Đồ án tốt nghiệp
MỤC LỤC
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ MÁY NC VÀ CNC 3
1.1. Các khái niệm về hệ thống CNC 3
1.1.1. Khái niệm về điều khiển số 3
1.1.2. Ưu điểm nổi bật của máy CNC 5
1.1.3. Các điểm gốc(điểm 0) 5
1.1.4. Các dạng điều khiển 6
1.2. Hệ thống đo lường trong điều khiển CNC 7
1.2.1. Thiết bị đo tốc độ 8
1.2.2. Thiết bị đo vị trí 8
1.2.3. Các phương pháp đo trên máy 9
1.3. Mục tiêu của đồ án 11
1.3.1 Mục tiêu 11
1.3.2. Sơ đồ tổng quát của hệ thống 11
CHƯƠNG II. LỰA CHỌN CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG 12
2.1. Lựa chọn bộ điều khiển 12
2.1.1. Giới thiệu một số phương án 12
2.1.2. Giới thiệu về máy tính và khả năng ghép nối của máy tính 12
2.1.3. Giới thiệu về AVR ATMEGA16 13
2.2. Lựa chọn truyền động của các trục 29
2.2.1. Động cơ bước 29
2.2.2. Động cơ điện một chiều 49
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 53
3.1. Sơ đồ khối của mạch điều khiển 53
3.1.1. Phần thiết bị ĐK trung tâm 54
3.1.2. Phần thiết bị chấp hành 54
3.1.3. Giới thiệu về MAX232 54
3.1.4. Giới thiệu về L298: 55
3.1.5.Kết luận 59
3.1.6. Sơ đồ mạch nguyên lý 59

chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo.
NỘI DUNG ĐỀ TÀI
2
Đồ án tốt nghiệp
CHƯƠNG I. GIỚI THIỆU VỀ MÁY NC VÀ CNC
Trong sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong nhiều thành tựu mới(kỹ
thuật điện tử,kỹ thuật số…)đã được áp dụng vào lĩnh vực công nghiệp hoá,quá
trình tự động hoá với các máy công cụ ngày càng phát triển.việc tăng năng suất
giảm giá thành thiết bị điện của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với các hệ
truyền động điện và tự động hóa,nhưng chúng có sự mâu thuẫn nhau.một bên
đòi hỏi hệ thống phức tạp, một bên lại yêu câu hạn chế số lượng thiết bị trên
máy.Việc lựa chọn một hệ thích hợp là một bài toán khó.
CNC(Computerized numerical control) là loại máy công cụ phổ biến và
chủ chốt trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí hiện nay,dùng để gia công các
chi tiết cơ khí với độ chính xác và năng suất rất cao.
1.1. Các khái niệm về hệ thống CNC
1.1.1. Khái niệm về điều khiển số
Ở các máy thông thường việc điều khiển chuyển động cũng như thay đổi
vận tốc của các bộ phận máy được thực hiện chủ yếu bằng tay, do đó thời gian
lãng phí lớn, năng suất thấp.Để giải quyết vấn đề đó cần phải tự động hoá quá
trình điều khiển.Trong sản xuất với khối lượng lớn ,các chi tiết của sản phẩm
giống nhau từ lâu đã đưa những quá trình tự động hoá vào quá trình điều
khiển.Những máy thuộc loại này có ưu điểm là rút ngắn thời gian phụ nhưng
thời gian chuẩn bị trước sản xuất lại quá dài(thời gian thiết kế ,chế tạo ,thời gian
điều chỉnh máy…).Nếu sản xuất với số lượng lớn thì thời gian này là không
đáng kể,tuy nhiên nếu lượng hàng sản xuất là nhỏ ,các chi tiết khác nhau nhiều
3
Đồ án tốt nghiệp
thì đây sẽ là một vấn đề lớn.Do vậy cần tìm ra phương pháp điều khiển mới
,đảm bảo thời gian điều chỉnh máy gia công từ chi tiết này sang chi tiết khác

Ngày nay máy NC được phát triển lên thành máy CNC. Đặc điểm nổi bật
của máy CNC so voi NC là nó có cơ cấu tự động cho phép thực hiện nhiều
nguyên công khác nhau sau một lần kẹp chi tiết (giảm thiểu thời gian gia công)
dưới sự hỗ trợ của máy tính điện tử.
1.1.2. Ưu điểm nổi bật của máy CNC
- So với các máy công cụ điều khiển bằng tay, kết quả làm việc của may
CNC không phụ thuộc nhiều vào tay nghề thuần thục của người điền
khiển.Người điều khiển chỉ đóng vai trò theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt
động của máy.
- So với các máy điều khiển tự động theo chương trình cứng (dùg cam,
trục gài bi…), máy CNC có tính linh hoạt cao trong công việc lập trình đặc biệt
có sự giúp đỡ của máy tính, do vậy tiết kiệm hơn về thời gian hiệu chỉnh máy
đạt được tính kinh tế cao ngay ca với sản phẩm nhỏ.
- Ưu điểm chỉ có trong máy CNC đó là phương thức làm việc với thống
thông tin xử lý” điện tử số hoá “,cho phép phối ghép các hệ thống xử lý số
trong phạm vi toàn xí nghiệp ,tạo điều kiện mở rộng tự động hoá toàn bộ quá
trình sản xuất,ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại toàn bộ quá trình sản xuất,
ứng dụng quản lý thông qua mạng LAN(mang cục bộ) hay WAN ( mạng liên
thông toàn cầu)
1.1.3. Các điểm gốc(điểm 0)
a. Điểm 0 của máy
5
Đồ án tốt nghiệp
-Các điểm 0 của máy là điểm gốc của các hệ thống toạ độ máy và do nơi
chế tạo máy đó xác định theo kết cấu động học của máy.
-Trên các máy phay ,điểm 0 của máy thường nằm tại điểm giới hạn dịch
chuyển của bàn máy.
b. Điểm 0 của chi tiết
-Điểm 0 của chi tiết là gốc của hệ thống toạ độ gắn lên chi tiết.Vị trí cua
điểm này do người lập trình lựa chọn và xác định.Song người lập trình tự cần

Bằng điều khiển theo đường viền ta có thể tạo ra các đường viền hoặc
đường thẳng tuỳ ý trong một mặt phẳng hay trong không gian.Điều này đạt
được nhờ sự chuyển động đồng thời của các bàn trượt máy theo 2 hoặc nhiều
trục vầ giũă các trục này có mối quan hệ hàm số.
Tuỳ theo số lượng các trục được điều khiển đồng thời mà điều khiển đường
viền được chia thành: Điều khiển 2D,điều khiển 2,1/2D,điều khiển 3D và điều
khiển có nhiều hơn 3trục điều khiển đồng thời.
1.2. Hệ thống đo lường trong điều khiển CNC
Mỗi trục truyền động của một máy CNC bao giờ cũng có hai thiết bị đo
lường,đó là thiết bị đo tốc độ của động cơ và thiết bị đo vị trí của dịch chuyển
7
Đồ án tốt nghiệp
1.2.1. Thiết bị đo tốc độ
Thiết bị này dùng đo tốc độ thực của động cơ và truyền tín hiệu phản hồi
tôc độ về bộ điều chỉnh tốc độ,tín hiệu này được so sánh với tốc độ đặt của
động cơ sau đó đưa về bộ điều chỉnh tốc độ.Để đo tốc độ của động cơ thông
thường người ta dùng thiết bị máy phát tốc hoăc encoder gắn trưc tiếp với trục
động cơ.
1.2.2. Thiết bị đo vị trí
Các trục của máy được trang bị thiết bị đo vị trí để xác định toạ độ của bàn
máy và dao. Khi trục máy di chuyển thì các thiết bị đo se phát ra một tín hiệu
điện ,bộ điệu khiển sẽ xử lý tín hiệu này và xác định chính xác vị trí của các
trục máy.Dữ liệu cầc xác định ở đây là đoạn đường trong các chuyển đông
thẳng và góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ.Tín hiệu ra của
thiết bị này được so sánh với giá trị toạ độ đặt ,sau đó được đưa vào bộ bộ điều
chỉnh vị trí.Trên các dụng cụ đo vị trí còn trang bị một vài điểm chuẩn mục đich
là để thiết lập lại gốc toạ độ của các trục mỗi khi khởi động máy.Khi khởi động
các trục ,toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn nó sẽ phát ra tín hiệu
xác định toạ độ gốc của trục và hiên thị toạ độ thực
a. Phương pháp cảm biến

nhờ sự nhận biết các dấu hiệu riêng.
c. Đo vị trí trực tiếp:
Là phương pháp đo giám sát các vị trí cần đo,hay biến đổi các vị trí không
cần đến các dẫn động cơ khí trung gian.Phương pháp này có độ chính xác khá
9
Đồ án tốt nghiệp
cao vì giữa các đại lượng cần đo và dụng cụ đo không có các lỗi cơ khí(khe hở,
các biến dạng dẻo).
d. Đo gián tiếp:
Trong phương pháp đo này thay cho các biến đổi vị trí tịnh tiến cân đo một
chuyển động quay tương ứng sẽ được đo.Chuyển động quay gắn liền với
chuyển động tịnh tiến ở đây là chuyển động quay của vít me chạy dao.Một cách
khác là chuyển đổi chuyển động chạy dao thẳng thành chuyển động quay nhờ
bộ truyền thanh răng bánh răng. Lỗi mắc phải do sai lệch bước vít me, độ ăn
khớp khi đảo chiều chiều khay khe hở ăn khớp giữa hai bánh răng trong bộ
thanh răng bánh răng được đưa trực tiếp vào lỗi của phép đo lỗi này phải nằm
trong giới hạn cho phép.
e. Phương pháp đo vị trí tuyệt đối
Trong phương pháp đo này mỗi giá trị đo đều được so sánh với điểm 0 của
thước đo và có dấu hiệu riêng với các số đo tuyệt đối ta đưa ra toạ độ các điểm
đích tính từ một điểm trong vùng làm việc tức luôn luôn so sánh với điểm 0
f. Phương pháp đo vị trí kiểu gia số:
Toàn bộ phạm vi dịch chuyển đươc chia thành các bước tăng không có dấu
hiệu riêng có độ lớn như nhau.Vị trí thật là tổng các bước đã đi qua các gia số
vượt qua phải được cộng với nhau hoặc trừ đi tuỳ theo chiều chuyển động.
Phương pháp điều khiển :độ dài 3 trục X,Y,Z hoàn toàn xác định trước 6
công tắc hành trình gắn trên 3 trục ta sẽ tính được số bước mà động cơ bước
phảo quay để cho mặt bàn máy chạy từ công tắc hành trình đầu đến công tắc
hành trình cuối ta có thể điều khiển tốc độ và độ dài của bàn máy.
Khi khoan thì trục X và truc Y sẽ dịch chuyển theo phương x và y còn

2.1. Lựa chọn bộ điều khiển
2.1.1. Giới thiệu một số phương án
Để giải quyết vấn đề này chúng ta co nhiều công cụ như sử dung máy
tính,PLC, vi điều khiển,máy tính –PLC,máy tính-vi điều khiển.Ở đây tôi chọn
giải pháp là máy tính-vi điều khiển vì nó có các ưu điểm như:
-Phù hợp với phạm vi của một đồ án
-Giá thành hợp lý
-Gọn nhẹ
-Khai thác được tính năng của vi xử lý và máy tính
Trong đó:
-Máy tính đóng vai trò tạo toạ độ và giao diện với người sử dụng và thực
hiện bài toán
-Vi xử lý đóng vai trò thiết bị chấp hành.
2.1.2. Giới thiệu về máy tính và khả năng ghép nối của máy tính
Trải qua thời gian dài từ phát minh đấu tiên ra máy tính cho đến nay máy
tính đang không ngừng nâng cao và phát triển qua nhiều thế hệ,các máy tính
hiện nay đều có nguồn gôc hầu hết có nguồn gốc từ họ PC (Personal
Compurter) đầu tiên là kiểu máy PCXT do hãng IBM sản xuất với bộ vi xử lý
8088 của intel.Đây là hệ thống 16bit nhưng dùng bú dữ liệu 8 bit.
Tiếp theo là máy AT ra đời với bộ vi xử lý 80286 có tính năng hơn hẳn loại
PCXT.Nó có khẳ năng tạo bộ nhớ ảo , đa nhiệm vụ ,tốc độ nhanh ,độ tin cậy
cao và dùng bus dữ liêụ 16 bit
12
Đồ án tốt nghiệp
Ngày nay các máy tính AT 386,486,pentium dùng chip CPU lần lượt là
80836,80846,P5 là kết quả của sự phát triển công nghệ.
Về khả năng ghép nối của máy tính :máy tính được trang bị thêm các điều
kiện để ghép nối với các thiết bị ngoại khác làm cho máy tính trở nên rất đa
năng.
Việc ghép nối máy tính có thể thực hiện thông qua các thanh cắm mở

xung PWM Đặc điểm này là nổi bật so với các bộ vi điều khiển khác. Trên
các vi điều khiển AVR đã tích hợp sẵn :
- 48 đường dẫn vào/ra I/O lập trình được
- Hai bộ truyền nhận UART lập trình được.
- Một giao diện ISP đồng bộ.
- Một giao diện TWI đồng bộ và tương thích I2C.
- Bộ Timer/Counter 8bit.
- Một bộ Timer/Counter 16 bit với chức năng so sánh và bắt mẫu.
- Bốn lối ra điều chế độ rộng xung PWM.
- Một đồng hồ thời gian thực
- Một bộ biến đổi ADC 10 bit có đến 8 kênh lối vào.
- Một bộ phát hiện trạng thái sụt áp nguồn nuôi.
14
Đồ án tốt nghiệp
- Một bộ so sánh Analog.
- Một bộ định thời Watchdog.
+ Hầu hết các lệnh chỉ trừ các lệnh nhảy và nạp/lưu trữ đều được thực hiện
trong một chu kỳ xung nhịp.
+ Hoạt động với tốc độ đồng bộ đến 12 Mhz, có tần số xung nhịp cho phép
tương đối cao, xung nhịp do bộ tạo dao động tạo ra cũng là xung nhịp của hệ
thống, không phải qua bộ chia tần nên tốc độ xử lý tương đối cao.
+ Bộ nhớ chương trình và dữ liệu được tích hợp ngay trên Chip. Có ba
công nghệ nhớ khác nhau :
- EPROM xoá được bằng kiểu Flash
- EEPROM xoá được bằng điện.
- Bộ nhớ RAM tĩnh (SRAM) dùng cho các biến nội dung của bộ nhớ sẽ
mất khi tắt điện áp nguồn
+ Khả năng lập trình được trong hệ thống, cổng giao tiếp RS 232 và SPI
cho phép dễ dàng thực hiện các thao tác lập trình trên hệ thống.
+ Được đóng vỏ 8 chân đến 64 chân để thích ứng với nhiều loại ứng dụng

-Giao diện nối tiếp SPI cho phép lập trình ngay trên hệ thống.
-Cho phép 10.000 lần ghi/xoá.
+Bộ EEPROM 512 Bytes cho phép 100.000 lần ghi/xoá.
+ Bộ nhớ SRAM 1KB.
+ Bộ biến đổi ADC 8 kênh 10bit.
+ 32 ngõ I/O lập trình được
+ Bộ chuyển đổi nối tiếp đồng hồ vạn năng.
+ Vcc = 2.7V – 5.5 V.
+ Tốc độ làm việc : 0 đến 16 MHz.
+ hai bộ Timer/Counter 16 bits với chế độ so sánh, chế độ chia tần tách
biệt và chế độ bắt mẫu.
+ Bốn kênh điều chế độ rộng xung PWM.
+ Hỗ trợ bộ truyền nhận UART lập trình được.
+ Hỗ trợ giao diện truyền thông SPI chủ/tớ.
+ Bộ định thời Watchdog cho phép lập trình được và tự động reset khi treo
máy.
19
Đồ án tốt nghiệp
+ Bộ so sánh tương tự.
+ Năm chế độ ngủ: chế độ rỗi (Idle), tiết kiệm điện ( Power - Save), chế
độ Power – Down , chế độ giảm nhiễu ADC ( ADC noise reduction), chế độ
chờ ( Standby).
c. Cấu trúc thành phần của AVR Atmega 16.
* Một số thanh ghi quan trọng.
-Thanh ghi dữ liệu ( Data register).
+ Các thanh ghi dữ liệu gồm có PORTA, PORTB, PORTC, PORTD 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.

-Thanh ghi UCSRA (USART Control and Status Register A).
Hình 2.6: Thanh ghi UCSRA
+ Bit 7-RXC : USART nhận thành công
Bit cờ sẽ được đặt khi có dữ liệu chưa đọc trong vùng nhận đệm và bị xoá
sạch khi vùng nhận đệm rỗng. Nếu vùng nhận không được kích hoạt vùng nhận
đệm sẽ bị kích hoạt vì vậy bit RXC sẽ có giá trị 0.
+ Bit 6-TXD : USART truyền thành công.
23
Đồ án tốt nghiệp
Bit cờ sẽ được đặt khi toàn bộ khung trong thanh ghi vị trí truyền toàn bộ ra
ngoài và không có dữ liệu mới trong khi bộ đệm truyền (UDR). Cờ TXC có thể
phát truyền ngắt thành công.
+ Bit 5-UDRE : USART thanh ghi dữ liệu rỗng.
UDR đã sẵn sàng để nhận một byte mới.
+ Bit 4- FE : Frame Error
Bit sẽ set nếu một ký tự tiếp theo trong nhận đệm có một khung lỗi khi
nhận. Luôn để bit này ở mức 0 khi ghi vào thanh ghi UCSRA
+ Bit 3- DOR : Data Over Rung
Bit này sẽ được set khi phát hiện dữ liệu tràn. Dữ liệu tràn được tìm thấy
khi vùng nhận đệm đầy. Luôn để bit này ở mức 0 khi ghi vào thanh ghi
UCSRA.
+ Bit 2-PE : Party Error
Bit này sẽ được set nếu ký tự tiếp theo trong vùng đệm có lỗi chẵn lẻ.Luôn
để mức 0 khi ghi vào thanh ghi UCSRA
+ Bit 1-U2X : Tốc độ truyền USART gấp đôi.Để mức 0 khi có sự hoạt
động của xung đồng bộ.
+ Bit 0-MPCM : Kiểu xử lý truyền thông.
-Thanh ghi UCSRB (USART Control and Status Register B).
24
Đồ án tốt nghiệp