Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (Open CNC) để điều khiển máy phay 3 trục (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (Open CNC) để điều khiển máy phay 3 trục (Phần 1)

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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:kanhvu63@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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
11. 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
12. 5 7.1 ĐÁNH GIÁ KẾT QỦA 103 7.2 KẾT LUẬN 104 7.3 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI. 104
13. 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
14. 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
15. 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
16. 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
17. 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
18. 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
19. 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
20. 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.
21. 14 - Chƣơng 6: Chế tạo và kiểm nghiệm. - Chƣơng kết luận và đề nghị. Phụ lục