Đồ án Thiết kế - Thi công - Điều khiển bàn máy CNC 2 trục

....46 1. Lưu đồ giải thuật chuyển động:......................................................................46 2. Lưu đồ giải thuật giao tiếp:............................................................................ 47 Chương III :KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN...............................................48 I. Kết quả đạt được:................................................................................................48 II. Kết quả chưa đạt được :.................................................................................... 48 III. Hướng phát triển :............................................................................................48 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................49 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 9 GVHD: Đỗ Đức Vương CHƯƠNG I:GIỚI THIỆU BÀN MÁY CNC 2 TRỤC 1. Tổng quan về bàn máy CNC 2 trục: a. Giới thiệu: Đời sống ngày càng phát triển đòi hỏi cao về chất lượng sản phẩm, tốc độ sản xuất, độ chính xác,…Do đó, vấn đề tự động hóa được đặt ra để đáp ứng nhu cầu đó.Một trong số những sản phẩm của tự động đó là máy CNC. Sự ra đời của bàn máy CNC đáp ứng cho nhu cầu sản xuất tự động đạt độ chính xác cao về hình dáng kích thước của sản phẩm.Do đó nhóm quyết chọn đề tài” Điều khiển bàn máy CNC 2 trục”. Đề tài “Điều khiển bàn máy CNC 2 trục” nhằm góp phần tự động hóa quá trình sản xuất. Khi hoạt động, toàn bộ quy trình công nghệ, các thông số trong dây chuyền sản xuất đòi hỏi phải cần độ chính xác cao về vị trí cũng như đáp ứng về thời gian. Để đáp ứng được yêu cầu này thì động cơ DC servo kết hợp với bộ điều khiển PID là lựa chọn phù hợp nhất. Bộ điều khiển trung tâm PID dùng bộ xử lý điều khiển vị trí LM629 giao tiếp với vi điều khiển PIC 16F877A. Kết hợp với khả năng tính toán nội suy và xử lý mạnh của máy tính, bộ điều khiển có thể chuyển động của động cơ với vị trí chính xác và đáp ứng với vận tốc với độ tin cậy cao. b. Lịch sử hình thành Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T.Parson cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950.Sau thế chiến thứ 2, Parson tham gia sản xuất các máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp.Parson sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kỳ đầu,ông đã tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử các phép tính bằng tay và sơ đồ.Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một máy cắt mức tự động cho Không Quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển trợ động (servo motor ) chính xác,chiếc máy được chế tạo cực kỳ lớn, phức tạp và đắt đỏ.Mặc dù Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 10 GVHD: Đỗ Đức Vương vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. Bộ điều khiển giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy .Ví dụ như một số máy nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết dưới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình. c. Ứng dụng: Tùy theo mục đích sử dụng mà bàn máy có những công dụng khác nhau:Máy khoan, Máy phay, Máy tiện, Máy cắt,.... Hình 1:Mô hình máy phay Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 11 GVHD: Đỗ Đức Vương d. Ưu điểm: - Sản phẩm sản xuất không phụ thuộc vào tay nghề người công nhân mà phụ thuộc vào chương trình điều khiển được đưa vào máy tính. - Độ chính xác làm việc cao. - Chất lượng gia công ổn định, độ chính xác lặp lại cao. - Tốc độ cắt cao nhờ vào cơ khí vững chắc của máy, vật liệu làm dụng cụ cắt hiện đại như : hợp kim, gốm oxit,... - Thời gian gia công ngắn. - Ít phải dừng máy để kiểm tra kỹ thuật. - Có thể gia công hàng loạt. e. Nhược điểm: - Giá thành chế tạo và sửa chửa cao. - Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn. 2. Các công việc cần phải thực hiện: -Thiết kế cơ khí cho bàn máy. -Thiết kế mạch điện tử để điều khiển động cơ. -Nghiên cứu thuật toán PID trong động DC servo. -Tìm hiểu encoder trong việc điều khiển tốc độ động cơ DC servo. -Nghiên cứu thuật toán nội suy đường thẳng trong điều khiển động cơ. -Thiết kế bộ điều khiển động cơ dùng vi điều khiển PIC 16f877A. -Tìm hiểu về giao tiếp máy tính dùng cổng com. -Giao tiếp máy tính bằng ngôn ngữ visual Basic. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 12 GVHD: Đỗ Đức Vương 3. Dự đoán những khó khăn: - Kinh phí mua dụng cụ, linh kiện, vật liệu cơ khí,.... - Thuật toán PID còn khá mới mẻ. - Để điều khiển chính xác và tốc độ cao cần phải tìm động cơ tốt,số xung cao,... - Nghiên cứu thuật toán nội suy. - Tìm hiểu vể IC LM629, LMD18200. 4. Hướng giải quyết: -Cố gắng tận dụng những linh kiện, vật liệu sẵn có. -Nghiên cứu, tìm hiểu, tìm kiếm tài liệu IC LM629, LMD18200, thuật toán nội suy, PID qua sách báo,internet, thầy cô, bạn bè,.... Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 13 GVHD: Đỗ Đức Vương CHƯƠNG II: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG I.Thiết kế cơ khí : 1.Chọn vít me: Phương án 1:Dùng vít me đai thường và gắn đồng trục với động cơ. Vít me được gắn đồng trục với động cơ.Khi động cơ quay, vít me quay. Động cơ và vít me được gắn cố định,làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục x,y).Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động. Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít,một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít.Vì vậy tốc độ di chuyển nhanh nhưng lại có độ chính xác khi di chuyển không cao.Tạo lực đẩy nhỏ khi gia công vật mẫu. Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp. Hình 2:Bộ truyền vitme đai ốc thường Phương án 2: vít me đai ốc bi và dùng đai: + Vít me đai ốc bi : Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 14 GVHD: Đỗ Đức Vương Đây là dạng vít me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi chuyển thành ma sát lăn. Điều này đem đến một ưu điểm : chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động. Hình 3:Bộ truyền vít me – đai ốc bi Trong đó: 1 :vít me 2: đai ốc 3: các viên bi 4: rãnh hồi bi Bộ truyền vít me – đai ốc bi là dạng profin răng vít me và đai ốc profin dạng hình chữ nhật và hình thang, dễ chế tạo nhưng chịu tải kém còn profin hình tròn thì khó chế tạo mà chịu tải lớn. Rãnh hồi bi có dạng : ống, theo lỗ khoan của đai ốc, rãnh giữa hai vòng ren kế tiếp nhau. Rãnh dạng ống : kích thước bộ truyền lớn, độ bền mòn ở đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao. Rãnh hồi bi theo lỗ khoan của đai ốc : kết cấu gọn,tính công nghệ cao, khả năng tách nhóm hồi bi khó. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 15 GVHD: Đỗ Đức Vương Rãnh hồi bi giữa hai vòng kế tiếp : có kích thước gọn,không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao, chiều dài rãnh hồi bi lớn . + Dùng đai: Sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vào 2 cái lỗ có cùng kích thước răng cưa với đai. Một lỗ bắt chặt vào trục động cơ, còn lỗ kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động, sao cho lỗ có thể quay tự do tại chỗ.Khi động cơ quay toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo bánh răng, vít me di chuyển theo. Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính lỗ .Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng chu vi lỗ.Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển chậm nhưng độ chính xác cao,lực đẩy lớn. � Kết luận: Qua thảo luận nhóm quyết định chọn phương án: Trục vít me đai ốc bi kết hợp với đai làm bộ truyền dẫn chuyển động, để đạt độ chính xác cao khi gia công,... 2. Chọn phương án di chuyển trên các trục tọa độ: a.Phương án phôi cố định:Trục X di chuyển trên bàn máy, trục Y chuyển động trên trục X,trục Z chuyển động trên trục Y Đặc điểm: - Trục X phải có kết cấu vững để vừa có thể trượt, vừa nâng được các trục Y và Z. - Trục Y trượt trên trục X nên bộ phận trượt trục X phải gắn thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ,…Các bộ phận cùng chuyển động trên trục X. b. Phương án phôi di chuyển:Phôi di chuyển trên trục X và dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục Y và Z. Đặc điểm: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 16 GVHD: Đỗ Đức Vương - Phần cố định bao gồm khung máy, các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy. -Trục X, Y gắn trên thanh trượt gắn cố định trên khung máy, trục Z trượt trên trục Y. c. Kết luận: Với mô hình thí nghiệm, nhóm chọn phương án: Phôi cố định, trục X và Y di chuyển,để đạt độ chính xác gia công cao. Vì khi gia công mà phôi di chuyển sẽ tạo ra sự dịch chuyển do đó độ chính xác gia công không cao. 3. Động cơ DC servo: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 17 GVHD: Đỗ Đức Vương Hình 4:động cơ DC servo a. Chọn động cơ: Chọn công suất băng tải : Trong đó::công suất trên băng tải. P :lực tác dụng V :vận tốc Hiệu suất chung:=0.94*0.972 *0.9954 *1=0.87 Trong đó:=0.94 :hiệu suất bộ truyền đai =0.97: hiệu suất bộ truyền bánh răng. =0.995: hiệu suất 1 cặp ổ lăn. =1: hiệu suất khớp nối. Công suất cần thiết: Ta cần chọn động cơ có : b. Giới thiệu động cơ Servo: ĐộngcơDC servo đượcthiếtkếchonhữnghệthốnghồitiếpvòngkín.Tínhiệura củađộngcơđượcnốivớimộtmạchđiềukhiển.Khiđộngcơquay,vậntốcvàvịtrísẽ đượchồitiếpvềmạchđiềukhiểnnày.Nếucóbấtkỳlýdonàongăncảnchuyểnđộng quaycủađộngcơ,cơcấuhồitiếpsẽnhậnthấytínhiệurachưađạtđượcvịtrímong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. c. Đặc điểm: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 18 GVHD: Đỗ Đức Vương - Đặc tính nổi bật: quán tính nhỏ, tăng hiệu suất và tốc độ đáp ứng.Kích thước nhỏ gọn, nhẹ và hiệu suất cao - Chống bụi và chống nước. - Cải thiện khả năng tản nhiệt bằng cách bổ sung vào vỏ bọc hợp kim nhôm. - Kết hợp với encoder và IC tích hợp loại nhỏ tăng khả năng chống nhiễu. - Có thể kết hợp với các khối điều khiển chuyên dụng. Dòng lớn nhất tức thời 3A Điện áp định mức(V0) 24V Dòng định mức(I0) 2A Tốc độ định mức(N0) 3000 vòng/phút Công suất định mức 40W Moment định mức 0.637 Nm (6.5kgf.cm) Tốc độ lớn nhất (N) 3000 vòng/phút Hằng số thời gian điện (Te) 1.5 m.s Nhiệt trở (Rth) 1.2°C/W Nhiệt cho phép phần ứng 130°C Moment hãm(Tf) 4.9x10 -2 N.m(0.5kgf.cm) Bảng 1:Bảng thông số vật lý của động cơ trục chính Mã màu Chức năng Xanh dương ( Blue) Pha A Xanh lá (Green) Pha B Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 19 GVHD: Đỗ Đức Vương Vàng (yellow) Pha Z Đỏ (red) +5V Đen (black) 0V Bảng 2:Bảng mô tả dây encoder động cơ trục chính Động cơ sử dụng cho trục X, trục Y có dòng liên tục là 2A, điện áp cung cấp định mức là 24V, công suất định mức là 40W. �Hoạt động của động cơ DC: Động cơ servo được thiết kế để quay có giới hạn chứ không phải quay liên tục như động cơ DC hay động cơ bước. Mặc dù ta có thể chỉnh động cơ servo quay liên tục nhưng công dụng chính của động cơ servo là đạt được góc quay chính xác trong khoảng từ 90o – 180o. Việc điều khiển động cơ có thể ứng dụng để điều khiển robot, di chuyển các tay máy lên xuống, quay một cảm biến để quét khắp phòng. Điều khiển động cơ là điều khiển độ rộng xung(PWM), động cơ đòi hỏi tín hiệu từ 30-60 xung/s. � Tìm hiểu về encoder: Mục đích của việc dùng encoder:Dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 20 GVHD: Đỗ Đức Vương Hình 7: cấu tạo encoder Nguyên lý hoạt động của encoder:Nguyên lý cơ bản của encoder là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục.Trên đĩa có các lỗ (rãnh).Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa .Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ rãnh đèn led không chiếu qua được.Còn chỗ có lỗ rãnh thì đèn led chiếu xuyên qua .Khi đó phía mặt bên kia của đĩa người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay không.Khi trục quay, giả sử trên đĩa có 1 lỗ duy nhất, cứ mỗi lần mắt thu nhận được tín hiệu của đèn led thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng .Đây là nguyên lý cơ bản của encoder. Encoder thường có 3 kênh (3 ngõ ra) bao gồm kênh A, kênh B và kênh I (Index). kênh I xuất hiện một “xung” sau mỗi vòng quay của motor. Bên ngoài đĩa quay được chia thành các rãnh nhỏ và một cặp thu-phát khác dành cho các rãnh này. Đây là kênh A của encoder, trong 1 vòng quay của motor, có N “xung” xuất hiện trên kênh A. N là số rãnh trên đĩa và được gọi là độ phân giải của encoder. Mỗi loại encoder có độ phân giải khác nhau. Để điều khiển động cơ, bạn phải biết độ phân giải của encoder đang dùng. Độ phân giải ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển và cả phương pháp điều khiển. Các encoder còn có một cặp thu phát khác được đặt trên cùng đường tròn với kênh A nhưng lệch một chút, đây là kênh B của encoder. Tín hiệu xung từ kênh B có cùng tần số với kênh A nhưng lệch pha 90 độ. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 21 GVHD: Đỗ Đức Vương II. Thiết kế phần cứng: 1. Thiết kế sơ đồ khối hệ thống: Hình 9: Sơ đồ khối hệ thống 2.Phân tích chức năng - Máy tính: làm nhiệm vụ lập trình, thiết kế giao diện giao tiếp điều khiển động cơ.- Module điều khiển trung tâm: gồm có vi xử lý PIC16F877A và IC LM629. Nhận lệnh từ máy tính, truyền xuống khối công suất điều khiển động cơ và đọc tín hiệu trở về vi xử lý. - Module Công Suất: dùng IC LM18200 nhận xung tín hiệu trực tiếp từ LM629 để điều khiển động cơ. - Động cơ: trên động cơ DC servo có gắn encoder để đọc tín hiệu hồi tiếpvề LM629. - Nguồn cung cấp: gồm nguồn cung cấp các Module lấy từ nguồn 5Vvà nguồn 24V cung cấp cho động cơ. 3.Thiết kế mạch điện tử: a. Mạch PIC 16f877A: Máy Tính Module Điều Khiển Trung Tâm Module Công Suất Động Cơ Nguồn Cung Cấp Nguồn Cung Cấp Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 22 GVHD: Đỗ Đức Vương A5 D1 DZ 5v C0 C1 33P D2 NGAT 1 D3 0 C1 NGAT 2 B5 D3 Y1 20MHZ CS LO A0 D1 CS 2 D2 LED LO A1 5V R1 10k TXD LO B0 U1 PIC16F873 1 2 3 4 5 6 7 12 13 14 15 16 17 18 23 24 25 26 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 19 20 21 22 27 28 29 30 8 9 10 11 MCLR/VPP/THV RA0/AN0 RA1/AN1 RA2/AN2/VREF- RA3/AN3/VREF+ RA4/T0CKI RA5/SS/AN4 VSS OSC1/CLKIN OSC2/CLKOUT RC0/T1OSO/T1CKI RC1/T1OSI/CCP2 RC2/CCP1 RC3/SCK/SCL RC4/SDI/SDA RC5/SDO RC6/TX/CK RC7/RX/DT VSS VDD RB0/INT RB1 RB2 RB3/PGM RB4 RB5 RB6/PGC RB7/PGD RDO/PSP0 RDO/PSP1 RDO/PSP2 RDO/PSP3 RDO/PSP4 RDO/PSP5 RDO/PSP6 RDO/PSP7 RE0/RD*/AN5 RE0/WR*/AN6 RE0/CS*/AN7 VDD L O A2 5V C3 C104 RXD J9 DC5V 1 2 J9 PORT D2 1 2 3 4 C5 10uF L O A3 5V R2 330 J3 PORT B 1 2 3 4 5 6 7 8 A4 D0 C2 33P 0 B7A5 D0 L1 10uH 1 2 0 B4 J7 1 2 3 4 D1 A0 B3 J2 PORT B1 1 2 3 4 5 6 7 8 B1 0 J6 PORT D 1 2 3 4 D2 A1 B6 5V SW1 Reset A2 C2 5V 0 A3 J1 PORT A 1 2 3 4 5 6 7 8 B2 J8 PORT C 1 2 3 0 A4 C6 47uF 16v J10 PORT D1 1 2 3 4 Hình 10 :mạch PIC16F877A Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 23 GVHD: Đỗ Đức Vương C11 C104 P1 CONNECTOR DB9 5 9 4 8 3 7 2 6 1 C7 10UF TXD 0 C10 10UF 0 L O C8 10UF C9 10UF 5V RXD U2 MAX232 1 3 4 5 1 6 1 5 2 6 12 9 11 10 13 8 14 7 C1+ C1- C2+ C2- V C C G N D V+ V- R1OUT R2OUT T1IN T2IN R1IN R2IN T1OUT T2OUT Hình 11 :mạch giao tiếp max232 � Giới thiệu về PIC16F877a : PIC 16F877A là dòng PIC phổ biến nhất hiện nay (đủ mạnh về tính năng, 40 chân, bộ nhớ đủ cho hầu hết các ứng dụng thông thường). Cấu trúc tổng quát của PIC 16F877A như sau: - 8 K Flash ROM, 368 Bytes RAM. - 256 Bytes EEPROM. - 5 ports (A, B, C, D, E) vào ra với tín hiệu điều khiển độc lập. - 2 bộ định thời 8 bits (Timer 0 và Timer 2). - Một bộ định thời 16 bits (Timer 1) có thể hoạt động trong chế độ tiết kiệm năng lượng (SLEEP MODE) với nguồn xung Clock ngoài. - 2 bộ CCP( Capture / Compare/ PWM). Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 24 GVHD: Đỗ Đức Vương - 1 bộ biến đổi AD 10 bits, 8 ngõ vào. - 2 bộ so sánh tương tự (Compartor). - 1 bộ định thời giám sát (WatchDog Timer). - Một cổng nối tiếp. - 15 nguồn ngắt. - Có chế độ tiết kiệm năng lượng. - Nạp chương trình bằng cổng nối tiếp ICSP(In-Circuit Serial Programming) - Được chế tạo bằng công nghệ CMOS - 35 tập lệnh có độ dài 14 bits - Tần số hoạt động tối đa 20MHz. Hình 12:sơ đồ chân PIC16F877A Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 25 GVHD: Đỗ Đức Vương b. Mạch LM629 C5 104 1 2 L O xung clock 0 5V 0J1 Thach anh 4 chan 4MHZ 4 1 3 2 Hình 13 :thạch anh cho LM629 Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 26 GVHD: Đỗ Đức Vương 0 CS 5V B4 J3 C0/C1 1 2 R1 330 0 B3 5V PS U9 74HC14 1 4 7 1 3 5 9 11 13 2 4 6 8 10 12 R4 10K C2 C 104 1 2 L O NGAT 5V CS C3 4uF/16V RD R2 10K 5V IN RST NGAT RST D3 LED 1 2 WR RD B2 L O IN xung clock U2 74AHC245 2 3 4 5 6 7 8 9 19 1 18 17 16 15 14 13 12 11 2 0 1 0 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 G DIR B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 V C C G N D L O A B7 0 B RD J6 PORT D 1 2 3 4 C1 C 104 1 2 0 Xung A J2 PORT B 2 4 6 8 1 3 5 7 PS U1 LM629 1 1 4 17 26 2 8 2 3 16 13 27 15 12 19 18 11 10 9 8 7 6 5 4 20 21 22 23 24 25 IN G N D HI CLK V C C A B PS RD RST WR CS PWMMAG PWMSIGN D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 NC NC NC NC NC NC C4 1uF 1 2 B1 D1 DZ 5V 1 2 L O L1 10uH 1 2 R3 10K B0 B6 0 B5 Xung B CS J5 CON 3 1 2 3 L O J4 PWM / DIR 1 2 WR Xung Z B 0 A JP1 DC 5V 1 2 5V Hình 14 : Modul Lm629 �Giới thiệu LM629 :là vi xử lý chuyên dùng trong điều khiển chuyển động các loại động cơ DC servo và các cơ cấu servo khác có tín hiệu hồi tiếp lệch pha 90 độ. Với khả năng tính toán 32 bit và tập lệnh hỗ trợ mạnh, LM629 có thể sử dụng trong các ứng dụng phức tạp mà vẫn đảm bảo thời gian thực và độ phân giải cao. LM629 với ngõ ra PWM 8 bit và chân điều khiển hướng quay động cơ để lái cầu H. Cả hai loại LM628 hay LM629 đều hoạt động ở tần số tối đa là 6 hay 8 MHz tùy loại. � Các đặc tính và cấu trúc: - Khả năng xử lý vị trí, vận tốc, gia tốc 32 bits. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 27 GVHD: Đỗ Đức Vương - Bộ lọc PID có các tham số 16 bits lập trình được. - Thời gian vi phân lập trình được. - Tín hiệu điều khiển PWM 8 bits. - Tự động tính toán quỹ đạo vận tốc. - Cho phép cập nhật vận tốc, vị trí, tham số bộ lọc trong lúc chuyển động. - Hoạt động ở chế độ vị trí và vận tốc. - Các ngắt vi xử lý có thể lập trình được. - Giao tiếp với vi xử lý chủ bằng 8 đường song song. - Giao tiếp với encoder bằng 3 pha A, B, Z. � Sơ đồ chân IC LM629: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 28 GVHD: Đỗ Đức Vương Hình 15: sơ đồ chân LM629 � Nguyên lý hoạt động: Vi xử lý chủ giao tiếp với LM629 qua một port I/O để lập trình quỹ đạo vận tốc hình thang và bộ lọc bù số. Ngõ ra PWM 8 bit giao tiếp với mạch cầu H để cung cấp năng lượng cho động cơ hoạt động và tín hiệu hồi tiếp cho vòng điều khiển vị trí lấy từ encoder loại tương đối. Khối tạo biên dạng vận tốc hình thang sẽ tính toán quỹ đạo cần thiết khi hoạt động ở kiểu vận tốc và kiểu vị trí. Khi hoạt động, LM629 sẽ tính toán sai số vị trí bằng cách lấy vị trí mong muốn trừ đi vị trí thực (hiện tại), sai số này được đưa vào bộ lọc số để điều khiển. Hồi tiếp vị trí:LM629 có thể giao tiếp với encoder tương đối loại 3 pha A, B, Z để kiểm soát vị trí động cơ. Mỗi khi có tín hiệu chuyển mạch của xung A hoặc B, thanh ghi vị trí của LM629 sẽ tăng giảm tương ứng. Điều này giúp nâng cao độ phân giải encoder lên 4 lần. Tín hiệu từ encoder được động bộ với xung clock của LM629. Xem thêm ở hình dưới: hình 16: Giản đồ đọc xung encorder. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 29 GVHD: Đỗ Đức Vương Tín hiệu từ xung Index dùng để nhận biết động cơ đã quay được một vòng. Khi được lập trình, LM629 sẽ ghi lại vị trí tuyệt đối của động cơ vào thanh ghi Index mỗi khi 3 tín hiệu của encoder xuống mức logic thấp. Nếu encoder không có pha Index thì ngõ vào Index của LM629 vẫn có thể được dùng để ghi lại vị trí Home của động cơ. Trong trường hợp này, người ta bố trí sao cho khi động cơ đến điểm Home sẽ làm một công tắc xuống mức logic thấp và nối công tắc này vào chân Index. Khi đó LM629 sẽ ghi lại vị trí động cơ vào thanh ghi Index và có thể gây ngắt vi xử lý chủ. Nếu không sử dụng, chân Index nên nối lên mức logic cao. Hoạt động đọc và ghi của LM629: + Vi xử lý chủ ghi lệnh vào các chân của LM629 qua ngõ I/O port khi chân PS\ = 0. Mã lệnh được truyền song song qua port giao tiếp và chân WR\ tích cực, byte lệnh được chốt vào nhờ cạnh xuống của chân này. Khi ghi lệnh cần phải đọc trạng thái và kiểm tra cờ trạng thái, gọi là cờ bận (bit 0). Nếu bit báo bận ở mức logic cao thì không được ghi lệnh. Bit báo bận không bao giờ ở mức logic cao trong thời gian quá 100us, thường thì chỉ trong khoảng 15us đến 25us. Bộ xử lý đọc byte trạng thái theo một cách đơn giản, chân cho phép đọc vào RD\ khi PS\ xuống thấp, thông tin trạng thái được giữ đúng trong thời gian dài RD\ xuống thấp. + Ghi và đọc dữ liệu đến/từ Lm29 ( cũng giống như ghi lệnh và đọc trạng thái) được thực hiện với chân PS/ = 1. Việc đọc và viết luôn đầy đủ với 2 byte của từ dữ liệu. Mỗi byte tùy thuộc vào chân đọc hay gh. Khi truyền dữ liệu cần phải đọc và kiểm tra bit bận. Khi bit bận thấp thì có thể truyền liện tục 2 byte cùng lúc, nhưng phải kiểm tra lại cờ bận nếu muốn truyền lại byte tiếp theo. Dữ liệu truyền đi được hoàn thành qua ngắt nội. Nếu là lệnh ghi lúc cờ đang bận thì lệnh sẻ bị bỏ qua. Bit bận sẽ lên cao ngay lập tức sau khi ghi byte lệnh hay đọc byte thứ hai. Ngõ ra điều xung PWM : LM629 cung cấp ngõ ra PWM 8 bit và chân tín hiệu điều khiển chiều quay động cơ. Tương úng chiều dương PWM tối đa là 127/128,chiều âm là 128/128. Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 30 GVHD: Đỗ Đức Vương Hình 17: Ngõ ra PWM của LM629 với tần số hoạt động là 8MHz � L inh kiện hỗ trợ LM629: IC74HC245 :là một bus truyền nhận hệ cơ số 8 mà đặc trưng là bus ngõ ra tương ứng không đảo 3 trạng thái ở cả hướng truyền và nhận. - Tính năng : + Tất cả ngõ vào đều có hoạt động schmitte trigger. + Chấp nhận điện áp ngõ vào lớn hơn điện áp Vcc. + Ổn định thời gian trể. IC74HC14 : Tác dụng:loại đi phần nhiễu tín hiệu (có thể xảy ra trong môi trường xung quanh ) từ encoder đưa về LM629. Cấu tạo:Là cổng schmitte trigger, loại cổng logic cho phép chuyển trạng thái dứt khoát giữa mức cao và mức thấp. Với cổng logic thường, khi tín hiệu vào Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 31 GVHD: Đỗ Đức Vương chuyển tiếp chậm thì tín hiệu ra thường bị rung. Với cổng schmitte thì không. Khi tín hiệu chuyển từ mức thấp sang cao nếu đạt tới một áp ngưỡng VT+ thì ngay lập tức ngõ ra là mức 1. Ngược lại, khi tín hiệu từ mức cao chuyển sang mức thấp nếu đạt tới ngưỡng VT- thì ngõ ra là mức 0. VT+ > VT- .Nhờ vào sự chênh lệch giữa VT+ và VT- (còn gọi là độ trể )mà cổng này có thể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu rất nhiều. Hình 18 : Cấu trúc chân của IC 74HC14 c. Mạch LMD18200 + Cach li: Thiết kế-thi công-điều khiển mô hình bàn máy CNC 2 trục Trang 32 GVHD: Đỗ Đức Vương J1 CON2 1 2 R2 1k R11 1k5 R7 3k2 Q4 c1815 Q2 c1815 5v U3 LMD18200/TO 1 2 6 7 8 9 10 11 3 4 5 BootStrap 1 OUT1 V S G N D Signal Ground Thermal Flag OUT2 BootStrap2 Direction Brake PWM R9 2k2 J2 CON2 1 2 0 VCC J4 CON2 1 2 C1 2200uF R10 1k5 5v R6 10k 0 Q3 c1815 0 R12 2k2 R5 10k VCC J5 DC 24V 1 2 0 R1 220 0 R3 220 C5103 C2 104 5v C3 103 Q1 c1815 J3 MOTOR 1 2 0 0 R8 2k2 U1 1 2 4 3 C4 1uF D1 LED VCC R13 2k2 0 U2 1 2 4 3 R4 1k Hình 19:mạch LMD18200 � M ục đích: LMD18200 là một IC tích hợp mạch cầu H, dòng làm việc lên tới 3A, được dùng để điều khiển động cơ. � Đ ặc điểm: - Điều phối dòng liên tục lên tới 3A - Hoạt động ở nguồn điện áp cung cấp lên tới 55V - Diode khóa nội - Mạch bảo vệ quá tải.