thống dẫn hớng
65
Những u điểm khi thiết kế hệ thống cấp phôi tự động sử dụng
2.2.
66
kỹ thuật PLC.
2.3.
Thiết kế tính toán kỹ thuật đối với hê thống cấp phôi.
66
2.3.1
Hệ thống truyền động vít me đai ốc bi (ball screw)
67
2.3.2
Động cơ dẫn động.
68
2.3.3
Hệ thống đo đờng dịch chuyển.
70
2.3.4
Hệ thống dẫn động định hớng
71
2.3.5
Hệ thống kẹp chặt phôi
72
2.3.6
Tính toán thiết kế hệ thống bàn đỡ phôi.
72
2.3.6.1
Bàn đỡ phôi bằng bi cầu.
72
2.3.6.2
Bàn đỡ phôi bằng bàn chải.
73
Luận văn thạc sỹ
7
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Chơng 3: phân tích tính toán thông số kỹ thuật của
75
hệ thống thay chày cối.
3.1
Khảo sát hệ thống thay đổi chày cối đột
77
3.2.
Lắp đặt chày cối.
77
3.2.1
kiểm tra các dụng cụ.
77
3.2.2
Lắp dụng cụ chày và cối
78
3.2.3
Bảo dỡng định kỳ
78
3.2.4.
Căn chỉnh giữa của giữ cối.
79
3.2.4.1.
Kiểm tra các vị trí 1/2" ữ 1-1/4".
79
3.2.4.2.
Căn chỉnh các vị trí 1/2" ữ 1-1/4".
79
3.2.4.3
Căn chỉnh vị trí 2, 3-1/2 và 4-1/2
80
3.2.5
Khe hở giữa chày và cối.
81
3.3
Hệ thống điều khiển ổ quay tự động
83
3.4
Hệ thống điều khiển trục chính
83
90
4.1
4.2
Chơng 4: Hệ thống điều khiển máy đột dập
Lựa chọn hệ thống điều khiển và truyền động.
Thông số của các thiết bị trong hệ thống truyền động và điều
90
91
khiển máy
4.2.1
Động cơ bớc
91
4.2.2
CPU 224
94
4.3
Modul điều khiển vị trí EM253
95
Luận văn thạc sỹ
8
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
4.4
FM Stepdriver
95
4.5
Sơ đồ kết nối các thiết bị
95
4.5.1
Nối nguồn cho CPU
96
4.5.2
Kết nối modul SM253 với CPU
96
4.5.3
Kết nối CPU với máy tính
96
4.5.4
Kết nối CPU với modul EM253 và bộ FM Stepdriver
97
4.5.5
Kết nối động cơ bớc với bộ FM Stepdriver
98
4.6
Kết nối modul điều khiển vị trí EM253 với công tắc hành trình
98
giới hạn vị trí
Luận văn thạc sỹ
9
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
Kí hiệu,
viết tắt
CNC
Giải thích tiếng Anh
Tiếng Việt
Computeriezed
Điều khiển số kết nối với máy tính (hay
Numerical Control
đợc cài đặt các cụm vi sử lý àp)
Điều khiển số (Điều khiển theo chơng
NC
Numerical Control
Bit
BInary digiT
DNC
Direct Numerical Conrtol
FMS
Flexible Manufacturing
System
trình số)
Các kí tự nhị phân, nhận các giá trị 0 hay 1
(O/L)
Hệ thống sản xuất tự động hóa
Bộ nhớ chỉ đọc : Bộ nhớ điện tử mà nội
ROM
Read Only Memory
dung của nó cho phép ngời sử dụng đọc
thờng xuyên nhng không thay đổi đợc
Bộ nhớ đọc viết : Bộ nhớ điện tử mà
RAM
Random Access Memory ngời sử dụng có thể thờng xuyên đa vào
hay gọi ra các thông tin bất kỳ
àp
Microprocessor
Bộ vi sử lý
MCU
Micro control unit
Bộ vi điều khiển
Sensor
Phần tử cảm biến
Visual Basic
Chơng trình lập trình visual basic
VB
Đơn vị trong máy tính gồm 8 bit để trình
Byte
bày các kí tự số và chữ cái
USB
universal serial bus
IC
Integrated Circuit
Luận văn thạc sỹ
Cổng nối tiếp đa năng
Vi mạch tích hợp : mạch điện tử mang tên
một tinh thể bán dẫn đơn chứ (chip)
12
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
TTL
Mạch logic transistor transistor
Metal Ocid
MOSFET
Semiconductor Field
Tranzito trờng silic oxit kim loại
Efect Transitor
ADC
PSEN
EPROM
CPU
Analog-to digital
Converter
Bộ chuyển đổi tơng tự số
Program store enable
erasable programmable
read-only memory
Central processing unit
Luận văn thạc sỹ
Là kiểu bộ nhớ ROM (chỉ đọc) có thể đợc
ghi lại chơng trình bằng cách chiếu nó
bằng tia cực tím sau khi đã tháo vỏ bảo vệ
Bộ sử lý trung tâm
13
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Danh mục các bảng, các hình vẽ đồ thị
Số bảng, hình
Tên mô tả
vẽ, đồ thị
Hình 1.1
Sơ đồ xử lý thông tin trong máy công cụ điều khiển số.
a- Đờng tác dụng kín; b- Đờng tác dụng hở
Hình 2.1
Mô phỏng kết cấu máy đột dập CNC
Hình 2.2
Cụm truyền động vít me đai ốc bi
Hình 2.3
Cấu tạo vít me đai ốc bi
Hình 2.4
Thông số động cơ bớc
Hình 2.5
Kích thớc lắp đặt động cơ bớc
Hình 2.6
Đờng đặc tính động cơ bớc
Hình 2.7
Vòng lặp phản hồi vị trí
Hình 2.8
Thiết bị thu tín hiệu phản hồi
Hình 2.9
Kết cấu tổng thể bàn máy sau khi cải tiến máy MD160
Hình 2.10
Bi cầu đỡ phôi
Hình 2.10
Tổng thể hệ thống cấp phôi
Hình 2.11
Hành trình lên xuống bàn chải đỡ phôi
Hình 2.12
Bố trí bàn chải trên bàn đỡ phôi
Hình 3.1
Các bớc thay chày, cối trên mâm.
Hình3.2
Vị trí các sensor trên mâm gá trên
Hình3.3
Vị trí các sensor trên mâm gá dới
Hình 3.4
Vị trí định vị chày
Hình 3.5
Lắp chày và cối
Hình 3.6
Căn chỉnh mâm chày và cối
Hình 3.7
Căn chỉnh vị trí 2, 3-1/2 và 4-1/2
Hình 3.8
Khe hở giữa chày và cối
Hình 3.9
Mô phỏng hành trình của chày
Luận văn thạc sỹ
14
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Hình 3.10
ổ quay chày cối tự động
Hình 3.11
Hệ thống điều khiển trục chính
Hình 3.12
Mô phỏng cụm đầu búa
Hình 3.13
Sơ đồ quá trình đột
Hình 3.14
Sơ đồ quá trình ép
Hình 3.15
Sơ đồ sử dụng năng lợng của cụm đầu búa
Hình 3.16
Đồ thị biểu diễn năng lợng tiêu hao
Hình 3.17
Đồ thị biểu diễn năng lợng tiêu hao giữa chế độ chờ và trong
khi vận hành
Hình 3.18
Vị trí điều khiển trục chính
Hình 3.19
Vị trí trục chính thứ nhất
Hình 3.20
Vị trí trục chính thứ hai
Hình 3.21
Vị trí trục chính thứ ba
Hình 3.22
Vị trí trục chính thứ t
Hình 4.1
Sơ đồ hệ thống điều khiển
Hình 4.2
Sơ đồ triển khai thiết bị điêù khiển 2 trục X và Y
Hình 4.3
Động cơ bớc
Hình 4.4
Kích thớc lắp đặt động cơ
Hình 4.5
Đờng đặc tính momen của động cơ
Hình 4.6
Bộ xử lý tín hiệu CPU224
Hình 4.7
Modul điều khiển vị trí EM253
Hình 4.8
Modul FM Stepdriver
Hình 4.9
Sơ đồ nối nguồn cho CPU
Hình 4.10
Sơ đồ kết nối CPU vớí modul điều khiển SM253
Hình 4.11
Sơ đồ kết nối CPU vớí máy tính
Hình 4.12
Sơ đồ CPU với modul EM253 và bộ FM Stepdriver
Hình 4.13
Sơ đồ kết nối FM Stepdriver với động cơ bớc
Hình 4.14
Sơ đồ kết nối EM253 với công tác hành trình giới hạn vị trí
Luận văn thạc sỹ
15
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
phần mở đầu
I. lý do chọn đề tài
Hiện nay, ở Việt Nam máy công cụ CNC đã đợc trang bị nhiều tại các
cơ sở sản xuất. Mặc dù hiệu quả trong gia công nhng giá trị kinh tế lại rất đắt
tiền do đó không phải doanh nghiệp sản xuất cơ khí nào cũng có thể đầu t
đợc. Các máy công cụ truyền thống thì lại không đáp ứng đợc nhu cầu sản
xuất thực tế đặt ra.
ứng dụng tự động hoá trong ngành nghề chế tạo máy với kỹ thuật điều
khiển theo chơng trình số đã cho ra đời các hệ thống điều khiển NC, CNC,
PLC cho phép cải tiến, nâng cấp các máy công cụ mở ra bớc phát triển mới
cho ngành gia công cơ khí. Giải quyết bài toán tối u cho các doanh nghiệp
theo hớng tự động hoá quá trình sản xuất.
Do đó việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển PLC trong việc cải tiến hệ
thống cấp phôi cho máy đột dập truyền thống là một yêu cầu thiết thực và cần
thiết đối với điều kiện sản xuất ở Việt Nam hiện nay.
Trong rất nhiều các loại máy CNC để phục vụ cho ngành công nghiệp
chế tạo máy thì tôi quyết định chọn đề tài Nghiên cứu thiết kế máy đột dập
CNC
ii. mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
gồm các phần cơ cấu cấp phôi, cơ cấu thay chày cối và hệ thống điều khiển
PLC.
Luận văn thạc sỹ
10
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
iii. đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tợng nghiên cứu: Nghiên cứu sản phẩm, các cụm chi tiết của
máy, vận hành và tháo lắp.
- Phạm vi nghiên cứu: Do điều kiện thời gian nên luận văn chỉ dừng lại
ở nghiên cứu và chuẩn bị hồ sơ kỹ thuật làm cơ sở cho quá trình áp dụng thực
tế về sau.
iv. ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
ý nghĩa khoa học
Bằng cách nghiên cứu cơ sở lý thuyết kết hợp với thực nghiệm, luận văn
đã đa ra đợc mối quan hệ cơ bản giữa hệ thống điều khiển PLC S7 -200 ăn
khớp với các môdul truyền động cơ khí làm cơ sở cho hệ thống cấp phôi, hệ
thống đột dập hoạt động theo các trình đã lập sẵn.
ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn nh sau:
-
Giúp cho việc lựa chọn hệ thống điều khiển phù hợp với mục
tiêu sản xuất đặt ra.
-
Cung cấp giải pháp truyền động, đo lờng và hệ thống bàn đỡ
phôi hiệu quả nhất.
-
Làm cơ sở cho việc nghiên cứu ứng dụng các khía cạnh khác
tiến tới tự động hoá quá trình sản xuất.
-
Giảm đợc chi phí đầu t cho doanh nghiệp mà vẫn đảm bảo
đợc năng suất và chất lợng sản phẩm.
Luận văn thạc sỹ
11
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Chơng 1:
Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về máy công cụ
điều khiển theo chơng trình số
1. 1 tổng quan về máy CNC
1.1. 1 Nghiên cứu tổng quan về các thế hệ máy công cụ điều khiển theo chơng
trình số.
Máy điều khiển theo chơng trình số gồm hai khối chính là máy công cụ thực
hiện chức năng gia công cơ và hệ thống điều khiển số. Quá trình phát triển của bộ
phận điều khiển số đã tạo ra những thế hệ máy công cụ ngày càng phát triển.
NC (Numerical Control).
Điều khiển máy công cụ theo chơng trình số, thông tin đợc ghi lại trong
chơng trình điều khiển bằng ký tự là con số, chữ cái hay các ký tự đặc trng khác.
Vật mang tin đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống điều khiển số, nó chứa đựng
những thông tin hình học và công nghệ của quá trình gia công ở dạng mã hoá. Vật
mang tin truyền thông tin điều khiển của chơng trình làm việc, bởi vậy cần có mật
độ thông tin lớn đảm bảo mang đợc lợng thông tin cực đại mà tốn ít năng lợng
nhất.
Đầu tiên máy NC dùng băng đục lỗ có dung lợng 15 bit/cm2. Với dung lợng
này lợng thông tin cha đáp ứng đợc, ngoài ra còn có một số điểm yếu nh độ bền
kém, dễ h hỏng, hạn chế về độ tin cậy, khi cần sửa chữa hay thay đổi phải làm lại
từ đầu rất tốn thời gian. Khắc phục những hạn chế trên vật mang tin đợc thay thế
bằng băng từ với dung lợng1250 bit/cm2. Băng từ có dung lợng khá lớn nhng lại
dễ nhiễm bẩn và dễ bị xoá. Nhìn chung hệ thống điều khiển các khối chức năng vẫn
dùng các mạch logic nối cứng trong từng block. Chúng phải liên hệ trực tiếp với các
kết cấu điều khiển tơng tự nh van từ, role, công tắc ngắt... Phần điều khiển còn
tách rời với xử lý do đó kích thớc máy cồng kềnh, độ tin cậy thấp do còn ảnh
hởng của môi trờng (nhiệt độ, độ ẩm, rung động cơ học...). Dần dần hệ thống điều
khiển NC đợc thay thế bằng hệ thống điều khiển CNC.
Luận văn thạc sỹ
16
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
CNC (Computerize Numerical Control).
Hệ thống điều khiển số với sự cài đặt nội tại cụm vi xử lý (àp) trực tiếp vận
hành xử lý số và điều khiển. Với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ thông tin và máy
tính, hệ thống máy CNC ra đời trên cơ sở máy NC. Sự tiến bộ của CNC là có sự can
thiệp trực tiếp của cụm vi xử lý mà không dùng liên hệ logic ghép cứng nh NC.
Các chức năng điều khiển và quá trình xử lý tính toán đợc các cụm vi tính toán
đảm nhiệm từng phần hoặc toàn bộ. Một chơng trình hệ thống CNC đợc cài đặt
sẵn trong máy tính, thông qua các phần mềm hệ thống nh chơng trình giải mã hệ
điều hành. Chơng trình mà các chức năng CNC riêng lẻ sẽ đợc thực hiện. Vật
mang tin trong thế hệ máy CNC có thể là đĩa từ, đĩa compact hay sử dụng các bộ
nhớ của máy vi tính ngoại vi.
DNC (Direct Numerical Conrtol).
Hệ thống điều khiển số phân phối từ một máy tính duy trì dữ liệu các chơng
trình NC và phân phối chúng tới từng máy công cụ riêng lẻ trong nhóm máy CNC để
đáp ứng nhu cầu của các đơn vị điều khiển máy thông qua một mạng liên kết giao
tiếp cục bộ. Hệ thống điều khiển DNC là một máy tính điều khiển lu trữ và lập các
chơng trình hoạt động, nó nh th viện chơng trình cung cấp thông tin cho nhiều
máy CNC riêng biệt. Hệ thống này có u điểm là truyền dữ liệu nhanh, tin cậy, phát
huy tốt khả năng của máy công cụ điều khiển số. Nhợc điểm là toàn bộ hoạt động
của hệ thống phụ thuộc vào tình trạng làm việc của trung tâm điều khiển. Mọi trục
trặc của máy tính chủ đều kéo theo sự ngng trệ của cả hệ thống.
FMS (Flexible Manufacturing System).
Hệ thống gia công linh hoạt, có khả năng gia công các chi tiết khác nhau trong
một họ chi tiết với số lợng và thứ tự gia công tuỳ ý, dù trong điều khiển gia công
nhỏ vẫn đạt hiệu quả kinh tế. Mọi hệ thống gia công linh hoạt gồm có một hoặc
nhiều trung tâm gia công CNC, các hệ thống vận chuyển chi tiết và dụng cụ, máy
tính của hệ điều khiển trung tâm là thiết bị chỉ huy. Đối với hệ thống gia công linh
hoạt làm việc tự động không cần ngời vận hành cần phải thêm các thiết bị theo dõi
và đo lờng tự động trên máy.
Luận văn thạc sỹ
17
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Trong phạm vi đề án dới đây chỉ xin trình bày những vấn đề đi sâu nghiên
cứu về máy công cụ CNC. Hệ máy bây giờ có màn hình hiển thị có độ phân giải cao,
có khả năng mô phỏng và đồ hoạ động (Graphic) cho phép ngời dùng máy quan sát
và thay đổi chơng trình dễ hơn. Điều đó làm thay đổi lớn tới kết cấu của máy công
cụ, những thiết bị cồng kềnh đợc thay thế bởi những mạch vi điện tử có kích thớc
nhỏ gọn và công năng tác dụng lớn gắn liền trong cấu trúc của máy.
1.2. Sơ đồ nguyên tắc cấu trúc của máy CNC.
Điều khiển theo chơng trình số là phơng pháp tự động điều hành máy công
cụ thông qua các dữ liệu ở dạng mã Chữ cái + con số và các ký tự đặc trng. Đó là
con đờng can thiệp sâu và trực tiếp của các quá trình xử lý thông tin trong hoạt
động sản xuất trên cơ sở ứng dụng tin học. Đây là phơng pháp tự động hoá các
chức năng của máy với tính linh hoạt cao thể hiện ở sự thích ứng dễ dàng với các
việc gia công khác nhau.
Từ bản vẽ chế tạo chi tiết và những số liệu kỹ thuật, số liệu công nghệ yêu cầu,
chơng trình gia công đợc thiết lập gồm từng bớc chơng trình kế tiếp nhau.
Chơng trình đợc số hoá và ghi vào vật mang tin bởi một Cốt mã tơng thích,
quá trình trên đợc gọi là xử lý số ngoài máy tiếp theo là quá trình số bên trong. Các
dữ liệu ghi trên vật mang tin đợc bộ đọc tiếp nhận phân phối các hệ lệnh (tạo hình
và công nghệ) đến các bộ xử lý tơng ứng sau quá trình nội suy thông tin đợc
chuyển đổi sang tín hiệu tơng tự, đóng vai trò là giá trị cần của vị trí bàn máy
(trong hệ lệnh về hớng chuyển dịch).
Kết quả so sánh giá trị Cần- Thực đa ra lợng sai khác cC và trở thành tín
hiệu điều khiển cung cấp cho hệ thống truyền động, quá trình cứ tiếp diễn cho đến
khi chênh lệch gặp giá trị Cần- Thực bằng 0, lúc đó vị trí các cơ cấu chấp hành
của máy đạt đợc giá trị mong muốn. Tín hiệu điều khiển không còn nữa, hệ truyền
động ngừng lại.
Luận văn thạc sỹ
18
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Bản vẽ
Xử lý số bên
ngoài
Lập trình
Vật mang tin
Vật mang tin
Xử lý số bên
trong
Đọc
Nhớ
Hệ lệnh đóng ngắt
Nội suy
Hệ lệnh đờng đi
Điều khiển
GT cần
GT
So sánh
Động cơ
bớc
Truyền
động
Bàn máy
Bàn máy
HT đo
a- Đờng tác dụng kín
b- Đờng tác dụng hở
Hình1.1 : Sơ đồ xử lý thông tin trong máy công cụ điều khiển số
Quá trình trên thực hiện theo nguyên tắc đờng tác dụng kín (thể hiện trên
hình 1.2.a). Hệ điều khiển số còn điều khiển theo nguyên tắc đờng tác dụng hở,
trong đó nguồn truyền động chủ yếu dùng động cơ bớc ở đây thông tin đợc
chuyển thẳng đến hệ tuyền động thông qua cụm điều khiển, đóng vai trò là giá trị
cần khi kết thúc chuyển động đợc ngay kết quả không cần so sánh với giá trị thực.
Luận văn thạc sỹ
19
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Đối với hệ lệnh đóng ngắt quá trình cũng diễn ra tơng tự, chúng đợc ghi nhớ và
truyền đạt đến các khâu điều chỉnh với chu kỳ làm việc thích hợp.
1.3. Kết luận và yêu cầu cơ bản đối với máy công cụ CNC.
Máy công cụ điều khiển theo chơng trình số là bớc phát triển lớn trong lĩnh
vực tự động hoá ngành chế tạo máy, nó tạo ra những khả năng đặc biệt và có những
u điểm vợt trội so với máy công cụ vạn năng thông thờng. Máy cho phép cắt với
tốc độ lớn, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động nên năng suất rất
cao. Tính linh hoạt của máy thể hiện rõ trên cơ sở việc thay đồi đơn giản và có thể
thực hiện ở máy. Máy gia công với độ chính xác cao do nguyên tắc điều khiển theo
chơng trình số đảm bảo độ chính xác lặp lại, đặc biệt máy có khả năng khai thác
tối đa các chế độ cắt tối u cũng nh các ứng dụng tiên tiến của kỹ thuật kiểm tra
tích cực.
Với những trung tâm gia công CNC tính tập trung nguyên công rất cao, có
thể gia công một số lợng lớn các bề mặt chi tiết mà không phải thay đổi vị trí hoặc
gá đặt.
Để đảm bảo phát huy các u điểm trên, máy công cụ CNC phải có độ cứng
vững cao và độ tin cậy cao, truyền đợc mô men cắt và các vị trí số điều khiển tới cơ
cấu công tác một cách nhanh chóng chính xác vơí năng lợng tiêu hao ít nhất. Do
vậy kết cấu của máy phải có những yêu cầu sau:
Hệ thống truyền động chạy dao phải có những khe hở nhỏ nhất tới mức có
thể. Muốn vậy xích chạy dao phải càng ngắn càng tốt. Dùng những cơ cấu truyền
động có hiệu suất cao và không có khe hở nh vít ve đai ốc, cơ cấu tự động khử khe
hở trong bộ truyền.
Hệ truyền động phải có gia tốc lớn, tác động nhanh, có phạm vi điều chỉnh tốc
độ rộng, truyền đợc tải trộng lớn và giảm mô men quán tính chi tiết chuyển động.
Luận văn thạc sỹ
20
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
1.2 nghiên cứu hệ thống điều khiển máy đột dập cnc
Máy tính
Sơ đồ hệ thống điều khiển
RS232
Các
Sensor
MCU
Mạch số &
Công suất
2 Động cơ Bớc
(X , Y)
Đóng mở van thủy lực
(đầu búa)
Hình1.2 : Sơ đồ hệ thống điều khiển máy đột dập CNC
1.2.1. Phân tích hệ điều khiển :
Hệ điều khiển kín bao gồm các bộ phận sau:
1.2.1.1 Khối máy tính
Nhiệm vụ:
* Thu thập dữ liệu gia công từ ngời vận hành .
* Lu trữ, xử lí dữ liệu và nội suy.
* Truyền dữ liệu ra giao tiếp nối tiếp RS 232
* Mô phỏng chuyển động của bàn máy và đầu búa.
* Thu dữ liệu phản hồi từ MCU truyền qua giao tiếp RS 232 để kiểm tra.
1.2.1.2 Khối giao tiếp RS 232:
Nhiệm vụ: Khối giao tiếp dùng để truyền dữ liệu. Chuyển đổi mức logic của
máy tính thành mức logic của MCU.
Máy tính
MCU
Luận văn thạc sỹ
Mức logic 1
Mức logic 0
-5V -> -15V
5V -> 15V
2,5V -> 5V
0V
21
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
1.2.1.3 Khối MCU:
MCU : Micro Controller Unit. Khối điều khiển chính
Nhiệm vụ:
* Thu thập dữ liệu gia công đã đợc tính toán truyền ra đợc máy tính.
* Tùy theo dữ liệu gia công MCU điều khiển khối mạch logic và mạch công
suất thực thi đúng theo dữ liệu gia công.
* Đọc dữ liệu số từ sensor trong quá trình gia công thì đọc dữ liệu từ các
sensor để biết vị trí của bàn máy của đầu búa và từ đó điều khiển đầu búa, bàn máy
chạy, nhả hay phanh.
*Truyền dữ liệu phản hồi về máy tính để kiểm tra, xử lí để phối hợp nhịp
nhàng các chuyển động của máy.
1.2.1.4 Khối mạch logic và mạch công suất:
Nhiệm vụ:
* Chịu điều khiển của khối MCU.
* Điều khiển 2 động cơ bớc quay số bớc góc xác định.
1.2.1.5 Khối cảm biến:
* Sensor:
Xác định vị trí của trục X, trục Y, hành trình của đầu búa. Truyền vào MCU,
MCU truyền vào máy tính để xử lí.
1.2.2 Khối máy tính:
1.2.21 Giới thiệu:
Khối máy tính đơc lập trình bằng Visual Basic 6.0 trong bộ Visual Studio 6.0
của Microsoft. VB là một ngôn ngữ bậc cao, mạnh, đa phơng diện, đợc sử dụng
rất rộng dãi từ hệ quản trị cơ sỏ dữ liệu, các ứng dụng của Internet, các hệ nhúng
hay ngay cả trong điều khiển nó cũng tỏ ra có thế mạnh.
1.2.2.2 Ưu điểm của VB :
- Có thể tạo đợc giao diện window một cách đơn giản, nhanh chóng.
- Đặc biệt là cấu trúc câu lệnh của VB rất gần với ngôn ngữ con ngời nên khi lập
trình các thuật toán đợc giải quyết khá dễ dàng.
Luận văn thạc sỹ
22
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
Do ngôn ngữ này khá phổ biến,cấu trúc lệnh đơn giản, thủ thuật lập trình có thể
tham khảo ở rất nhiều tài liệu và giới hạn về thời gian của đề tài cho nên xin không
giới thiệu về Visual Basic mà xin đa ra các thuật toán của khối máy tính.
1.2.2.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán:
- dX là khoảng cách theo trục X giữa các điểm cần gia công trên đờng thẳng.
dX đợc nhập vào từ giao diện.
- là góc giữa đờng thẳng chứa các điểm cần gia công với trục X- đợc nhập
t giao diện.
- Data (n) là một mảng để lu chiều, byte cao, byte thấp của số xung cần cho
động cơ bớc trục x và trục y chạy. Gia công 1 điểm cần 6 phần tử của Data(n) để
lu trữ. Data(n) Data(n+5).
- Các biến DeltaX và DeltaY lu giá trị là khoảng cách giữa các điểm cần gia
công theo phơng X và Y.
- Do động cơ bớc mỗi bớc là 0,90 nên quay 1 vòng 360 độ mất 400 bớc.
- T là bớc vít (mm) với đờng kính vít me là 12 mm theo tiêu chuẩn T = 4 mm
- Một số nguyên Integer đợc lu trữ bằng 16 byte. Dữ liệu truyền chỉ đợc 8
byte một lần. Số xung đợc lu trong Data(n) phải đợc chia đôi ra làm byte thấp và
byte cao để truyền xang MCU sau đó MCU lại tính lại. Lấy byte cao bằng cách chia
Data(n) cho 256 = 28 (1 byte= 8 bit) lấy phần nguyên bỏ phần d. Lấy byte thấp
bằng cách. Lấy số xung trừ đi byte cao x 255 để ra số d còn lại.
Luận văn thạc sỹ
23
Học viên : Nguyễn Hữu Định
Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC
1.2.2.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính:
Đọc dữ liệu từ giao diện
Nội suy điểm:
Đếm=1
DeltaX=Xđiểmkế Xbànmáy
DeltaY=Yđiểmkế Ybànmáy
Lấy chiều
DeltaX >0
Data(n)=1
Đúng
Data(n)=0
Lấy byte cao
Data(n+1) =| DeltaX|*400\(T*28)
Lấy byte thấp
Data(n+2)= Int(| DeltaX|*400 /(T) Data(n+1)*28)
Data(n+3)=1
Lấy chiều
DeltaY >0
Đúng
Data(n+3)=0
Lấy byte cao
Data(n+4) =| DeltaY|*400\(T*255)
Lấy byte thấp
Data(n+5)= Int(| DeltaY|*400 /(T) Data(n+4)*28)
Tăng đếm lên 1
Đúng
Truyền Data(0)
..Data(n) ra COM1
Hình1.3 : Sơ đồ thuật toán nội suy điểm
Luận văn thạc sỹ
24
Học viên : Nguyễn Hữu Định
