Thiết kế ra một mô hình máy công nghệ cao loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy công nghệ cao

a L298 (dc1,dc2,2c3,dc4) được nối vào 4 chân của động cơ bước, còn lại các chân điều khiển (33,34,35,36) được nối trực tiếp với chân cổng của vi điều khiển. Như vậy việc làm cho động cơ quay chỉ là xuất lệnh vi xử lý ra chân cổng. Giả sử động cơ bước có cuộn 1-2, 3-4. Theo một thứ tự đấu dây nào đó, nếu ta cấp nguồn cho động cơ theo thứ tự 1-2, 3-4, 2-1, 4-3 động cơ quay theo chiều kim đồng hồ thì khi ta cấp theo theo thứ tự 4-3, 2-1, 3-4, 1-2 sẽ làm cho động cơ quay ngược lại chiều kim đồng hồ. Hình 2.2: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ bước Sơ đồ mạch phần cứng thiết kế cho một động cơ bước, để thiết kế cho hai động cơ bước thì quá trình hoàn toàn tương tự. Khi đó ta sử dụng đến IC thứ hai và mạch điều khiển hoàn toàn giống, thuật toán điều khiển thì hoàn toàn tương tự Khi có mạch và phần cứng rồi thì làm sao để có thể điều khiển ăn dao vào chi tiết theo một khoảng cách nào đó. Giả sử cần cho dao ăn sâu vào trong chi tiết 1.5mm chẳng hạn, lúc đó vi xử lý phải làm gì. Câu trả lời là đếm bước của động cơ, sẽ cho ta khoảng cách dịch chuyển của dao. Bây giờ ta giả sử một phép tính đơn giản. Khi chưa thiết kế, nếu ta dùng tay quay tay quay của máy sẽ làm cho dao dịch chuyển một khoảng cách là delta=1mm. Ta sử dụng động cơ có góc bước là 1.8 độ, nghĩa là để bước hết một vòng thì đông cơ phải bước tất cả là 360/1.8 =200 bước. Như vậy nếu bước 200 bước thì dao tiến được một khoảng là 1mm, vậy thì để dao tiến 1.5mm thì rõ ràng ta phải bước 300 bước. Đây chính là cơ sở để tính toán khi gia công. 2.2.3. Phần thiết kế mạch cho vi xử lý Vi xử lý làm nhiệm vụ giải mã lệnh NC được gửi xuống từ máy tính để đưa ra các tín hiệu điều khiển cho máy sao cho đạt được các yêu cầu của người gia công. Trong phần điều khiển này em chọn vi điều khiển AVR cụ thể là chip Atmega8 sẽ làm nhiệm vụ điều khiển. Đây là một dòng chip 8 bit hoạt động với tốc độ cao (một chu kì lệnh khoảng bằng 100 ns) và với độ ổn định cao nên nó ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng thực thế. Chip bao gồm 3 cổng vào ra được thiết kế sẵn cho việc lập trình, để đáp ứng được yêu cầu đề ra nó phải đáp ứng được các yêu cầu có sẵn của hệ thống. Dưới đây là sơ đồ khối của hệ thống được đưa lại như ở trên để nắm rõ hơn về những yêu cầu của nó: Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển Như trên sơ đồ khối ta có thể thấy được vi điều khiển phải đảm bảo đủ số cổng vào ra để điều khiển được 2 động cơ bước và điều khiển bộ phận thay đổi tốc độ cho trục chính. Ngoài ra nó yêu cầu phải có thêm một bộ phận giúp cho việc truyền nhận thông tin với máy tinh thông qua cổng giao tiếp COM Mạch vi điều khiển bao gồm bộ phận cấp nguồn, bộ phận tạo xung giao động và các thành phần khác liên quan để đảm bảo cho vi điều khiển hoạt động được Dưới đây là lưu đồ thuật toán của chương trình vi xử lý. Hình 2.2:Lưu đồ thuật toán cho hệ thống điều khiển 2.2.4. Modul giao tiếp máy tính để lập trình Do sự không đồng bộ giữa mức tín hiệu giữa cổng giao tiếp máy tính với mức tín hiệu của vi điều khiển cho nên cần phải sử dụng một modul chuyển đổi mức tín hiệu sao cho hai bên có thể hiểu được thông điệp của nhau. Cùng là chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232 nhưng đối với máy tính, mức tín hiệu của nó là +12v và -12v, trong khi đó ở vi điều khiển thì mức tín hiệu lại là mức quen thuộc 0 và 5v. Ở đây, IC max232 được sử dụng làm bộ phận chuyển đổi mức tín hiệu trên. Hình 2.2:phần chuyển đổi mức tín hiệu Có thể thấy ở sơ đồ mạch hình phía trên, ngoài nguồn điện được cấp cho chip thì cần thêm các tụ mắc xung quanh để đảm bảo cho sự truyền nhận được diễn ra theo đúng yêu cầu. 2.2.5. phần hiển thị cho biết trạng thái đang làm việc của hệ thống. Toàn bộ các quá trình gia công chi tiết sẽ được thể hiện ở khối hiển thị LCD, đây là một khối có sẵn trên thị trường và rất dễ sử dụng trong việc hiển thị dữ liệu từ vi xử lý. Nó được giao tiếp với máy tính qua một cổng có tối thiểu 7 bít dữ liệu. Và để làm việc với nó chỉ mất vài dòng lệnh. Hình 2.2: Khối hiển thị Bảng x.x : Bảng chức năng các chân của LCD 16x2. Pin Symbol Function 1 Vss Power supply (GND) 2 Vdd Power supply (+) 3 Vss Contrast Adjust 4 RS Register select signal 5 RW Data read/write 6 E Enable signal 7 DB0 Data bus line 8 DB1 Data bus line 9 DB2 Data bus line 10 DB3 Data bus line 11 DB4 Data bus line 12 DB5 Data bus line 13 DB6 Data bus line 14 DB7 Data bus line 15 A Power supply for LED B/L (+) 16 K Power supply for LED B/L (-) Giải thích sơ đồ Các chân PC.0 …PC.7 sẽ được nối vào các chân tương ứng ở cổng PORTC trên chip.Chân PC.3 sẽ được nối vào chân 34 để điều khiển đèn nền của LCD Biến trở R48 10K dùng để điều chỉnh độ tương phản của màn hình. Các điện trở R49, R50 cùng với transistor Q7 sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ MCU để bật tắt đèn nền của LCD. 2.2.6. Phần mềm lập trình trên máy tính Để có thể làm việc được tốt, hệ thống cần có một giao diện để người sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống. Phần mềm này có thể được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft. Có thể hình dung qua giao diện của phần mềm như sau: Ở trên tôi đã trình bày hết toàn bộ các thiết kế phần cứng và mạch điều khiển cũng như lưu đồ thuật toán cho vi điều khiển, tuy nhiên mới thế thì hệ thống vẫn chưa thể hoạt động được. Mà cần phải có một phần mềm lập trình để người thợ có thể đưa các ý tưởng của mình vào đó mà máy có thể hiểu được. Ta tạm hiểu đó là một trình dịch và dịch một ngôn ngữ qui định nào đó. Để làm được nhiệm vụ đó ta phải đưa ra những qui định cụ thể để làm việc với chiếc máy, giả sử như muốn tiến dao ăn sâu vào chi tiết thì cần sử dụng lệnh nào, muốn tăng tốc hay giảm tốc trục trình thì phải dùng lệnh nào...Khi đó phần mềm của tôi viết ra phải có nhiệm vụ có môi trường cho người thợ soạn thảo, phải phát hiện ra những lỗi trong quá trình lập trình và thông báo cho người sử dụng sửa chữa. Phải có khả năng kết nối với mạch thiết kế cho máy để gửi toàn bộ chương trình xuống cho máy hoạt động. Để có thể làm việc được tốt, hệ thống cần có một giao diện để người sử dụng viết mã lệnh giao tiếp với hệ thống. Phần mềm này có thể được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình visual basic 6.0 của Microsoft. Có thể hình dung qua giao diện của phần mềm như sau: Hình 2.2: Giao diện lập trình điều khiển máy MICRO LATHE 2.3. Kết luận chương 2 Chương 2 đã giải quyết được các vấn đề sau: Nghiên cứu tổng quan và chi tiết cấu tạo của máy Micro Lathe Thiết kế chi tiết phương án cải tiến máy trên thành máy gia công bán tự động cả phần mềm lẫn phần cứng. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY CNC LOẠI NHỎ. 3.1. Tổng quan, phạm vi và chức năng của máy Sơ đồ khối 3.1.1 Sơ đồ phần kết cấu cơ khí Sơ đồ phần kết cấu cơ khí của mô hình được thiết kế như hình 3.1 bên dưới. Hình 3.1: Sơ đồ kết cấu cơ khí của mô hình máy CNC loại nhỏ 3.1.2. Sơ đồ khối phần mạch điện tử Có thể tạm hiểu về hoạt động của phần mạch điện tử như sau: Mạch có nhiệm vụ nhận dữ liệu được gửi xuống từ máy tính qua cổng COM. Dữ liệu này được đẩy vào EEPROM, khi vi điều khiển hoạt đông, nó sẽ lấy toàn bộ dữ liệu này để đưa ra các điều khiển cho các động cơ. Do đó mạch cần phải có các khối chức năng để thực hiện được yêu cầu này. Sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ được thiết kế như hình 3.2 bên dưới. Hình 3.2: sơ đồ khối mô hình máy CNC loại nhỏ Về cơ bản sơ đồ khối của mô hình máy CNC loại nhỏ ở chương này cũng gần giống với mô hình thiết kế cho máy Micro Lathe. Nhìn trên mô hình ta có thể thấy được cơ bản về chức năng của các khối có trong mô hình. Do mô hình sử dụng 4 động cơ vận hành cho nên cũng cần 4 mạch công suất điều khiển cho mô hình. Tuy nhiên trong 4 động cơ thì có 3 động cơ một chiều và 1 động cơ bước, do đó các mạch điều khiển cho các loại động cơ khác nhau cũng phải khác nhau. Các động cơ sử dụng là các động cơ loại nhỏ, dòng chảy qua nhỏ khi hoạt động bình thường do đó có thể sử dụng các mạch công suất nhỏ để có thể điều khiển được các động cơ này Khối truyền thông có nhiệm vụ chuyển đổi mức tín hiệu từ máy tính xuống vi điều khiển để cho hai khối này có thể gửi dữ liệu cho nhau một cách bình thường. Khối vi điều khiển có nhiệm vụ giải mã toàn bộ chương trình và đưa ra các hành động điều khiển động cơ tịnh tiến các trục cũng như động cơ khoan theo yêu cầu. Mạch hiển thị cho biết trạng thái của hệ thống. 3.1.3. Làm việc với mô hình máy Do tầm quan trọng và những ứng dụng thực tế của chiếc máy CNC đã được trình bày ở trên. Ở phần này, tôi xin được trình bày về một mô hình thực tế đã được thiết kế và chạy thử nghiệm cho kết quả tốt. Mô hình ở đây được chế tạo hoàn toàn trên những nguyên liệu rời rạc chứ không cải tiến từ một chiếc máy nào đó. Nó được bắt đầu từ những thanh nhôm, những tấm phíp nhựa và từ những chiếc đinh ốc…Nó được thiết kế hoàn toàn dựa trên tất cả những kiến thức đã thu nhận được trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường đại học giao thông vận tải. Mô hình hoàn toàn có thể trở thành tài liệu học tập vì nó cũng bao gồm đầy đủ các chức năng cơ bản của một mô hình. Tôi xin được phép trình bày nó ngắn gọn để các bạn có thể hiểu sơ qua về hoạt động và phạm vi ứng dụng của nó. Có thể nói một cách dễ hiểu hơn mô hình chính là một chiếc máy khoan tự động, chạy theo một chương trình được lập trình sẵn trên máy tính… Để bắt đầu gia công, việc đầu tiên là viết chương trình cần gia công trên máy tính, việc viết chương trình này tuân theo một vài qui tắc do tôi tự lập ra thể hiện các hành động của mô hình. Ví dụ như nếu viết X20;Z-30; chẳng hạn, thì khi đó máy sẽ thực hiện dịch chuyển bàn khoan một khoảng theo trục X là 20mm, tiếp sau đó là nâng mũi khoan lên cao một khoảng là 30mm. Và cứ như thế, toàn bộ quá trình làm việc của mô hình sẽ được mô tả qua ngôn ngữ. Chương trình soạn thảo có thể được viết trên một phần mềm soạn thảo bất kì nào, hoặc có thể sử dụng ngay trình soạn thảo notepad của window XP được tích hợp sẵn. Khi chương trình soạn thảo viết xong cần lưu nó dưới dạng file_name.txt. Bước tiếp theo ta sẽ tiến hành dịch file vừa viết xong. Tất cả các lỗi về cú pháp cũng như các lỗi về dịch chuyển không hợp lý sẽ bị phát hiện và báo lỗi buộc người sử dụng phải sửa lỗi ngay trước khi cho phép nạp xuống mô hình. Quá trình dịch và phát hiện lỗi sẽ được thực hiện do một phần mềm viết trên nền visual basic có nhiệm vụ liên kết đến file chương trình, kiểm tra các lỗi phát sinh và đưa ra thông báo. Khi không có một lỗi nào được tìm thấy trong quá trình dịch, chương trình sẽ thông báo dịch thành công và cho phép người dùng gửi toàn bộ chương chình xuống mô hình thông qua giao tiếp cổng COM. Và tất nhiên cổng COM chỉ được sử dụng trong quá trình thay đổi hoặc nạp chương trình mới cho mô hình. Còn lại trong quá trình nó hoạt động hoàn toàn ta có thể rút bỏ mà không có một sự ảnh hưởng nào đến quá trình làm việc của nó. Ở tại vi điều khiển, tất cả các dữ liệu nhận được sẽ được đẩy vào nội dung của bộ nhớ EEPROM, đề phòng trường hợp khi mất điện hoặc hệ thống bị treo thì dữ liệu vẫn còn và mô hình vẫn có thể làm việc được một cách bình thường. EEPROM có độ rộng 64kb và được ghép nối ngoài với vi điều khiển. và vị bộ nhớ giới hạn như vậy cho nên giới hạn file lập trình không được quá 64kb. Khi toàn bộ dữ liệu đã được đưa vào nội dụng EEPROM thì quá trình giải mã bắt đầu được tiến hành, dữ liệu sẽ được giải mã và biến thành các hành động của các trục để thực hiện quá trình gia công. Các hành động của mô hình bao gồm dịch chuyển trục X theo hai hướng, dịch chuyển trục Y theo hai hướng, dịch chuyển trục Z theo hai hướng (nâng hạ mũi khoan), điều khiển cấp tốc độ cho động cơ khoan và đảo chiều quay cho động cơ khoan. Khi gia công hết chương trình, vi điều khiển kiểm tra mã lệnh xem có cần lặp lại quá trình gia công hay không, nếu có thì lặp lại còn nếu không thì kết thúc và chuyển qua chế độ chờ. 3.2. Phân tích và đưa ra giải pháp gia công phần cơ khí cho mô hình. 3.2.1. Kết cấu cơ khí trục Z. Như phân tích phần cơ khí ở trên, mô hình sẽ bao gồm 3 trục đó là trục X, Y và trục Z. Khi hoạt động các trục được tịnh tiến qua lại bằng các động cơ điều khiển nhờ các cơ cấu trục vít bánh vít. Cũng có thể nhìn thấy luôn, khi hoạt động mũi khoan tiến theo trục Z và chỉ được phép di chuyển lên xuống (nâng, hạ). Do khi khoan, tốc độ tiến mũi khoan chậm và yêu cầu cần di chuyển các khoảng nhỏ cho nên ở đây tôi đưa ra phương án chọn động cơ bước. Động cơ bước tôi sử dụng là loại động cơ 2 cuộn dây và có góc bước là 1.8 độ. Có nghĩa là nếu bước đủ vòng thì cần phải đi 200 bước. Bên cạnh đó, cơ cấu trục vít bánh vít có tác dụng hạn chế chuyển động tối đa vòng quay của động cơ và đồng thời tạo lực ép mũi khoan lớn. Cơ cấu trục vít bánh vít sử dụng loại bulong đai ốc có bước ren là 1mm. Với kết cấu như vậy thì động cơ bước khi bước 200 bước sẽ chỉ làm cho mũi khoan tiến dọc trục được một khoảng là 1mm. Như vậy khoảng dịch chuyển nhỏ nhất của mũi khoan là 1mm/200=0.005mm. Với khoảng cách này đảm bảo cho tốc độ tiến mũi khoan. Để có thể thực hiện ghép trục bulong vào với trục động cơ, tôi khoan một lỗ nhỏ ở đầu trục có đường kính vừa khít với đường kính của trục động cơ và thực hiện đóng cốt để ghép chặt hai chi tiết này với nhau. Bằng cách này trục động cơ và bulong được ghép chết với nhau. Hình vẽ 3.3 bên dưới là hình chụp của động cơ và trục sau khi đã tiến hành đóng cốt với nhau. Hình 3.3: Động cơ và trục bulong sau khi đã ghép với nhau. 2: Đầu bulong sau khi đã ghép với động cơ 1: Động cơ bước gắn với bulong. Yêu cầu đặt ra ở đây là làm sao khi động cơ bước quay thì mũi khoan của ta cần phải di chuyển lên xuống dọc trục tùy theo chiều quay của động cơ. Để thực hiện được điều này một cách êm ái và trơn tru thì tôi sử dụng một loại đệm trượt dùng bi để gắn giữa hai thanh nhôm. Thanh nhôm làm khung và thanh nhôm chứa động cơ khoan. Khi gắn xong, hai thanh có thể trượt nhẹ nhàng trên nhau. Phần đai ốc của bulong sẽ phải được gắn cố định lên một thanh nhôm có chứa động cơ khoan để sao cho khi động cơ quay làm cho bulong quay, đai ốc sẽ tiến dọc trục động cơ khoan kéo theo sự chuyển động lên xuống của động cơ khoan. Tiến hành gia công và lắp ghép ý tưởng tôi được một kết cấu di chuyển như hình vẽ 3.4 dưới đây. Hình 3.3: hệ thống trượt được nối với trục động cơ. Như chỉ số ở trên hình, bulong số 3 được ghép chặt với thanh trượt số 4 là thanh trượt có mang động cơ khoan trên đầu. Bulong được sẻ rãnh và ép chặt bằng hai bulong nhỏ ở hai đầu, nhìn trên mô hình chúng ta có thể thấy được điều này. Đệm trượt dùng bi số 2 đệm giữa thanh trượt 4 và khung 5 làm cho quá trình dịch chuyển lên xuống được nhẹ nhàng. Ở đầu thanh trượt 4, ta cần lắp ghép động cơ khoan với thanh trượt đảm bảo chắc chắn, khi khoan không bị rung hay bị tuột ra khỏi thanh trượt. Tôi sử dụng đai để cố định hai chi tiết này với nhau. Hình vẽ 3.4 thể hiện điều này. Động cơ khoan yêu cầu phải là loại động cơ có mômen đủ để thực hiện gia công trên một vài phôi nào đó. Ngoài ra nó phải thay đổi được tốc độ khoan, đảo chiều khi cần thiết. Tôi chọn loại động cơ 1 chiều công suất nhỏ có gắn mũi khoan ở đầu. Ở hình vẽ bên dưới, động cơ khoan 1 được ghép vào với thanh trượt 2 thông qua đai số 3. Hình 3.3: Ghép động cơ khoan vào với thanh trượt. Đối với hai trục còn lại, trục X và trục Y có nhiệm vụ dịch chuyển bàn khoan theo hai phương vuông góc với nhau. Cũng giống như trục Z, yêu cầu đặt ra là các di chuyển bàn khoan theo các phương phải nhỏ và khi di chuyển lực di chuyển phải lớn. Do đó tôi vẫn chọn phương án trục vít bánh vít. Ở đây tôi vẫn sử dụng bulong đai ốc có sẵn với bước ren 1mm. Bàn khoan được thiết kế sử dụng nhựa cứng phíp chuyển dùng để gia công với nhôm và nhôm thanh. Bàn khoan sau khi thiết kế cần phải trượt nhẹ nhàng dọc theo trục X hoặc trục Y. Sau đây tôi đưa ra phương án thiết kế kết cấu cho hai trục 3.2.2. Kết cấu cơ khí trục X. Nói ra thì khó tưởng tượng, sau quá trình phân tích tôi quyết định đưa ra kết cấu như hình vẽ 3.4 dưới đây có thể giúp cho bàn khoan có thể trượt một cách tự do nhẹ nhàng theo yêu cầu. Tấm nhựa bàn khoan 1 được gá lên thanh nhôm hình chữ L như hình vẽ. Trên thanh nhôm hình chữ L có khoan các lỗ để có thể đưa qua đó hai thanh trượt cũng được làm bằng nhôm và được gá cố định ở hai đầu. Như vậy khi đó thì bàn khoan bây giờ đã có thể trượt tự do trên hai thanh nhôm tròn. Cũng giống như trục Z, thanh dài bulong được khoan một lỗ nhỏ ở đầu có đường kính đúng bằng đường kính đúng bằng đường kính của của trục động cơ, sau đó tiến hành đóng cốt để ghép chặt trục bulong và động cơ. Bây giờ khi động cơ quay sẽ làm cho thanh bulong quay theo. Để cho quá trình hoạt động được trơn chu hơn, trục bulong của động cơ trục X được đỡ bằng hai gối đỡ có vòng bi 3. Khi động cơ và trục bulong quay sẽ làm cho vòng bi quay và trượt nhẹ nhàng theo cơ cấu của vòng bi. Cuối cùng là việc gá đai ốc vào với bàn trượt. Đai ốc được sẻ một rãnh nhỏ để bàn khoan có thể gá lên trên đó mà không bị trượt ra ngoài. Việc ghép bàn khoan và đai ốc là một mối ghép động nhưng vẫn đảm bảo hoạt động tốt khi khoan. Do sử dụng mỗi ghép động cho nên khi hoạt động kết cấu hệ thống sẽ không bị bó cứng. Động cơ được lựa chọn là loại động cơ 1 chiều công suất nhỏ nhưng vẫn đảm bảo đủ moment trong quá trình hoạt động. Sở dĩ tôi chọn loại động cơ một chiều để đảm bảo tính linh hoạt cho sự di chuyển của bàn khoan. Nếu sử dụng động cơ bước cho mô hình sẽ kéo theo sự phức tạp của mạch điều khiển. Kế theo đó sẽ làm sự di chuyển của bàn khoan sẽ trở nên chậm chạp đi rất nhiều. Còn một vấn đề nữa, nếu lựa chọn động cơ bước, khi đó ta sẽ thực hiện điều khiển động cơ bước và đếm bước của động cơ để xác định ra khoảng cách di chuyển. Nhưng nếu một trường hợp không mong muốn nào đó, bước đưa ra không được thực hiện bởi phần cơ khí (trường hợp mất bước) thì lúc đó vi điều khiển không thể nào phát hiện ra được và dẫn đến gia công sẽ bị sai. Còn về phần tốc độ, thử làm một phép tính đơn giản sẽ thấy được ngay. Giả sử tôi tính cho trục X chẳng hạn, Chiều dài của trục X là 10cm. Cơ cấu trục vít bánh vít sử dụng loại bulong có bước ren là 1mm, do đó khi hoạt động, muốn di chuyển một đoạn là 1mm thì động cơ phải quay một vòng. Còn di chuyển hết trục X (100mm) thì động cơ quay 100 vòng. Nếu sử dụng động cơ bước để xoay trục, tốc độ tối đa của động cơ bước sẽ khoảng 200 vòng / phút. Khi đó để di chuyển được hết trục X ở trên thì phải mất khoảng thời gian là 30s. Còn nếu đối với động cơ 1 chiều với tốc độ khi quay khoảng 2500 vòng / phút. Khi đó khoảng thời gian để chạy hết trục X là 100/2500 phút và tính vào khoảng 2.4 giây, rõ ràng là nhanh hơn đáng kể. Động cơ sau khi ghép với trục bulong được ghép vào phần đế bằng một tấm nhựa nhỏ và hai chiếc bulong dài. Điều này có thể nhìn thấy rất rõ ở hình 3.3 bên dưới. Ở đầu động cơ có gắn encoder, đây là bộ phận quan trọng và không thể thiếu vì nó cho phép ta xác định được vị trí của bàn khoan. Encoder này cũng là một thiết bị được gia công thủ công và chỉ có 4 xung cho một vòng quay của động cơ. Đế và khung 7 được thiết kế chủ yếu bằng nhựa phíp và nhôm. Các mối ghép chủ yếu sử dụng là các đinh rút và các bulong cỡ nhỏ, có các mối ghép sử dụng mối ghép vĩnh cửu như mối ghép giữa thanh gối vòng bi và đế chẳng hạn, một số chi tiết được lắp ghép bằng mối ghép tháo được như mối ghép ở động cơ. Hình vẽ bên dưới thể hiện toàn bộ kết cấu cơ khí của phần dịch chuyển trục X. Hình 3.3: Cơ cấu dịch chuyển bàn khoan theo trục X 3.2.3. Kết cấu cơ khí trục Y. Cũng hoàn toàn giống với kết cấu cơ khí ở trục X, ở đây tôi sẽ đưa hình ảnh lên trước sau đó sẽ giải thích các bộ phận cũng như hoạt động của nó sau. Hình ảnh 3.4 ở dưới đây là hình ảnh thực tế tôi chụp từ mô hình của mình. Hình 3.4: Cơ cấu dịch chuyển bàn khoan theo trục X Nhiệm vụ của kết cấu trục Y lúc này không phải chỉ đẩy một bàn khoan duy nhất như trục X nữa. Lúc này toàn bộ cơ cấu bao gồm bàn khoan, động cơ trục X, thanh trượt, đế và các chi tiết liên quan sẽ đượt đưa lên thanh trượt của trục Y. Ở trên hình, số 1 là đế của cơ cấu trục X , trên đó chứa toàn bộ cơ cấu trục X được trình bày ở trên. Còn lại toàn bộ cơ cấu tịnh tiến và lắp ghép cũng giống hoàn toàn với cơ cấu của trục X. Động cơ số 5, ở đầu có lắp encoder, đầu còn lại được đóng cốt với một bulong cùng loại. Thanh trượt được cố định ở hai đầu, đai ốc được xẻ rãnh để ghép động với đế số 1. Về cơ bản, ở phần trên tôi đã trình bày các kết cấu cơ khí chính của mô hình máy CNC loại nhỏ, ngoài ra để mô hình có thể hoạt động được thì cần phải có các yêu tố khác. Nó đóng góp phần không thể thiếu trong quá trình hoạt động của mô hình. Ở phần tiếp theo đây tôi xin trình bày về các chi tiết đó. 3.2.4. Công tắc hành trình Công tắc hành trình có tác dụng khi bắt đầu khởi động mô hình lên. Toàn bộ các trục sẽ hoạt động theo chiều âm của các trục để đưa mũi khoan về tọa độ điểm 0 của chi tiết. Công tắc hành trình giúp cho vi điều khiển phát hiện ra khi nào mũi khoan đã thực sự về đến điểm 0 của chi tiết. Do đó khi tiến hành lắp công tắc hành trình chúng ta phải chú ý sao cho khi công tắc hành trình bắt đầu kích hoạt thì lúc đó vị trí mũi khoan đang ở điểm gốc. Do mô hình máy có 3 trục X, Y và Z nên ta cần sử dụng 3 công tắc hành trình cho 3 trục này. Hình vẽ dưới đây là hình ảnh về công tắc hành trình sau khi đã tiến hành đo và lắp đặt trên mô hình máy. Hình 3.5: Công tắc hành trình sau khi đã lắp trên mô hình 3.2.5. Gá mạch và tản nhiệt cho IC công suất Đặt mạch lên mô hình sao cho trong quá trình hoạt động các kết cấu cơ khí không ảnh hưởng đến linh kiện cũng như các dây nối từ các cảm biến trả về. Tôi đặt mạch ở vị trí cuối của mô hình, nơi này không bị ảnh hưởng bởi các dịch chuyển khi mô hình hoạt đông. Các dây điện dẫn tín hiệu cảm biến cũng như các dây cấp nguồn cho các động cơ được gá cố định và gọn gàng trên khung. Mạch phải được đặt sao cho không sảy ra hiện tượng chập chân do khung mô hình được chế tạo bằng nhôm. Trong quá trình hoạt động, các IC công suất tản ra một nhiệt lượng nào đó tùy theo chế độ hoạt động cũng như thời gian hoạt động của mô hình. Lượng nhiệt này nếu không được tản ra xung quanh thì sẽ có thể gây cháy nổ IC và làm hỏng mạch điều khiển. Lợi dụng khung của mô hình được làm bằng nhôm tôi quyết định tản nhiệt ra khung nhôm. Toàn bộ các IC công suất bao gồm các IC điều khiển động cơ, IC chỉnh lưu, IC ổn áp được ép toàn bộ phần tản nhiệt vào khung nhôm. Hình chụp bên dưới chụp từ mô hình thể hiện những gì tôi trình bày ở trên. Hình 3.6:Tản nhiệt cho IC công suất 3.2.6. Lắp ghép mô hình. Sau khi thiết kế xong các phần cơ khí tiến hành lắp ráp các bộ phận và cho ra sản phẩm cuối cùng như hình chụp bên dưới. Hình 3.7: Mô hình cơ khí sau khi hoàn thành. Khi đã có kết cấu cơ khí cho mô hình máy, chúng ta tiến hành đi thiết kế mạch điện điều khiển mô hình sao cho phù hợp với các động cơ và cảm biến đã lắp đặt. Ở phần tiếp theo đây tôi trình bày quá trình thiết kế mạch điều khiển và lập trình cho mô hình máy. 3.3. Phân tích và thiết kế mạch điện điều khiển. Yêu cầu mạch điều khiển phải đảm bảo thực hiên được các yêu cầu sơ đồ khối của mạch điện đã được đưa ra và trình bày cơ bản chức năng ở phần trên. Ở phần này tôi chỉ trình bày cách thiết kế các khối có trong mạch điều khiển chính. 3.3.1.Phân tích lựa chọn vi điều khiển sử dụng điều khiển mô hình a. phân tích và lựa chọn. Sau khi đã phân tích thiết kế phần cơ khí và các động cơ điều khiển mô hình chúng ta cần tiến hành chọn loại vi điều khiển nào cho phù hợp. Yêu cầu phải đảm bảo đủ các cấu trúc phần cứng cũng như đảm bảo về tốc độ, bộ nhớ. Có thể thấy mạch dùng điều khiển 4 động cơ bao gồm 3 động cơ 1 chiều và 1 động cơ bước. Do đó số chân cổng tối thiếu để điều khiển động cơ phải là 10. Tiếp theo công tắc hành trình trả về tín hiệu ở tại 3 chân cổng hướng dữ liệu vào. Các tín hiệu xung encoder trả về từ 2 trục gồm hai chân của bộ đếm counter. 2 chân của I2C dùng giao tiếp với EEPROM ngoài. Các chân cổng nạp, các chân giao tiếp với led hiển thị. Như vậy tính sơ qua vi điều khiển cần tới gần 20 chân cổng vào ra. Cần 2 bộ đếm xung ngoài, cần 1 phần cứng giao tiếp RS232, cần một phần cứng giao tiếp I2C. Để thỏa mãn các yêu cầu trên ở đây tôi đưa ra phương án chọn vi điều khiển thuộc dòng vi điều khiển AVR của Atmel là Atmega16. Phần tiếp theo đây tôi trình bày về các đặc tính của vi điều khiển tôi chọn làm bộ xử lý. Ở phần này tôi chỉ trình bày cơ bản và sơ qua về dòng vi điều khiển tôi sử dụng. Thanh ghi dữ liệu (Data register). Các thanh ghi dữ liệu gồm có cổng A, cổng B, cổng C, cổng D có chức năng đọc ghi dữ liệu. Giá trị khởi tạo sau khi Reset là 0x00. Ban đầu nếu được khởi tạo là cổng ra thì khi ghi dữ liệu vào sẽ làm thay đổi giá trị logic của các chân hay làm thay đổi chức năng của cổng. Hình 3.8: Các thanh ghi dữ liệu của các cổng của Atmega16. Các thanh ghi dữ liệu cổng A, cổng B, cổng C và cổng D đều gồm có 8 bit từ PA0 ÷ PA7, PB0 ÷ PB7, PC0 ÷ PC7và PD0 ÷ PD7. Thanh ghi hướng dữ liệu (Data direction). Gồm có các thanh ghi: DDRA, DDRB, DDRC, DDRD. Có chức năng xác định hướng dữ liệu truyền cho các thanh ghi cổng A, cổng B, cổng C và cổng D. Ví dụ như thanh ghi DDRB được sử dụng để xác định hư