BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------TRẦN QUANG TRUNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO MÁY PHAY TỰ
ĐỘNG - ỨNG DỤNG CHO PHÒNG THÍ NGHIỆM CƠ KHÍ
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SAO ĐỎ

Chuyên ngành : Đo lường và Các hệ thống điều khiển

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: ĐO LƯỜNG VÀ CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS Nguyễn Quốc Cường

Hà Nội – Năm 2010


LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan luận văn này do em thực hiện là hoàn toàn trung thực, các
kết quả đạt được trong luận văn là hoàn toàn chính xác. Tài liệu tham khảo để
thực hiện luận văn này em sử dụng được ghi trong bảng tài liệu tham khảo.
Em xin chịu trách nhiệm trước những lời cam đoan trên!
Em xin trân trọng cám ơn!


Formatted: Width: 8.27", Height:
11.69"


1


Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn không tránh khỏi những
sai sót và còn nhiều vấn đề cần phải hoàn thiện thêm. Tác giả rất mong nhận được
những ý kiến đóng góp, sự chỉ dẫn của các thày cô giáo và các đồng nghiệp.
Tác giả xin chân thành cám ơn tập thể các thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật đo
và Tin học công nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt là thầy giáo
TS. Nguyễn Quốc Cường đã cho những chỉ dẫn quý báu và tạo mọi điều kiện để tác
giả hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Xin cám ơn gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp - những người đã luôn động
viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình tác giả làm đề tài.
Hà Nội, tháng 10 năm 2010
Tác giả

Trần Quang Trung

2


MỤC LỤC

Deleted: ¶

Trang
Lời nói đầu ................................................................................................................1
Mục lục
................................................................................................................3
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống máy phay..............................................................5
1.1. Sơ lược về các hệ thống máy phay hiện nay...........................................5

Formatted: Right, Indent: First line:
0"

trên máy tính.............................................................................................................29
Chương 4: Kết quả và thử nghiệm............................................................................33

3

Formatted: Right


4.1. Ảnh của hệ thống máy phay....................................................................33
4.2. Mô tả thí nghiệm..............................................................................................33
4.2.1. Thiết lập chương trình gia công cho chi tiết..........................................34
4.2.2. Lựa chọn các thông số khởi động.........................................................36
4.3. Ảnh mẫu sản phẩm trước và sau khi gia công..........................................38
4.3.1 Ảnh mẫu sản phẩm trước khi gia công....................................................38

Formatted: Right

Formatted: Centered, Indent: First
line: 0"

4.3.2 Ảnh mẫu sản phẩm sau khi gia công.......................................................39
4.4. Đánh giá kết quả thu được........................................................................39

Formatted: Right

Kết luận và hướng phát triển của luận văn...............................................................40
Tài liệu tham khảo.....................................................................................................41

• Hai băng tải tất cả điều được điều khiển thông qua máy tính.
1.2.1 Rôbốt Công nghiệp:
Rôbốt công nghiệp được thiết kế gồm 4 khâu động được liên kết với nhau bằng các
khớp quay. Các khớp quay này điều được điều khiển bằng các động cơ bước, thông
qua hộp số với tỷ số truyền 1:30 và bộ truyền đai răng. Các hộp số được bố trí ở

5


phía thân robot và thông qua bộ truyền đai răng sẽ chuyền chuyển động lên các

0.6
19

17
1.0

khớp.

247.0

6
0.
19

47.0

Hình1.1. Sơ đồ động của robot Công nghiệp

Hình1.2. Mô hình robot Công nghiệp


1.3. Hệ thống điều khiển của máy phay:
Hệ thống các máy phay như đã nêu ở trên có bộ điều khiển sử dụng mạch rơle công
tắc tơ để điều khiển cho các quá trình công nghệ, rơle nhiệt để bảo vệ quá tải, cầu
chì bảo vệ ngắn mạch. Do đó bộ điều khiển cồng kềnh, làm việc với độ tin cậy và
độ chính xác không cao, hiệu suất và khả năng tự động hoá là thấp. Để khắc phục
những hạn chế trên thì việc nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển mới là rất cần thiết.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là thiết kế bộ điều khiển mới sử dụng vi điều
khiển AVR128 kết hợp với máy tính để điều khiển cho máy phay, kết hợp với rôbốt
và hai băng tải sử dụng kết quả sẵn có của đồng nghiệp tại trường để tạo thành hệ
thống máy phay linh hoạt hơn.
Hệ thống điều khiển mới của máy phay gồm hai bộ phận: Máy tính và mạch điều
khiển hệ thống. Máy tính sẽ thực hiện quản lý toàn bộ các thiết bị của hệ thống
thông qua một phần mền điều khiển và truyền tính hiện điều khiển xuống mạch điều
khiển qua cổng COM. Mạch điều khiển hệ thống bao gồm các khối: Khối nguồn,
khối điều khiển trung tâm, Khối mạch công suất điều khiển đông cơ. Mạch điều
khiển nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và biến các tín hiệu này thành các tín
hiệu điều khiển trực tiếp điều khiển các động cơ trong hệ thống, đồng thời mạch
điều khiển cũng truyền tín hiệu của các sensor và công tác hành trình lên máy tính.
Quá trình truyền nhận của mạch điều khiển và máy tính thông qua cổng COM của
máy tính.

9


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
MÁY PHAY
2.1 Sơ đồ khối, chức năng của bộ điều khiển hệ thống máy phay.

Deleted: -

cơ.

10

Formatted: Font: 13 pt, Not Bold,
Italic
Formatted: Centered
Formatted: Font: Not Bold, Italic


Khối thu thập tín hiệu: gồm các sensor và các công tắc hành trình tại các
điểm cần thu thập tín hiệu.
Rôbốt công nghiệp: Thực hiện hai nhiệm vụ chính:
+, Gắp phôi từ hệ thống băng tải cấp phôi và đặt phôi vào vị trí đồ gá tự động
của máy phay rồi quay về vị trí đứng yên ban đầu.
+, Gắp chi tiết đã gia công xong rồi đặt vào hệ thống băng tải vận chuyển
đến kho chứa chi tiết sau đó quay về vị trí đứng yên ban đầu.
Hệ thống vận chuyển cấp phôi: gồm hai băng tải được điều khiển bởi hai
động cơ DC, thực hiện nhiệm vụ vận chuyển phôi đến nơi đã định để rôbốt gắp phôi
và vận chuyển chi tiết sau khi gia công xong về kho chứa chi tiết.
Máy phay: Thực hiện kẹp chặt chi tiết trên bàn gia công và gia công chi tiết
theo yêu cầu công nghệ.
2.2 Giới thiệu máy phay của hệ thống
2.2.1 Sơ đồ khối của máy phay.

ĐB3
ĐB2
AC

ĐB1

chiều sâu cắt đã đặt trước. Nếu hai động cơ bước ĐB1 và ĐB2 chuyển động đi vượt
quá băng máy thì một trong hai công tắc hành trình được bố trí trên đó sẽ tác động
dừng hệ thống và ta sẽ phải khởi động lại quá trình ban đầu.
Sau khi quá trình gia công chi tiết đã xong bộ điều khiển phát tín hiệu điều
khiển động cơ bước ĐB3 làm việc để đưa dao phay ra khỏi chi tiết và đưa về vị trí
ban đầu , khi về đến vị trí ban đầu thì cơ bước ĐB3 ngừng làm việc còn động cơ
xoay chiều AC vẫn tiếp tục làm việc. Đồng thời động cơ bước ĐB1 được điều khiển
làm việc để truyền động tịnh tiến theo trục OX đưa chi tiết về vị trí ban đầu khi
nhận phôi thì một công tắc hành trình sẽ tác động dừng động cơ ĐB1. Khi chi tiết
đã được đưa về đúng vị trí ban đầu thì động cơ DC làm việc chuyển động theo chiều
ngược lại theo chiều lúc kẹp phôi để nhả chi tiết gia công và đưa đồ gá về vị trí ban
đầu. Quá trình máy phay làm việc kết thúc và nó sẽ lặp lại quy trình ban đầu khi có
phôi mới được đưa đến.
Tất cả quy trình làm việc của máy phay ở trên đều diễn ra một cách hoàn
toàn tự động và theo chương trình được người lập trình viết. Do đó để đạt được
những yêu cầu nêu trên thì việc thiết kế bộ điều khiển cho máy phay đòi hỏi phải
chính xác về chương trình điều khiển và các linh kiện điện tử, cơ cấu chấp hành
phải làm việc tốt, chính xác, ổn định.
2.3 Thiết kế bộ điều khiển
2.3.1 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển máy phay

13


Nguồn một
chiều

Mạch
công suất


( chẳng hạn AT90S8535, AT90S8515,…) có kích thước bộ nhớ vào loại trung bình

14

Formatted: Font color: Red


và mạnh hơn là dòng Mega ( như ATmega32, ATmega128,…) với bộ nhớ có kích
thước vài Kbyte đến vài trăm Kb cùng với các bộ ngoại vi đa dạng được tích hợp
trên chip, cũng có dòng tích hợp cả bộ LCD trên chip ( dòng LCD AVR ). Tốc độ
của dòng Mega cũng cao hơn so với các dòng khác. Sự khác nhau cơ bản giữa các
dòng chình là cấu trúc ngoại vi, còn nhân thì vẫn như nhau.
Chip AVR ATmega128 do hãng Atmel Hoa Kỳ sản suất với những tính năng chính
như:
+ ROM : 128 Kbytes
+ SRAM: 4Kbytes
+ EEPROM : 4Kbytes
+ 64 thanh ghi I/O
+ 160 thanh ghi vào ra mở rộng
+ 32 thanh ghi đa mục đích.
+ 2 bộ định thời 8 bit (0,2).
+ 2 bộ định thời 16 bit (1,3).
+ Bộ định thời watchdog
+ Bộ dao động nội RC tần số 1 MHz, 2 MHz, 4 MHz, 8 MHz
+ ADC 8 kênh với độ phân giải 10 bit (Ở dòng Xmega lên tới 12 bit )
+ 2 kênh PWM 8 bit
+ 6 kênh PWM có thể lập trình thay đổi độ phân giải từ 2 tới 16 bit
+ Bộ so sánh tương tự có thể lựa chọn ngõ vào
+ Hai khối USART lập trình được
+ Khối truyền nhận nối tiếp SPI

Hiện nay, trên thị trường có bán các sensor hồng ngoại đã được tích hợp sẵn các
đầu thu phát trên cùng một vỏ. Loại sensor này thường chỉ có 4 dây nối trong đó
hai dây nguồn nuôi và một dây tín hiệu. Tín hiệu lối ra thường có mức logic 0 hoặc
1. Sau đây xin giới thiệu một photo sensor mang kí hiệu E3S- DS30E4 của
hãng OMRON.

Chi tiết sản phẩm:
+ Loại khuếch tán, Nguồn cấp 10-30VDC hoặc 24-240VAC
+ Đầu ra PNP Light-ON
+ Khoảng cách phát hiện 300 mm
+ Dây nối giắc dễ dàng cho bảo dưỡng thay thế
+ Bảo vệ ngắn mạch và nối ngược cực

Ứng dụng của sensor trong hệ thống là để phát hiện phôi được cấp trên băng tải, sơ
đồ nguyên lý mạch như dưới đây:

17


S
E
NS
O
R1

R88

10K
VCC



1
2
3
4
5
6

R89
Q203
2N1208_4

12V_IN
GND

4.7K

R90
GND

CON6
S
E
N
S
O
R3

10K


tụ như hình vẽ :

GND

J130
1 Vin

ADJ

4

Vout
GND

2

L1

LM2576
On/off

VCC

3

5

CAM
D140


giữa vi điều khiển với máy tính. Khối này có nhiệm vụ kết nối chip với máy tính,
thông qua đó các thông số điề khiển máy phay của người dùng sẽ được nạp xuống

Deleted: chương trình
Deleted: vào chíp

bộ điều khiển. Ở đây tôi sử dụng cổng COM và MAX 232 tạo thành mạch như hình

VCC

C96

16

vẽ:

CAP NP

GND

U2
13
8
TXD1

11
10

GND


R1IN
R2IN

12
9

RXD1

14
7

GND

1
6
2
7
3
8
4
9
5

VCC

P1

MAX232

VCC

Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm
quay rotor. Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều
khiển được như rơle, transitor công suất... Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ
bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính. Với động cơ nhỏ có dòng cỡ 500
mili Ampe, có thể dùng IC loại dãy darlington collector hở như : ULN2003,
ULN2803 ( Allegro Microsystem) DS2003 (National Semiconductor), MC1413 (
Motorola). Với các động cơ lớn có dòng > 0.5A các IC họ ULN không đáp ứng
được ta có thể dùng các Tranzitor trường(IRF). Một số loại IRF thông dụng:
IRF540 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 20A
IRF640 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 18A
IRF250 tranzitor ngược có thể chịu dòng đến 30A .
Sơ đồ mạch nguyên lý công suất để điều khiển các động cơ bước ở đây tôi sử
dụng loại tranzitor ngược IRF540 kết hợp với các linh kiện dưới đây do Trung Quốc
sản xuất với từng loại linh kiện như:
Số
TT

Tên linh kiện

Chủng loại

lượn
g

1

Tranzitor trường ngược

IRF540N/TO chịu được dòng đến 20A


10k

24

20

Formatted Table


Deleted:

Sơ đồ nguyên lý mạch công suất để điều khiển động cơ xoay chiều AC.
Động cơ AC được cấp nguồn trực tiếp 220V và được nối qua tiếp điểm
thường hở của công tắc tơ. Để điều khiển động cơ này chỉ cần có tín hiệu từ bộ điều
khiển gửi đến cuộn dây của công tắc tơ là động cơ làm việc. Điều khiển động cơ

Deleted: ¶
¶
¶
¶
Deleted: +,

Formatted: Font: Italic
Formatted: Justified
Formatted: Font: Not Italic

AC chỉ là điều khiển ON – OFF.
Công tắc tơ được chon để lắp cho mạch điều khiển động cơ AC do Nhật sản xuất
Formatted: Font: Not Italic


D118
DIODE

R401
AC_ON_OFF

Q200
C1815 DAN
1k
R400
10k

GND

J9
2
1

MOTOR_AC
220V

AC motor

2.3.2.2 Thiết bị:
- Máy tính: 01 bộ máy tính PC để bàn lắp ráp tại Việt Nam hãng ASPIREX1900-005 với các thông số:
+ CPU: Intel PentiumR Dual-core E6600
+ Mainboard: Chipset Intel G41
+ Ram: DDR3 – 2GB
+ HDD: 100GB SATA
+ Bộ nguồn: 350W


5,4mH

Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín
hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động
góc quay hoặc các chuyển động của roto và có khả năng cố định roto vào những vị
trí cần thiết. Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các
tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc
quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ
quay của roto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi. Khi một xung
điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ bước thì roto (phần cảm) của
động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ. Khi
các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì roto sẽ quay
liên tục. (Nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc).
+ 01 động cơ một chiều sản xuất tại TaiWan – 12vDC
+ 01 động cơ xoay chiều sản xuất tại TaiWan – 220vAC.
- Công tắc hành trình(06CT): Do Nhật sản xuất hãng OmRon 500VAC -10A.

23

Formatted Table