Báo cáo thực tập

Tổng quan về CNC và vi mạch
điều khiển

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 1 -
PHẦN I
TỔNG QUAN CNC
1.1) KHÁI NIỆN MÁY CNC
CNC là viết tắt của Computer Numerical Control: điều khiển số bằng
máy tính
Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chương trình đã
được lập trình sẳn để gia công các chi tiết.
Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được lưu trữ vào
bộ nhớ. Khi gia công, Máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy, Máy công

của rãnh vít trên trụ
c và trên đai ốc có giá trị khác nhau.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 2 -
Việc dẫn bi hồi rãnh được thực hiện nhờ các rãnh dẫn hướng bố trí bên
trong hoặc các ống dẫn hồi bi bao ngoài trục.
Truyền dẫn chạy dao không khe hở trên các máy phay CNC cho phép
cắt theo chu kỳ phay thuận mà vẫn êm.
1.3 ) HỆ TOẠ SỬ DỤNG TRONG MÁY CNC
1.3.1 hệ toạ độ vuông góc
Các điểm mà dao cắt đi tới trong khi gia công được xác định trong một
chương trình. Để mô tả vị trí của các điểm này trong vùng làm việc, ta dùng
m
ột hệ toạ độ. Nó bao gồm ba trục vuông gốc với nhau cũng cắt nhau tại
điểm 0. Trong hệ toạ độ này có các trục X, Y, và Z.
Với một hệ trục toạ độ ba trục, bất kỳ điểm nào cũng được xác định thông
qua các toạ độ của nó. Hệ toạ độ máy do nhà chế tạo máy xác đinh, thông
thường nó không thể bị thay đổi.
Trục X là trục chính trong mặt phẳng đị
nh vị. Trên máy phay nó nằm song
song với bàn máy(bàn kẹp chi tiết).
Trục Y là trục thứ hai trong mặt phẳng định vị. Nó nằm trên mặt nắp máy
và vuông góc với bàn máy.
Trục Z luôn luôn trùng với trục truyền động chính. Trục này được nhà chế
tạo xác định. Chiều dương của trục Z chạy từ chi tiết hướng đến dao cắt.
Điều đó có nghĩa là trong chuyển động theo chiều âm của trục Z, dao cắt sẽ
đ
i tới bề mặt chi tiết.
Để xác định nhanh chiều của các trục, dùng luật bàn tay phải: ta đặt ngón
giữa của bàn tay phải theo chiều của trục Z thì ngón tay cái sẽ trỏ theo chiều

nhiêu nữa theo từng trục toạ độ.
1.3.1.2 Dùng toạ độ cực
Khi sử dụng các dữ liệu trong hệ toạ độ cực, ta đưa ra vị trí của một điểm
không qua khoảng cách và góc so với một trục cơ sở
Các toạ độ cực chỉ có thể đo trên mặt phẳng chính. Trong phạm vi của một
hệ toạ độ c
ực có ba mặt phẳng chính. Từ ba trục X, Y và Z của hệ thống sẽ
có ba bề mặt kẹp, đó là : mặt X/Y; mặt X/Z và mặt Y/Z
1.3.2 Những điểm quan trọng trong một hệ toạ độ

Điểm chuẩn của máy M: là điểm gốc M của hệ toạ độ máy

Điểm W chi tiết: là điểm gốc 0 của hệ toạ độ chi tiết, nó đựoc giữ
cố
định cho một chi tiết.
Điểm chuẩn của dao P: là điểm gôc của hệ toạ độ gắn trên dao cắt.
Điểm 0 lập trình: là điểm gốc 0, từ đó xác định các dữ liệu cập nhập
trong một chương trình. Điểm này có thể thay đổi
thông qua lệnh chuyển điểm 0.

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 4 -
1.4) QUAN HỆ GIỮA CÁC TRỤC TOẠ ĐỘ:
Khi gia công trên các máy CNC người ta có thể chia các hệ trục toạ độ
thành 3 loại: hệ trục toạ đọ máy, hệ trục toạ độ chi tiết và hệ trục toạ độ của
dao.
Từ hệ trục toạ độ của máy có điểm gốc M ta có thể biểu diễn được hệ
toạ độ của chi tiết và hệ toạ độ c
ủa dao bằng các phép dịch chuyển tịnh tiến
hay các phép quay. Nhờ đó ta có thể xác định đựơc vị trị của điểm trên chi

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 5 -
PHẦN II
GIỚI THIỆU CNC CYBER-MILL
CYBER- MILL là máy phay CNC phục vụ cho việc thí nghiệm có mô
hình như sau: Các bộ phận Truyền động:
Động cơ một chiều có mang dao phay đường kính dao 3mm.
Chuyển động ăn dao:
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP

như phần IV dưới đây.

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 7 -

PHẦN III

- 8 -
phải có bộ cảm biến vị trí rôto. Động cơ bước vì từ trường quay không
liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo các bước.
Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ
bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và
stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện.
Nhưng động cơ đồ
ng bộ gảim tốc có các cuộn kích thích và cần phải có
dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố
này. Mặt khác
Có thể cói động cơ bước là linh kiện số mà ở đó các thông tin số hoá đã
thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động
cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá này máy tính yêu cầu Mô hình số hoá động cơ bước.

2. Nguyên lý hoạt động.
Rô to động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi
động bằng phương pháp tần số. Rôto của động cơ bước có thể được kích
thích(rôto tích cực) hoặc không được kích thích(rôto thụ động).
Xung điện áp cấp cho m cuộn dây stato có thể là xung một cực hoặc xung
2 cực
Chuyển mạch điện tử có thể cung cấ
p điện áp điều khiển cho các cuộn dây
stato theo từng cuộn dây riêng lẽ hoặc theo từng nhóm các cuộn dây. Trị số
và chiều của lực điện từ tổng F của động cơ và do đó vị trí của rôto trong
không gian hoàn toàn phụ thuộc voà phương pháp cung cấp điện cho các
cuộn dây.
Thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ

1
: hệ số, n
1
=1 ứng với điều khiển đối xứng;
n
2
=2 ứng với điều khiển khôngđối xứng;
n
2
: hệ số, n
2
=1 điều khiển bằng xung 1 cực;
n
2
=2 điều khiển bằng xugn 2 cực.
Bước quay của rôto trong không gian là α=360
0
/K.

3.) mômen đồng bộ và trạng thái ổn định của động cơ bước.
Biểu thức mômen đồng bộ tĩnh của động cơ bước khác với biểu thức
mômen đồng bộ của động cơ đồng bộ thường có cùng cấu trúc. Sự khác
nhau đó là do động cơ bước được cấp bởi dòng điện một chiều, chứ không
phải dòng điện xoay chiều.
Trong động cơ được cấp bởi nguồn một chiều, sau quá trình quá độ, dòng
điện trong các cuộn stato là hằng số
I=U/r
s
=Const.
Từ thông mà nó sinh ra tác động vào cặp cực của rôto:

.(dL
S
/dθ)+C
M
.I
R
.(dL
R
/dθ)+2.C
M
(dL
RS
/dθ)
Trong đó: I
S
, I
R
, L
S
(θ), L
R
(θ), L
SR
(θ) là các giá trị xác lập tương ứng dòng
điện, điện cảm và hổ cảm của stato(S) và rôto(R); C
M
là hằng số, phụ thuộc
vào cấu tạo của từng loại động cơ.
Mômen M
S

hoà.

Quan hệ của mômen M=f(θ) là dường cong có dạng như sau:

π
đường cong mômen của động cơ bước theo gốc quay
θ

BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 11 -

Chất lượng của động cơ bước được đánh giá bởi độ dốc của đường cong
mômen đồng bộ M=f(θ), đặc biệt là ở đầu của vùng làm việc thuộc đường
cong này. Độ dốc của đường M=f(θ) trong vùng này càng lớn thì suất
mômen dM/dθ càng lớn và khả năng đồng bộ của đồng bộ của động cơ bước
càng lớn.
Giả sử t
ại một vị trí nhất định, rôto mang một mômen tải(mômen cản) M
C
.
Để giữ được rôto ở vị trí này ta phải cấp dòng điện cho cuộn dây stato tại vị
trí đó và do góc α=0 nên M=M
max
. Điều kiện để giữ được rôto không trượt
khỏi vị trí là:
M
C
<M
max
Muốn quay rôto đi một gốc α rời khỏi vị trí đang giữ, ta phải cấp dòng

Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế
về kích thước của stato và những trở ngại khi đặt các bobin dây qu
ấn vào các
rãnh nửa hở của stato, đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng
sẽ phức tạp hơn. Do đó người ta thường làm các động cơ bước với số lượng
pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha hay 5 pha; trong đó thông dụng nhất là 2 pha
và 4 pha.
Việc tăng số bước của động cơ được giải quyết bằng tăng số lượng cặp cực
rôto. Rôto động c
ơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ
thuật đặc biệt có độ từ hoá cao và chịu mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ
phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 12 -
Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các bước trong khoảng từ
0,45
0
÷15
0
tuỳ theo mục đích sử dụng. Trong đó thông dụng nhất trên thị
trường hiện nay là loại động cơ có góc bước 1,8
0
.
Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính:
- Động cơ bước có rôto được kích thích(có dây quấn kích thích hoặc
kích thích bằng nam châm vĩnh cửu).
- Động cơ bước có rôto không kích thích(động cơ kiểu cảm ứng và
động cơ kiểu phản kháng).
- Động cơ bước kiểu hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên.


2
có trị số không bằng nhau thì lực điện từ
tổng F sẽ có hướng thay đổi trong khoảng góc bước α(Từ cạnh OA đến cạnh
OB của tam giác OAB) và do đó vị trí của rôto thay đổi được và có thể cố
định vào vị trí bất kỳ trong khoảng góc bướcα
Gọi β là góc vi bước tạo bởi vectơ F
1
và F
2
, áp dụng tính chất của hình
bình hành(OACB) và các hệ thức lượng trong tam giác cho các tam giác
OAB, OAC và OAD ta có các biểu thức sau :
AB
2
=OA
2
+OB
2
-2.OA.OB.cosα.
OC
2
=OA
2
+OB
2
+2.OA.OB.cosα
(AB/2)
2
=OA
2

2
2
1
21
FFFF
FF
++
+

a, điều khiển động cơ cả bước
- Đầu tiên cho F
2
=0 và F
1
=F, cosβ=F/F=1 nên góc β=0, rôto ở vị trí
trục cuộn dây 1.
- Sau đó cho F
1
=0 và F
2
=F, cosβ=cosα hay β=α, Rôto ở vị trí trục
cuộn dây 2.
b, Điều khiển nửa bước
- Đâu tiên cho F
2
=0 và F
1
=F, rôto ở vị trí trục cuộn dây 1.
- Tiếp theo cho F
1

lực F
2
tăng dần từng bước từ 0 đến F thì rôto sẽ quay từng bước từ vị trí OA
đến OB.
Trên thực tế, để rôto có thể quay được các bước đều, chẳng hạn theo vi
bước θ(ví dụ θ=α/10), thì phải giải phương trình (11) để tìm F
1
và F
2
ứng
với các góc quay β=θ, 2θ, 3θ, , nθ. Phương trình (11) là một phương trình
bậc 2 với hai ẩn số, về nguyên tắc là không giải được. Nhưng với điều kiện
bên nhất định phương trình(11) sẽ giải được.
2, Các đặc trưng của tín hiệu điện điều khiển động cơ bước.
Đối với động cơ bước, tín hiệu đ
iện điều khiển là các xung rời rạc kế
tiếp nhau. Việc điều khiển động cơ bước phụ thuộc vào các tham số sau của
xung điều khiển:
- Dòng điện I, kể cả cực tính (và liên hệ mật thiết với nó là mức điện
áp U).
- Độ rộng xung(liên quan đến khả năng dịch bước).
- Tần số xung(liên quan đến tố
c độ quay).
- Cách thức cấp xung, bao gồm thứ tự và số lượng cuộn dây pha
được cấp(liên quan đến chiều quay và mômen tải).
Tuỳ thuộc vào việc cấp xung điện, động cơ bước có bốn trạng thái sau đây:
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 14 -
a, Trạng thái không hoạt động: Khi không có cuộn dây nào được cấp điện:
- Đối với động cơ phản kháng: rôto sẽ quay trơn.

V
CC
: điện áp nguồn cấp;
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 15 -
R
S
: Điện trở nguồn cấp;
D : điôt dumper (làm nhụt - xả năng lượng).
K
i
: chuyển mạch điện tử cho cuộn dây pha thứ i.
Trạng thái giữ, khoá K đóng liên tục, người ta thường cấp dòng điện I
hoặc điện áp U bằng khoảng 65%÷100% giá trị danh định.
Vì là dòng một chiều nên ở chế độ giữ, điện cảm L không làm sụt áp,
ta có phương trình:
V
CC
= I.R
S
+I.R;
V
CC
= I.R
S
+U;
từ đây ta có ba cách cấp điện ở chế độ giữ như sau:
- Cấp bằng nguồn ổn áp: R
S
=0; V

: điện áp một chiều cấp vào;
r=R
S
+R: tổng trở toàn mạch;
i: dòng điện tức thời trong cuộn dây;
E: suất điện động quay, cảm ứng trong cuộn dây stato bởi từ
trường của nam châm vĩnh cửu của rôto, chỉ tồn tại khi rôto đang quay
từ vị trí thứ i sang vị trí thứ j, khi rôto đứng yên ở trạng thái giữ thì
E=0;
i=(V
CC
-E)/r.(1-e
t/T
)
Giải phương trình vi phân trên ta được biểu thức cho dòng điện:
Trong đó: T=L/r- hằng số thời gian.
Như vậy là dòng điện không xác lập ngay lập tức mà tăng lên từ từ:
- Khi bắt đầu khởi động (E=0), dòng điện tăng với hệ số góc V
CC
/L,
- Sau điểm khởi động, dòng điện tăng với hệ số góc (V
CC
-E)/L cho
đến khi rôto dừng ở vị trí mới, lúc đó dòng điện đạt tới giá trị I
0
.
- Sau khi rôto dừng ở vị trí mới,dòng điện tiếp tục tăng với hệ số góc
V
CC
/L đến giá trị xác lập V

nhanh hơn. Điều đó giải thích tại sao
muốn cho động cơ quay nhanh thì phải cấp điện áp cao. (Điện áp này lớn
gấp nhiều lần điện áp danh định U của động cơ, cho theo Catalog).
d, Nếu dòng điện chưa đạt đến giá trị I
0
khi t<t
1
mà đã ngắt nguồn thì không
chắc chắn động cơ sẽ quay được một bước(mất bước). Điều này người thiết
kế phải tính đến khi chọn các khoá điện tử.

3.2. Điều khiển dòng-áp băng hệ số L/R
Đây là cách đơn giản nhất,chỉ áp dụng cho các động cơ có công suất rất
nhỏ.
Bản chất của kiểu điề
u khiển này là khi ở trạng thái ở trạng thái giữ thì
nguồn chịu tải chính là R
S
, khi dịch bước thì nguồn chịu tải chính là cảm
kháng Z
L
.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 17 -
Muốn cho động cơ quay với tốc độ cao thì phải chọn V
CC
lớn, trên thực tế
là bằng 7÷15 lần điện áp định mức U. Do đó khi ở chế độ giữ, công suất tiêu
tán trên điện trở nối tiếp R
S


Sơ
đồ xung điện áp và dòng điện của cuộn
dây stato khi điều khiển bằng độ rộng xung
Kinh nghiệm cho thấy, đối với phần lớn các loại động cơ bước, tần số
xung trong lúc giữ là 20 kHz; còn độ rộng xung chủ yếu khảo sát thực tế đối
với từng loại động cơ bước, hoặc tính được từ phương trình 27 khi biết chắc
chắn các tham số I, U, L c
ủa loại động cơ bước đó, hoặc được khống chế tự
động nhờ việc theo dõi dòng điện i trong cuộn dây pha.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 18 -
Kiểu điều khiển này có một số nhược điểm sau:
- Mạch điều khiển phức tạp và đòi hỏi transisto làm nhiệm vụ khoá
điện tử phải có tốc độ đóng cắt nhanh, công suất lớn.
- Trong thời gian giữ, từ trường thay đổi liên tục làm nóng động cơ;
đồng thời transisto đóng cắt cũng liên tục phải chịu các xung điện áp th
ận
nghịch khá cao nên ở mức độ nào đó cũng bị nóng.
- Không áp dụng cho chế độ vi bước.
- các xung điện áp cao và tần số cao cùng với từ trường thay đổi liên
tục gây nhiễu radio và nhiễu điện từ trường, nhiều khi làm cho mạch điều
khiển không hoạt động.
3.4. Điều khiển dòng-áp bằng điện áp hai mức
Kiểu điều khiển này d
ựa theo nguyên tắc sau:
- Khi ở chế độ giữ, ta cấp cho cuộn dây pha một điện áp thấp, đúng
bằng điện áp danh định U, và do đó dòng điện cũng đạt tới danh định nhưng
không có công suất tiêu tán trên nguồn
- Khi ở chế độ dịch bước, đồng thời với việc cấp xung điều khiển, ta

=U
S
thì bộ so sánh C1 xuất ra xung X
RS
xóa tín hiệu X
C
, T
1
ngắt điện áp cao V
CC

ra khỏi mạch, lấp tức điôt D đóng nguồn thấp U để duy trì trạng thái giữ của
rôto. Xung điều khiển X
đk
vẫn được duy trì cho đến khi việc điều khiển được
chuyển sang cấp điện cho pha khác và không cấp điện cho pha nay PHẦN IV
GIỚI THIỆU VI MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC L297 VÀ L298.


Đối với động cơ lưỡng cực có dòng điện pha không quá 2A thì nên sử
dụng L297 đồng bộ với L298; nếu dòng điện dưới 1A thì tốt hơn hết là sử
dụng L293E. khi dòng điện lớn hơn thì sử dụng bóng bán dẫn công suất
hoặc cặp Đalinhtơn.
Vi mạch L297 được chế tạo bỡi hãng SGS bằng công nghệ I
2
L phù
hợp dạng thức Analog/Digital và đóng vỏ nhựa dạng DIP dạng 20 chân. Vi
mạch sử dụng nguồn 5V và các đầu ra thích hợp chuẩn TTL/CMOS hoặc
kiểu bóng bán dẫn collector hở. Sơ đồ dạng Dip 20 chân và chức năng các chân.

2. vi mạch L298
L298N có 2 mạch cầu công suất, mỗi mạch được điều khiển bằng 2
tín hiệu TTL và một đầu cho phép cũng mức TTL. Thêm vào đó, các cực
Emitter của các bóng công suất d
ưới được đưa ra ngoài cho phép đấu điện
trở cảm biến dòng điện R
SA
và R
SB
.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 21 -

Sơ đồ nguyên lý mạch của L298.

Với L298N, SGS đã sử dụng công nghệ cấy ion ở điện áp và dòng

a tín hiệu HALF/FULL.

- Chế độ điều khiển nửa bước khi không ở trạng thái chopping
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 23 -

Dạng xung ra cho chế độ điều khiển nửa bước khi không ở trạng thái
chopping.

Khi tín hiệu HALF/FULL xuống thấp thì có chế độ điều khiển cả bước.

Các trạng thái và xung ra khi cấp dòng điện đồng thời cho 2 pha ở
chế độ cả bước. Các tín hiệu INH1 và INH2 đều cao.
BÁO CÁO THỰC TẬP TÔT NGHIỆP
- 24 -

Các trạng thái và dạng xung ra khi chỉ cấp dòng
điện cho 1 pha ở chế độ cả bước.
4. Các tín hiệu INH1 và INH2
Trong chế độ cả bước và nửa bước 1pha, 2 tín hiệu này được tạo ra để
nối ghép với tín hiệu cho phép của vi mạch L298 nhằm tăng tốc dòng điện
dư khi các cuộn dây pha ngắt.
Vì cả hai cuộn dây đều được cấp điện thường xuyên trong chế độ cả bước 2
pha, không cuộn nào ngắt điện nên lúc đó không cần tạo ra tin hiệu này.
Hai tín hiệu INH1 và INH2 được tạo ra bởi hàm:
INH1=A+B
INH2=C+D
5. Các tín hiệu khác
Hai tín hiệu khác cũng được nối với khối biến đổi(TRANSLATOR).
Đó là tín hiệu RESET và home. Reset là tín hiệu không đồng bộ, nó đưa