2

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT - ĐỨC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN
BẰNG PLC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC Mã số: 109.11RD/HĐ-KHCN

Chủ nhiệm đề tài: Thạc sỹ VŨ XUÂN VƯỢNG


NGHIÊN CỨU, CẢI TIẾN MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN
BẰNG PLC PHỤC VỤ CHO CÔNG TÁC ĐÀO TẠO
TẠI TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VIỆT ĐỨC
Thực hiện theo hợp đồng số: 109.11RD/HĐ-KHCN ngày 23 tháng 03 năm 2011,
giữa Bộ Công Thương và Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt - Đức
Người chủ trì thực hiện nhiệm vụ: Thạc sỹ Vũ Xuân Vượng

Danh sách các thành viên tham gia:
1. Ông Vũ Xuân Vượng Hiệu trưởng – chủ nhiệm đề tài
2. Ông Lê Hồng Phương Phó hiệu trưởng - Ủy viên
3. Ông Phạm Văn Thắng Phó hiệu trưởng - Ủy viên
4. Ông Nguyễn Đức Sinh Trưởng phòng QLKH-HTQT - Ủy viên thư ký
5. Ông Nguyễn Ngọc Đương Trưởng phòng KT-KĐCL - Ủy viên
6. Ông Lê Quang Khánh P.Trưởng phòng QLKH-HTQT - Ủy viên
7. Ông Mạc Văn Hùng P.Trưởng phòng TTSX - Ủy viên
8. Ông Phạm Văn Phúc Trưởng Khoa Điện - điện tử - Ủy viên
9. Bà Trần Thị
Hảo Trưởng khoa Cơ khí cắt gọt - Ủy viên
10. Ông Nguyễn Viết Hải Trưởng phòng Đào tạo - Ủy viên

Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài Chủ nhiệm đề tài
(Ký tên, ghi rõ họ tên) (Ký tên, ghi rõ họ tên)
ất trong sản xuất. Bước thực hiện việc cải tạo nâng cấp một hệ thống máy móc
đầu tiên là thay thế hệ thống điều khiển cũ được sử dụng rơle bằng một thiết bị điều
khiển có thể lập trình được là PLC nhằm làm cho mạch điều khiển của hệ thống gọn
nhẹ, hoạt động chính xác đáng tin cậy hơ
n và quan trọng nhất là dễ dàng thay đổi
chương trình điều khiển khi có yêu cầu.
Trên cơ sở đó đề tài: "Nghiên cứu, cải tiến máy phay điều khiển bằng PLC phục vụ
cho công tác đào tạo tại Trường Cao đẳng Công nghiệp Việt Đức" do trường Cao
đẳng Công nghiệp Việt- Đức thực hiện cũng không ngoài mục đích đóng góp vào hiện
đại các thiết bị của nhà trường mà còn gắ
n liền giữa đào tạo lý thuyết với ứng dụng
trong thực tế của đội ngũ giáo viên và học sinh trong trường.
Sự thành công của đề tài không thể tách rời sự tạo điều kiện, giúp đỡ, hợp tác của các
tổ chức, cá nhân. Nhân dịp này Ban chủ nhiệm đề tài xin chân thành cảm ơn: Vụ Khoa
học Công nghệ (Bộ Công Thương) các nhà quản lý, các thầy (cô) giáo, các chuyên gia
trong lĩnh vực đào tạo đ
ã tạo điều kiện, tư vấn, giúp đỡ chúng tôi hoàn thành đề tài
này.
Đề tài nghiên cứu một phạm vi rộng lớn với nhiều kiến thức chuyên sâu của nhiều
ngành kỹ thuật khác nhau và được thực hiện trong một thời gian ngắn nên chắc chắn
không tránh khỏi thiếu sót. Ban chủ nhiệm đề tài rất mong nhận được ý kiến góp ý để
đề tài được hoàn thiện hơn.
5
MỤC LỤC

phay FUW 315/III 41

3.1 Phần cơ khí 41
3.1.1. Nâng cao độ chính xác phần kết cấu của máy 41
3.1.2. Thiết kế, chế tạo các bộ phận cải tiến 41
3.1.2.1. Lựa chọn không gian để lắp động cơ 41
3.1.2.2 Thiết kế và chế tạo các bộ phần cải tiến cơ khí 43
3.2 Hệ thống điều khiển 44
3.2.1 Giải pháp điều khiển chung 44
3.2.2 Hệ thống điều khiển PLC 44
3.2.2.1 Mô hình hệ thống điều khiển PLC 44
3.2.2.2 Lựa chọn bộ điều khiển PLC 45
3.2.2.3 Giới thiệu về PLC S7-200 46
3.2.2.4 Mô tả bài toán và lưu đồ điều khiển 49
3.2.2.5 Chương trình điều khiển 50
3.2.2.6 Các thành phần trong hệ thống điều khiển PLC 53
3.2.3 Hệ thống điều khiển máy tính ( PC base) 57
3.2.3.1 Mô hình hóa hệ thống 57

6
3.2.3.2 Các thành phần chính hệ thống điều khiển máy tính 58

3.2.3.3. Tính toán cơ khí 62
3.2.3.3. Kết nối hệ thống điện: 65
3.2.3.4 Phần mềm điều khiển Mach3 67
3.3. Thử nghiệm máy phay FUW 315/III điều khiển số. 68
3.3.1. Mục đích thử nghiệm 68
3.3.2. Yêu cầu về thử nghiệm 68
3.3.3. Thử nghiệm khả năng hoạt động của hệ thống điều khiển 68
3.3.4. Thử nghiệm độ chính xác của máy (cắt chi tiết mẫu). 69

7
KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CNC Viết tắt của chữ Computer Numerical Control
PC Viết tắt của chữ Personal Computer (máy vi tính cá nhân)
LPT Viết tắt của chữ Line Printing Terminal (cổng máy in)
X, Y, Z phương của hệ hoạ độ X, Y, Z
AC Dòng điện xoay chiều
DC Dòng điện một chiều
DDA Viết tắt của chữ Digital Differential Analyzer
SA Viết tắt của chữ Stairs Approximation
CRT Viết tắt của chữ Cathode-Ray Tube (Màn hình điện tử
)
CLU Viết tắt của chữ Control loop unit
MCU Viết tắt của chữ machine control unit



- Trên cơ sở khả năng điều khiển PLC, điều khiển CNC và khả năng lập trình, kết hợp
với yêu cầu hoạt động cũng như chức năng làm việc cơ bản của máy phay, tiến hành
thiết kế hệ thống điều khiển PLC, CNC và cải tiến bộ phận kết cấu máy cho phù hợp.
- Sử dụng công cụ đo kiểm đánh giá ch
ất lượng của sản phẩm.
- Áp dụng kết quả vào đào tạo và đánh giá kết quả.
Phạm vi và giới hạn nghiên cứu
Giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu, ứng dụng điều khiển PLC, điều khiển CNC vào cải
tiến 01 máy phay vạn năng. Sản phẩm của đề tài làm phương tiện cho giảng dạy thực
hành tại trường Cao đẳng Công nghiệp Vi
ệt - Đức.
9
Chương 1: Giới thiệu chung về thiết bị điều khiển PLC và CNC

1.1 Giới thiệu chung về điều khiển PLC
1.1.1 Khái niệm về PLC
Bộ điều khiển logic khả trình ( PLC) là bộ điều khiển dựa trên cơ sở nền tảng vi xử lý,
sử dụng các bộ nhớ khả trình để lưu các chỉ lệnh thực hiện các chức năng sau: logic,
sắp thứ tự, đặt thời gian, đếm và thực hiện các phép tính số học để
điều khiển thiết bị

+ Module nhớ
+ Module nguồn Hình 1.2: Cấu trúc bộ điều khiển PLC

a) Module CPU (CPU):
CPU điều khiển và xử lý tất cả các hoạt động trong PLC, được cấp đồng hồ dao động
với tần số 1:8 MHz. Tần số này quyết định hoạt động của PLC, định thời gian và đồng
bộ hoá tất cả các thành phần trong hệ thống. Một hệ thống bus chuyển thông tin từ
CPU tới bộ nhớ và khố
i xuất nhập.
b) Module nhớ
Bộ nhớ PLC gồm hai thành phần là ROM, RAM
+ Bộ nhớ ROM: Để lưu toàn bộ hệ điều hành và dữ liệu cố định. Toàn bộ dữ liệu
trong bộ nhớ ROM luôn tồn tại và không bị mất đi.
+ Bộ nhớ RAM: Để lưu chương trình người sử dụng và lưu dữ liệu vùng đệm của
kênh xuất nhập dữ liệu. Các ch
ương trình trong RAM có thể thay đổi được bởi người
sử dụng, tuy nhiên để tránh mất chương trình này khi mất điện, một nguồn pin được sử
dụng để lưu dữ toàn bộ chương trình, dữ liệu trong RAM. Sau khi một chương trình
được lưu trong RAM nó có thể được tải vào chip nhớ EPROM và được lưu trong đó.
Kích thước bộ nhớ RAM quyết định đến số lượng dữ liệu và số lệnh ch
ương trình được
lưu trong đó. Dung lượng bộ nhớ PLC phụ thuộc vào từng loại PLC, PLC cỡ nhỏ thì
dung lượng bộ nhớ nhỏ và ngược lại.
c, Module vào/ra ( I/O)

11


PLC thực hiện chương trình theo trình tự như sau:
+ Quét các dữ liệu nhập kết hợp lại với một nấc thang chương trình.

12
+ Giải quyết các hoạt động logic liên quan đến các dữ liệu nhập đó.
+ Thiết lập lại các dữ liệu xuất cho thang đó.
+ Chuyển sang nấc tiếp theo và lặp lại các bước đó.
Cứ như vậy cho đến nấc cuối và kết thúc chương trình
Có hai phương pháp để xử lý đầu xuất/nhập: Cập nhật liên tục và sao chép một lượng
lớn tín hiệu xuất/nhập.
1.1.4
.Các loại PLC
Căn cứ vào số lượng vào/ ra, ta có thể phân PLC thành bốn loại như sau:
+ Micro PLC là loại dưới 32 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ nhỏ là loại cỡ 256 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ ra
1.1.5 .Ngôn ngữ lập trình
Ngôn ngữ lập trình cho phép người sử dụng trao đổi với thiết bị điều khiển khả lập
trình thông qua thiết bị lập trình. Các nhà sản xuất PLC sử dụng các ngôn ngữ lập
trình khác nhau, nh
ưng tất cả các ngôn ngữ này đều sử dụng các lệnh nạp chương trình
điều khiển vào hệ thống.
Chương trình được viết bằng sự tổ hợp các lệnh theo một trình tự xác định. Phương
thức tổ hợp các lệnh cũng như dạng của các lệnh đều được tuân theo những qui định
chung. Các qui định và các lệnh tổ hợp với nhau tạo ra ngôn ngữ lập trình. Có bốn
ngôn ngữ cơ bản được sử dụng:
+ Bảng lệnh ( STT)
+ Sơ đồ thang (LAD)
+ Sơ đồ khối hàm logic ( FBD)

1.2 Điều khiển CNC
1.2.1 Nguyên lý của điều khiển số
Bộ điều khiển NC là bộ điều khiển trên cơ sở máy tính (Computer numerical control)
được sử dụng nhiều trong điều khiển máy công cụ
. Từ nguyên lý điều khiển số tức
điều khiển trực tiếp hành động của máy công cụ bằng dữ liệu số, bộ điều khiển phải có
khả năng tự động biên dịch ít nhất là một số đoạn của dữ liệu đó. Dữ liệu số chính là
chương trình người sử dụng lập để gia công chi tiết.
Một hệ
thống điều khiển số máy công cụ bao gồm một khối máy công cụ và một khối
điều khiển máy ( machine control unit- MCU). MCU phân tiếp thành bộ xử lý dữ liệu (
Data processing unit – DPU) và bộ điều khiển phản hồi ( Control loop unit – CLU).
DPU xử lý các dữ liệu mã hoá được đọc từ các môi trường lưu trữ ( băng đục lỗ, băng
từ, đĩa mềm…) chuyển các thông tin về vị trí của mỗi trục, hướ
ng chuyển động , vận
tốc và các chức năng hỗ trợ tới CLU. CLU điều khiển các cơ cấu chuyển động của
máy, nhận các tín hiệu phản hồi vị trí hiện thời và tốc độ của mỗi trục thông báo khi

14
một hoạt động đã hoàn thành. DPU đọc tuần tự dữ liệu khi từng dòng chương trình đã
thi hành xong và được CLU ghi nhận.
DPU gồm một số hoặc tất cả các thành phần sau:
+ Thiết bị nhập dữ liệu như băng từ, cổng RS 232
+ Các mạch đọc dữ liệu và kiểm tra logic kiểm parity
+ Các mạch giải mã cho miêu tả dữ liệu giữa các trục điều khiển
+ M
ột trình soạn thảo
CLU gồm:
+ Bộ nội suy, cấp các lệnh chuyển động máy giữa các điểm dữ liệu để cho chuyển
dịch dụng cụ.

Hình 1.7: Điều khiển đường thẳng

c) Điều khiển biên dạng
Điều khiển contur có các mức điều khiển phụ thuộc trước hết vào kích thước trong
không gian, quan hệ hàm tạo lên quỹ đạo dụng cụ. Đó là điều khiển contur 2D, 21/2D,
3D, tiếp theo là số trục có khả năng đồng thời điều khiển. Từ đó CNC có thể là điều
khi
ển 4 trục, 5 trục. Các bộ điều khiển CNC máy phay ngày nay là bộ điều khiển 3D. Hình 1.8: Điều khiển biên dạng

16
1.2.3 Bộ nội suy
Để thực hiện dịch chuyển đồng thời các trục máy, các giá trị trung gian trên
đường bao giữa điểm đầu và điểm cuối phải được bộ điều khiển nội suy.
Sự vận hành của bộ nội suy (interpolation plays) đóng vai trò của bộ phát dữ liệu di
chuyển trên các trục từ khối dữ liệu được tạo ra bằng chương trình dị
ch (interpreter) và
là một trong các phần quan trọng (key components) của CNC, phản hồi (reflecting) gia
tốc của nó. Trong chương này, bộ nội suy mềm sẽ được giới thiệu bao gồm cả “độ
bền” và độ ổn định của nó. Thêm vào đó, bộ nội suy NURBS là một phương pháp nội
suy tiên tiến cũng sẽ được giới thiệu cùng với thuật toán của nó.
Một máy CNC thường có nhiều hơn hai trục điều khiển để
gia công hình dạng phức
tạp. Hai loại điều khiển có thể được thực hiện: Phương pháp điều khiển điểm đến điểm
được sử dụng để di chuyển trục tới vị trí mong muốn, và các phương pháp điều khiển

Nội suy phần cứng thực hiện việc tính nội suy và tạo ra các xung bằng cách sử dụng
một mạch điện. Trong nội suy phầ
n cứng, có thể thực hiện tốc độ cao, nhưng nó là khó
khăn để thích ứng với các thuật toán mới hoặc sửa đổi các thuật toán. Trong NC, việc
tính toán của nội suy và chương trình phụ thuộc vào phần cứng. Tuy nhiên, sự phụ
thuộc vào phần cứng đã giảm dần do sự ra đời của máy tính điều khiển số (CNC) hệ
thống.
Phương pháp điển hình cho nội suy phần cứ
ng sử dụng một DDA (Digital Differential
Analyzer) tích hợp. Phương pháp sử dụng tích hợp DDA chuyển thành phiên bản phần
mềm và có thể được áp dụng cho CNC hiện đại. Trong phần này, nhà tích hợp DDA sẽ
được giới thiệu và phương pháp nội suy sử dụng một phần cứng tích hợp DDA sẽ được
giải quyết.
 Nội suy phần cứng DDA
Nội suy phần cứng sử dụng DDA được dựa vào nguyên lý của mộ
t phép lấy tích phân
bằng số. DDA là một mạch kỹ thuật số hoạt động là một tích hợp kỹ thuật số và tương
tự của một bộ khuếch đại OP trong một mạch tương tự.
Hiểu biết các khái niệm về phép lấy tích phân bằng số nên được đi trước, bởi kiến thức
về nguyên tắc nội suy. Đưa cho hàm vận tốc V(t), lượng di chuyển S(t) có thể
được
xấp xỉ bởi tổng hợp các đỉnh của hình chữ nhật hẹp dưới đường cong vận tốc như Hình
1.10

Hình 1.10: Đường cong vận tốc và hình chữ nhật xấp xỉ
Phép nội suy phần cứng DDA, tính toán di dời và vận tốc của mỗi trục dựa trên hình
dáng và vận tốc một phần lệnh, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng một máy tích
phân DDA. Hình 1.11 cho thấy các mạch cho nội suy tuyến tính và nội suy vòng tròn.

18


()
22
2
RyRx =+−
(1.3)

()
ωtRx cos−=
,
ωtRy sin
=
(1.4)
trong đó R là bán kính của hình tròn và ω là vận tốc góc.
Theo cách khác, vận tốc cho mỗi trục có thể được tính toán và được xác định bởi các
công thức sau:

tsin.R
dt
d
V
x
x
ωω
==
(1.5)

ωR.cosωt
dt
V

Hình 1.12 cho
thấy biểu đồ cho một phần mềm DDA nội suy,
Hình 1.12a và Hình 1.12b tương ứng
hiển thị nội suy tuyến tính và suy tròn.Trong
Hình 1.12a, L biến là một di dời tuyến
tính và các biến A và B biểu thị sự dịch chuyển của trục X và Y, giá trị ban đầu của các
biến Q1 và Q2 là số không. Trong
Hình 1.12b, các giá trị ban đầu của các biến cũng
tương tự như đối với nội suy tuyến tính, các biến R là bán kính của vòng tròn, và các
biến P1 và P2 cho vị trí trung tâm khi các điểm bắt đầu của hình tròn là nguồn gốc của
sự phối hợp hệ thống. 20

a) b)
Hình 1.12: Nội suy DDA.
Sau đây là một ví dụ về phần mềm DDA một thuật toán nội suy và một phần của
chương trình là một ví dụ dưới đây. Các đơn vị chiều dài của chương trình phần ví dụ
là BLU và tốc độ một đơn vị là BLU / giây.
G01 X0.Y10.F10
G02 G90 X10. Y0. I0. J-10. F10
Chương trình phần ví dụ biểu thị sự chuyển động tròn trong chiều kim đồng hồ ở góc
toạ độ đầu tiên và
Hình 1.13 cho thấy kết quả của sự nội suy.

Hình 1.13: Kết quả của nội suy mềm DDA.

 Nội suy Stairs Approximation (SA)
Thuật toán nội suy SA, gọi là nội suy gia tăng, xác định hướng của mỗi bước đi

D
k
< 0: Nghĩa là vị trí của điểm (X
k
,Y
k
) là trong đường tròn trong trường hợp này phải
di chuyển trục X theo chiều dương.
D
k
>0: Nghĩa là vị trí của điểm (X
k
, Y
k
) là ngoài đường tròn trong trường hợp này phải
di chuyển trục Y theo chiều âm.
D
k
=0: Ta có thể dùng 1 trong 2 cách trên đều được
Sau khi hoàn thành một bước bằng cách áp dụng các quy tắc trên, các vị trí (
X
k+1
,Y
k+1
)
được cập nhật và thủ tục lặp đi lặp lại cho đến khi công cụ này đạt tới vị trí mong
muốn,
(X
f
,Y


= 4,5 Kw
Công suất động cơ tiến dao N
d
= 0,7 Kw
2.2. Động học của máy
Máy phay FUW 315/III có hai chuyển động tạo nên quá trình cắt gọt:
- Chuyển động chính: Là chuyển động của trục chính mang dao, đặc trưng là số vòng
quay/phút
- Chuyển động tiến dao: là chuyển động của bàn máy mang phôi nhằm cắt hết chiều
dài phôi đặc trưng là mm/phút. Trong chuyển động tiến dao có 3 chuyển động theo 3
phương khác nhau X, Y, Z.
Kết hợp hai chuyển động này trong quá trình cắt gọt tạo nên chuyển động thích hợp
cho quá trình tạo hình
2.2.1. Chuyển động chính (chuyển động quay của dao)
Máy phay FUW 315/III sử dụng động cơ một chiều, công suất 4,5 Kw và bộ khuếch
đại từ để thay đổi tốc độ động cơ chính vì vậy tốc độ động cơ được điều chỉnh vô cấp.
Trên bảng điều khiển được chia khoảng để làm cơ sở chọn tốc độ cắt. Có 24 cấp tốc độ
phân ra hai đường truyền, cấp nhanh và cấp chậm
Số
vòng quay max n
max
= 2850 vòng /phút
Số vòng quay min n
min
= 20 vòng /phút
Quá trình khảo sát đã xây dựng sơ đồ động học của máy như sau: 25
16

25
36
34
17
26
30
27
VI
VII
N = 4,6 KW
n = 2850 v/p
N
= 0,8 KW
n = 2850 v/p
XIII
XII
XI
X
VIII
VII
VI
IV
V
II
I
III
48
IX
27
M5

Các tốc độ của đường truyền nhanh có 12 tốc độ:
1800 1500 1280 1100 950 800
680 550 480 412 355 320
Xích tốc độ chậm.
Đường truyền chậm của máy được thực hiện khi đóng ly hợp ma sát điện từ M
2
.
Phương trình xích tốc độ đường truyền chậm như sau:
n
đc

71
18
M
2

77
40
.
40
35
.= n
tc
( Việc thay đổi các tốc độ trong đường truyền chậm được thực
hiện nhờ thay đổi tốc độ động cơ)
Các tốc độ của đường truyền chậm có 12 tốc độ:
330 265 223 188 160 133

12 - Công tắc tưới nguội
13 - Núm điều chỉnh tốc độ chạy dao
14 - Nút ngắt tổng