CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
1.1. Sơ đồ hệ thống điện điều khiển
Hình 1-1 Sơ đ
ồ hệ thống điện điều khiển
Trên sơ đ
ồ trên bao gồm các khối chính như sau:
 M
ạch điều khiển chính: Nhận lệnh từ phần mềm tr
ên máy tính
đ
ể
đi
ều khiển các chuyển động quay của các động c
ơ; truyền về
máy tính tr
ạng thái hoạt động của máy (thông tin về tọa độ, trạng
thái công t
ắc giới hạn, tín hiệu điều khiển từ bảng điều khiển …).
 Driver: Đ
ộng c
ơ các trục của máy (3 trục X, Y và Z) được sử
d
ụng
là lo
ại động c
ơ bước. Do đó chúng ta phải sử dụng các bộ
driver, có nhi
ệm vụ nhận các tín hiệu xung điều khiển từ bộ điều
khi
ển v
à khuyếch đại và chuyển đổi sang dạng xung điều khiển

t
ừ phần
m
ềm tr
ên máy tính xuống bộ điều khiển. Bao gồm các lệnh: Lệnh
hi
ệu chỉnh máy, lệnh gia công … V
à truyền về máy tính các trạng
thái c
ủa bộ điều khiển (tọa độ các trục, trạng thái công tắc giới
h
ạn …).
Các kh
ối này được bố trí trong hộp thép, người
dùng có th
ể thao tác
v
ới các nút điều khiển ở trên mặt trước, kết nối với động cơ, công tắc, máy
tính đ
ều bố trí ở mặt sau.
1.2. Thiết kế hệ dẫn động các trục máy
1.2.1. Trục chính
1.2.1.1. Lựa chọn trục chính
Tr
ục chính máy công cụ đóng vai trò quan trọng trong các quá trình
gia công vì nó cung c
ấp tốc độ cắt cho dao và là một phần của chuỗi truyền
l
ực giữa máy công cụ và dụng cụ hoặc chi tiết. Tùy theo loại máy mà trục
chính có nh

D
ẫn động trục chính là cơ cấu cung cấp và truyền chuyển động đến
tr
ục chính, bao gồm động cơ và khớp nối
. B
ằng cách này, tốc độ quay, mo
men xo
ắn và công suất sẽ được truyền đến dụng cụ nhờ cơ cấu kẹp dao. Nói
chung, có b
ốn loại trục chính phụ thuộc vào dạng dẫn động được sử dụng,
bao g
ồm loại dẫn động đai, dẫn động bánh răng, dẫn động trực tiếp và dẫn
đ
ộng
tích h
ợp.
Có nhi
ều kiểu dẫn động trục chính:
+ Dẫn động trục chính bằng đai.
+ D
ẫn động trục chính bằng bánh răng.
+ D
ẫn động trục chính trực tiếp.
+ D
ẫn động trục chính kiểu tích hợp.
V
ới mô hình thiết kế, để đảm bảo thiết kế hệ thống máy có kích thước
nh
ỏ gọn, nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về chế độ gia công. Ta chọn
phương án d

ối l
ượng:
6.8 Kg.
1.2.1.3. Điều khiển động cơ trục chính
Đ
ộng c
ơ trục chính là loại ba pha, điều tốc bằng biến tần
và tích h
ợp
v
ới bo mạch điều khiển chính.
Ch
ức năng điều khiển trục chính gồm: bật/tắt
đ
ộng c
ơ, đảo chiều trục chính, điều tốc thay đổi tốc độ vô cấp (từ 0 ÷ 24,000
vòng/phút).
Như v
ậy, đầu vào biến tần có 3 đường điều khiển, điều khiển bật/tắt
và đảo chiều nối với tiếp điểm rơ le đầu ra của bo mạch điều khiển; chỉnh
t
ốc độ bằng điện áp một chiều (0 ÷ 10V) nối với đầu ra của mạch chuyển đổi
s
ố
- tương t
ự (DAC) trên bo mạ
ch đi
ều khiển.
Ho
ạt động điều khiển được thao tác trên phần mềm, theo lệnh trong

đ
ộng c
ơ
công su
ất cao. Trong đề t
ài này tôi chọn động cơ cho trục X và Y có thông
s
ố nh
ư sau:
 Hãng s
ản xuất:
Sanyo.
 Lo
ại động cơ:
2 pha.
 Góc bư
ớc:
1.8
0
.
 Mômen gi
ữ:
1.17 (N.m).
 Dòng
điện định mức:
3 (A/pha).
 Kh
ối l
ượng:
0.7 (Kg).

Đ
ộng c
ơ bư
ớc l
à loại động cơ đặc biệt, do đó cần thêm khối driver
đi
ều khiển nhằm chuyển tín hiệu xung điều khiển (công suất thấp) th
ành
d
ạng tín hiệu điều khiển động c
ơ (công suất cao). Trong các ứng dụng đòi
h
ỏi cần momen lớn, sử dụng động c
ơ bước loại lưỡng c
ực th
ì có l
ợi về
momen g
ấp đôi so với loại đ
ơn cực. Tuy nhiên thiết kế mạch điều khiển lại
đ
òi h
ỏi nhiều kỹ thuật phức tạp và chi phí lại khá cao. Vì vậy trong đề tài
này, tôi ch
ỉ sử dụng loại động c
ơ đơn cực, khả năng điều khiển động có có
dòng
đ
ịnh mức đ
ến 5A v

M
ạch điều khiển chính l
à khối
đi
ều khiển to
àn bộ hoạt động của máy.
M
ạch điều khiển thực hiện các nhiệm vụ chính l
à:
 Khi hi
ệu chỉnh máy: Xuất xung điều khiển chuyển động các
tr
ục đến những vị trí xác định, hiệu chỉnh gốc tọa độ, điều khiển
đóng/ng
ắt động cơ phay …
 Khi th
ực hiện gia côn
g: Nh
ận lệnh G Code từ máy tính, thực
hi
ện nội suy (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) để xuất
xung đi
ều khiển dịch chuyển các trục tương ứng. Các lệnh G
-
Code c
ũng có thể được lưu trữ trên mạch điều khiển để thực hiện
gia công mà không cần kết nối với máy tính. Đồng thời mạch
điều khiển truyền về máy tính các thông số trạng thái của máy.
Hình 1-3 Các kh
ối chứ năng trong bo mạch điều khiển

ết nối với khối lưu trữ EEPROM: Chương trình gia công có
th
ể được lưu trữ trên bộ nhớ của mạch điều khiển. Bộ nhớ
EEPROM có dung lư
ợng nhỏ (512 KB) nhưng có thể lưu trữ
chương trình ngay cả khi mất nguồn điện. Chương trình lưu trữ
trên bộ nhớ có thể dùng để thực hiện gia công khi không cần kết
n
ối với máy tính.
 L
ệnh G
-Code truy
ền đến bộ vi xử lý, được nội suy và xuất các
xung đi
ều khiển động cơ, các xung này thông qua bộ đệm đầu ra
(khuy
ếch đại tín hiệu) và t
ruy
ền tới các trục tương ứng.
 Tín hi
ệu đầu vào (thông qua bộ đệm đầu vào) luôn được kiểm
soát, nh
ằm đảm bảo máy hoạt động trong phạm vi giới hạn cho
phép. Tín hi
ệu dừng khẩn nhằm dừng toàn bộ hoạt động của máy
khi g
ặp sự cố bất ngờ.
1.4. Bảng điều khiển máy
Trên h
ộp điều khiển có bố trí các công tắc điều khiển nguồn cấp cho

công t
ắc giới hạn nhằm hạn chế hành trình chuyển động trên các trục trong
ph
ạm vi cho phép.
Công t
ắc g
i
ới hạn còn có tác dụng xác định vị trí gốc “0” của máy. Tại
v
ị trí đó, tọa độ máy trên các trục đều là tọa độ gốc. Do yêu cầu cao về định
v
ị chính xác, ta sử dụng hệ thống công tắc quang. Công tắc quang có ưu
đi
ểm là độ chính xác đóng/mở cao, hoạt động th
eo nguyên lý quang nên
không có lực tiếp xúc, hoạt động tin cậy vì không còn tiếp điểm điện. Bố trí
công t
ắc quang tr
ên phần cố định của trục, phần di động mang một lá chắn
quang có th
ể chuyển động chạy qua phần r
ãnh chữ U của công tắc quang.
Hình 1-4 Công t
ắc quang
Hình 1-5 Cách b
ố trí công tắc quang
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
Ph
ần mềm điều khiển bao gồm: phần mềm trên mạch điều khiển của
máy và ph

ệnh gia công có
th
ể được truyền lần lượt từ phần mềm máy tính, hoặc có thể được lưu trữ
trong b
ộ nhớ EEPROM trên mạch điều
khi
ển của máy. Trong đề tài này, tôi
ch
ỉ sử dụng thuật toán nội suy đường thẳng để thực hiện lệnh gia công G00
và G01. L
ệnh nội suy cung tròn G02, G03 đã được phần mềm trên máy tính
chuy
ển đổi thành các lệnh nội suy đường thẳng G01 nhằm làm đơn giản
thu
ật
toán trên m
ạch điều khiển.
Các tr
ục máy đều điều khiển bằng động cơ bước, do đó tương ứng với
m
ỗi
xung, đ
ộng cơ dịch chuyển trục đi một khoảng cố định rất nhỏ. Giả sử
n
ếu ta sử dụng trục vít me có bước ren bằng 2mm, động cơ bước chạy với
ch
ế độ vi bước 1/10 (một vòng quay của động cơ chia làm 200 * 10 = 2000
bư
ớc nhỏ) tương ứng với khoảng dịch chuyển
)(001.0

22
baL 
.
Đ
ộ phân giải của động cơ bước
)/(1000
2
2000
mmxungd 
,
T
ốc độ dịch chuyển F (mm/phút) vậy tần số phát xung là
)(
60
Hz
dF
f 
v
ới d là độ phân giải động cơ bước và F là tốc độ dịch chuyển.
Chu k
ỳ phát xung là
)(
60
giây
dF
T 
Ta s
ử dụng bốn thanh ghi của vi xử lý để nạp các giá trị. Giá trị số
xung a đư
ợc nạp vào thanh ghi p

ị trong thanh ghi q
x
b
ằng q
x
= q
x
– L. T
ần số xung xuất cho động
cơ X là
)(Hz
L
fa
. Tương t
ự vậy, tại mỗi chu kỳ tính toán, giá trị thanh ghi p
y
đư
ợc cộng vào thanh ghi q
y
. Khi giá tr
ị q
y
≥ L th
ì xuất một xung ra động cơ
Y và giá tr
ị thanh ghi q
y
b
ằng q
y

ược thực hiện như bảng sau:
Xung
đ
ồng hồ
Px
Py
Qx
Qy
Xung
đ
ộng c
ơ
X
Xung
đ
ộng c
ơ
Y
1
3
4
3
4
0
0
2
3
4
6
8

3
4
Y
X
5
5
Thu
ật toán tr
ên có ưu điểm là đơn
gi
ản, thích hợp với vi xử lý tốc độ
th
ấp, đ
ường nội suy gần giống với đường thực tế. Tuy nhiên do có phép tính
s
ố thực
)(
22
baL 
nên th
ời gian tính toán nhiều h
ơn so với phép tính số
nguyên.
2.1.2. Thuật toán đường thẳng Bresenhem
Thu
ật toán n
ày đượ
c Bresenhem đ
ề xuất đển chuyển đổi đ
ường thẳng

(chênh l
ệch trên).
 
1
1
k k k
d y y m x b y     
   
2
1 1 1
k k k
d y y y m x b       
 
1 2
2 1 2 2 1
k k
d d m x y b     
Ta đưa vào tham s
ố:
 
1 2 k
2 yx 2
k k
p x d d xy c       
Dấu của p
k
cùng dấu với d1-d2 khi
0x 
với hằng số
 

 
1 k+1
2 y-2 x y
k k k
p p y

    
Ở đây
1k k
y y


ch
ỉ có giá trị 0 hoặc 1 phụ thuộc vào dấu của p
k
.
Tham s
ố đầu tiên được tính trực tiếp
 
0 k k k
2 yx -2 xy +c=2 yx -2 y+ x 2b-1p      
Khi (x0,y0) th
ỏa m
ãn công thức của đường thẳng thì ta có:
0 0
y
y x b
x

 

2p y x   
v
ới mỗi điểm xk dọc trên đường
th
ẳng bắt đầu tại k = 0, kiểm tra nếu p
k
<0, đi
ểm tiếp theo là (x
k
+ 1,y
k
) và
1
2 y
k k
p p

  
; n
ếu pk>0 thì điểm tiếp theo là (x
k
+ 1,y
k
+1) và
1
2 y-2 x
k k
p p

   

ởi tạo các biến. Đặt tọa độ tương đối (X2,Y2) của dao tại
đi
ểm (0,0). Tức là vị trí dao đang ở vị trí ban đầu (X1,Y1).
Bư
ớc 2: Tính toán chiều dịch chuyển của các trục. Khi dịch chuyển
theo m
ột đoạn thẳng, chiều dịch chuyển phụ thuộc vào tọa độ điểm
đ
ầu và
đi
ểm cuối. Đặt hai biến DX = X3
-X1; DY = Y3-Y1. Chi
ều dịch chuyển trục
X ph
ụ thuộc vào DX, chiều dịch chuyển trục Y phụ thuộc vào DY.
Bư
ớc 3: Tính toán giá trị sai lệch giữa |DX| và |DY|. Đặt biến FXY =
|DX| - |DY|.
Bước 4: Thực hiện xuất xung điều khiển, hoàn thành khi đạt đến tọa
đ
ộ của điểm cuối. Tại mỗi chu kỳ tính toán.
 N
ếu dấu của FXY>0 thì dịch chuyển trục X đi một bước theo
chi
ều dịch chuyển tính toán ở bước 2. Giá trị FXY = FXY
– DY,
giá tr
ị X2 = X2 + 1.
 N
ếu dấu của FXY<0 th

ộng cơ Y
1
-4
0
0
0
-1
2
-1
0
1
0
-1
3
2
0
2
1
0
4
-5
1
2
0
-1
5
-2
1
3
0

0
-1
0
1
2 3
0
-1
-2
-3
-4
Y
X4
-5
-6
-7
Quan sát trên hình vẽ, dịch chuyển các trục là không đồng thời nên
biên d
ạng dịch chuyển gấp khúc. Khi thực hiện chạy máy sẽ x
ãy ra chuyển
đ
ộng giật v
à hành trình dịch chuyển không gần giống với hành trình dịch
chuy
ển thực tế so với ph
ương pháp nội suy DDA. Do đó, tôi chọn thuật toán
n
ội suy đ
ường thẳng DDA để xử lý trên mạch điều khiển.
2.2. Điều khiển chuyển động các trục
Đi

à ngược lại chu kỳ phát xung ngắn thì tốc độ của động
cơ nhanh
hơn.
Đ
ộng c
ơ quay với tốc độ là hằng số, xung cấp cho động cơ được phát
ra v
ới chu kỳ đều nhau. Trong vi xử lý, ta d
ùng định thời để tạo bộ phát
xung chu
ẩn, chu kỳ xung phát ra
t
t
f
c
ctt 
(giây).
Trong đó:
t
Chu k
ỳ xung.
c giá tr
ị bộ đếm trong bộ định thời.
t
t
th
ời gian trễ của một đ
ơn vị định thời.
f
t

180
=57.3 đ
ộ).
Gia t
ốc góc


(rad/giây
2
) khi thay đ
ổi giá trị bộ đếm c
1
đ
ến c
2
là:
Yêu c
ầu điều khiển tốc độ của động cơ tăng/giảm tuyến tính thì gia
t
ốc góc phải là một hằng số và ta có mối liên hệ
tt .)( 


. L
ấy tích phân sẽ
đư
ợc góc bước của trục động cơ tại thời điểm t:
Trong đó n là số bước. khi đó trục của động cơ đư ợc tính
 .n
.

ên máy tính
Ph
ần mềm đ
ược
vi
ết bằng ngôn ngữ lập tr
ình Visual C++, giao diện
đơn gi
ản dễ thao tác. Cấu trúc phần mềm gồm 4 phần:
 Ph
ần hiệu chỉnh máy: Bố trí các thanh công cụ bên trái dùng để
hi
ệu chỉnh máy như: Dịch chỉnh tinh tọa độ các trục, đặt tọa độ
bù, đi
ều khiển đầu ra độn
g cơ tr
ục chính, hệ thống làm mát …
 Ph
ần quản lý lệnh gia công: File gia công đ
ược nạp vào phần
m
ềm đ
ược hiển thị từng dòng lệnh phía bên phải. Toàn bộ thông
tin v
ề file (số d
òng lệnh, dung lượng, kích thước vùng gia công)
đư
ợc liệt k
ê. Khi thực hiện gia c
ông, l

ạng tiếp điểm r
ơle. Trong đề tài sử dụng cổng OUT1 điều khiển trục chính,
c
ổng OUT2, OUT3 có thể điều khiển hệ thống l
àm mát bằng nước. các trạng
thái đ
ầu v
ào của các công tắc giới hạn c
ũng đ
ư
ợc thể hiện trên màn hình.
Hi
ệu chỉnh máy có thể dịch chuyển các trục đi một bước nhất định.
Nh
ấn vào các nút tương ứng với trục, sẽ làm dịch chuyển đi một bước đặt
trư
ớc đối với trục tương ứng.
Đ
ặt tọa độ Offset: tọa độ bù là tọa độ cộng thêm vào sa
o cho v
ị trí tại
đó là g
ốc tọa độ của chương trình, tọa độ máy tại đó có giá trị đúng bằng tọa
đ
ộ bù. Ta có thể đặt được sáu tọa độ bù khác nhau, và khi thực thi chương
trình gia công g
ọi lệnh đặt tọa độ bù (G54
– G59), máy s
ẽ đặt tọa độ bù
tương

 M3, M4, M5 Đi
ều khiển động cơ trục chính.
 M6 L
ệnh thay dao.
 M7 B
ật hệ thống làm mát.
 M9 T
ắt hệ thống làm mát.
 M30 K
ết thúc ch
ương trình, dịch chuyển dao cắt về vị trí chờ.