Đề tài : Thiết kế và chế tạo máy phay CNC Mini

................................................................................. ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... KHÁI QUÁT VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở cá dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống. Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của Khoa học-Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã cho phép các nhà Chế tạo máy nghiên cứu đua vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Về mặt khoa học: Trong những điều kiện hiện nay, nhờ những tiến bộ kỹ thuật đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn mà trước đây hoặc chưa đủ điề kiện hoặc quá phức tạp khiến ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến một kết quả gần đúng. Chính vì vậy đã cho phép các nhà Chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy với các cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn. Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa… là cao nhất. Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trpng lĩnh vực vi xử lý thừ 4bit, 8bit… cho đến nay đã đạt đến 32bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử lý. CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chiính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, MACH3… vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn). I.Tổng quan về máy CNC 1. Khái niệm máy CNC Một định nghĩa hàn lâm và chặt chẽ về máy CNC được trình bày ở trang wikipedia.com: CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Vì thế, bộ não của máy CNC là máy tính. Đây không phải là máy tính bình thường mà là máy tính với công suất tính toán cực nhanh. Hệ điều hành mà nó sử dụng là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, chứ không phải là Windows  hay Mac như các máy tính (computer) mà chúng ta thường dùng hàng ngày (H1.1). H1.1-Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối Máy tính này sẽ điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại. Chương trình được viết sẵn và được tự động thi hành khi bạn nhất nút Start. Chương trình này được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí. CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT. H1.2-Máy tiện CNC H1.3-Máy phay CNC Tuy nhiên, dưới góc độ thực hành, chúng ta thấy như sau: Từ CNC là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Computer Numerical Control, nghĩa là Máy tiện kim loại được điều khiển bằng máy tính. Vì thế, bộ não của máy CNC là máy tính. Đây không phải là máy tính bình thường mà là máy tính với công suất tính toán cực nhanh. Hệ điều hành mà nó sử dụng là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, chứ không phải là Windows  hay Mac như các máy tính (computer) mà chúng ta thường dùng hàng ngày.  Máy tính này sẽ điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại. Chương trình được viết sẵn và được tự động thi hành khi bạn nhất nút Start. Chương trình này được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí. 2.Cấu tạo  Gồm hai phần: phần thân và Auto Bar (H1.4) H1.4-Cấu tạo máy CNC Phần Autobar dùng để chứa phôi và đẩy phôi lên bằng hệ thống khí. Khi hết phôi, hoặc kẹt phôi nếu bạn không xử lí, đèn Autobar sẽ báo hiệu. Nếu hệ thống khí không hoạt động, Autobar lập tức ngừng hoạt động. Khi thao tác với máy, bạn phải hết sức chú ý đến AutoBar, phải chắc chắn rằng Autobar mở trước khi cho máy hoạt động.      Chúng ta sẽ tập trung nhiều vào phần thân máy (xem H1.3) H1.5-Cấu tạo phần thân máy của máy CNC Đặc điểm và chức năng của các bộ phận: (từ trái sang phải, từ trên xuống dưới trong H1.3) Nắp đậy: Khi làm việc, dầu cắt phun vào nơi tiếp xúc giữa phôi và công cụ và bay tung tóe khắp buồn làm việc. Nếu bạn không đậy nắp này lại, dầu có thể dính vào người bạn. Vì lí do an toàn, phải đảm bảo nắp đậy trước khi xả dầu cắt.  Bảng cảnh báo: Hình ảnh trên bảng cảnh báo trong trường hợp này nhắc bạn rằng nếu bạn không đóng nắp đậy, có thể có những vật bay từ buồn làm việc ra và trúng vào người bạn.  Ống phun dầu: phun dầu cắt giữa nơi tiếp xúc giữa phôi và lưỡi dao để quá trình gia công có thể diễn ra. Dầu cắt có 2 tác dụng: Giảm độ mài mòn của lưỡi dao, và làm mát. Các ụ dao: chứa các holder. Ống đỡ phôi: ngậm phôi thông qua bush. Bàn phím nhập dữ liệu: Nơi bạn nhập các câu lệnh dưới dạng mã G và mã M. Bảng điều khiển: Gồm các nút bấm để điều khiển máy. Băng truyền: khi băng truyền chạy, nó nhặt chip dụng rơi xuống và vận chuyển ra ngoài. Chip là những mảnh dụng rơi ra khi dao gia công trên thanh phôi. 3.Chức năng Chức năng của máy CNC là cắt gọt kim loại, nghĩa là bạn đưa thanh thép hình trụ (phôi) vào máy CNC, máy sẽ gia công để tạo hình sản phẩm. Máy CNC cắt phôi bằng các lưỡi dao. Các lưỡi dao này phải có bộ phận để giữ nó. Những bộ phần này gọi là holder. Holder được gắn trên các ụ dao. H1.6-Dao phay 4.Nguyên lí gia công Những máy CNC mà chúng ta sẽ nghiên cứu sẽ có quy ước hệ tọa độ như sau: H1.7-Hệ tọa độ gia công Thông thường, quá trình gia công được tiến hành bằng một trong 2 cách sau: Phôi quay và tịnh tiến theo trục z, dao tịnh tiến theo trục z hoặc trục x hoặc trục y. Dao quay (thường là drill_khoan), phôi tịnh tiến hoặc đứng yên. II.Kết cấu chung của máy CNC 1. Nguyên tắc cấu trúc của máy CNC Phần lớn máy CNC làm việc theo hệ thống kín bao gồm 4 bộ phận sau: * Bộ phận chương trình: Bộ phận này bao gồm có bản chương trình, cơ cấu di chuyển chương trình, cơ cấu đọc chương trình. Các máy CNC hiện địa được trang bị những thiết bị có tính công nghệ cao phục vụ cho việc lập trình và điều khiển máy. Các máy tính có tốc độ xử lý cao dung lượng bộ nhớ lớn do đó có thể lưu trong bộ nhớ nhiều chương trình gia công đồng thời. Căn cứ vào bản vẽ chế tạo của chi tiết mà ta lập được các chương trình gia công cho máy thông qua các câu lệnh. Từ các câu lệnh đã được lập bộ phận nội suy của máy sẽ thiết lập được đường dịch chuyển của dụng cụ cắt. Có nhiều cách để lập chương trình cho máy CNC: Lập trình bên ngoài máy (offline): các chương trình được lập sẵn bên ngoài sau đó được lưu trữ vào các vật mang tin như đĩa từ, đĩa compact… rồi đưa vào trong bộ nhớ của máy CNC thông qua các thiết bị đọc hoặc truyền trực tiếp từ máy tính (đối với những máy CNC có kết nối với máy tính). Cách lập trình này thường được áp dụng cho những chi tiết phức tạp. Lập trình trực tiếp trên máy tính (online): các chương trình được lập trực tiếp tại phân xưởng gia công thông qua bàn phím của máy. Thường áp dụng cho những chi tiết gia công đơn giản. H1.8-. Hộp điều khiển * Bộ phận điều khiển: Từ chương trình gia công được đưa vào máy bộ nội suy của máy sẽ tính toán ra các đường đi của dụng cụ. Bộ phận điều khiển sẽ phát ra các lệnh điều khiển các thông số của quá trình gia công cũng như các quá trình phụ trợ ( điều khiển tốc độ quay của từng động cơ servo ứng với từng trục X,Y,Z, đóng hoặc mở dung dịch trơn lạnh, thay đổi dụng cụ cắt). Trong máy gia công điều khiển theo chương trình số, quãng đường chạy của các dụng cụ hoặc của chi tiết đã được cho trước mét cách chính xác thông qua các chỉ dẫn điều khiển trong chương trình NC. Tùy theo dạng của các chuyển động giữa điểm đầu và điểm cuối của quãng đường chạy này mà người ta chia thành 3 dạng điều khiển: - Điều khiển theo điểm - Điều khiển theo đường - Điều khiển theo đường viền (contour). Trong các dạng điều khiển ở trên thì dạng điều khiển theo điểm là đơn giản nhât được ứng dụng khi gia công theo các tọa độ xác định đơn giản, quá trình gia công chỉ được thực hiện ở điểm đích. Dạng điều khiển theo đường phức tạp hơn dạng điều khiển dạng điểm cho phép tạo ra các đường chạy song song với các trục tọa độ, trong khi chạy dao cắt gọt liên tục tạo nên bề mặt gia công. Trong điều kiện điều khiển mở rộng 2 trục của máy chuyển động với tốc độ như nhau đồng thời ta có thể gia công bề mặt côn 45. * Bộ phận liên hệ ngược ( bộ phận phản hồi) và bộ phận đo lường: Để chính xác cần có hệ thống đo đảm bảo độ chính xác. Để biết được khoảng dịch chuyển của bàn trượt máy và góc quay của bàn quay, người ta sử dụng cảm biến đo gia số, bộ mã góc và xenxin. Vị trí bàn máy thường không đo trực tiếp qua hệ thống đo trên các sống trượt của thân máy mà đo gián tiếp qua việc đo góc tại các cơ cấu chuyển động. Cảm biến đo dịch chuyển là thươc đo có khắc vạch, các tấm khắc vạch không tiếp xúc qua ánh sáng hoặc từ tính. Khi đo theo phương pháp ánh sáng đi qua người ta thường dùng thước vạch bằng thủy tinh có các vạch không cho ánh sáng đi qua và các khe hở cho ánh sáng đi qua. Thiết bị quét gồm một nguồn sáng mạnh, một tấm quét và một hệ thống đánh giá điện tử. Các tấm quét giống như một cái thước có khắc vạch không cho ánh sáng đi qua và khe hở cho ánh sáng đi qua. Khi các khe hở của thước và của các tấm quét đứng đối diện mét cách chính xác, ánh sáng từ nguồn sáng có thể đến được các đi-ốt quang điện rất nhạy cảm với ánh sáng và được đnáh giá bằng điện tử. Tín hiệu sáng, tối sẽ được thiết bị đếm xung ghi nhận và từ đó tính được khoảng dịch chuyển của bàn máy. Tùy theo bước chia của thước mà ta sẽ có được độ chính xácđo tương ứng và xác định được chính xác vị trí bàn máy.  2 Kết cấu cơ khí của máy phay CNC 2.2.1. Bộ phận thân máy. Thân máy phải đảm bảo độc cứng vững, kết cấu gọn nhẹ. Thân máy có nhiệm vụ đỡ toàn bộ các bộ phận của máy có chuyển động tương đối với nhau để tạo ra quá trình cắt gọt. Vì vậy kết cấu của thân máy phải đảm bảo chống được rung động trong quá trình gia công. Thân máy bao gồm các bộ phận sau: H1.9 – Thân máy 1-  Chân đế.  2-  Bu lông điều chỉnh nền móng.  3-  Đường hướng (Dẫn hướng trục x ).  4-  Hệ thống lắp trục vít me đai ốc bi. 2.2.2 Bộ phận trục X.  Nhiệm vụ : Thực hiện chuyển động dọc theo thân máy. Để thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi dẫn động bằng động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu của trục X như sau: H 1.10 - Trục X.       1 - Khung ( Phải đảm bảo cứng vững).     2 - Cụm đường hướng.  3 - Đường dẫn hướng trục Y.    4 - Công tắc hành trình.     5 - Cơ cấu lắp trục vít me đai ốc bi.  2.2.3. Bộ phận trục Z Nhiệm vụ : Có tác dụng đỡ toàn bộ phần cụm trục chính để cụm trục chính thực hiện chuyển động lên xuống tạo ra chiều sâu cắt. Thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi, dẫn động nhờ động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu trục Z như sau: H 1.11- Trục Z              1 - Khung.              2 - Gân tăng cứng.               3 - Công tắc hành trình.             4 - Cụm đường hướng.             5 - Hệ thống lắp trục vít me đai ốc bi.  2.2.4. Bộ phận trục Y.  Nhiệm vụ: Thực hiện chuyển động vuông góc với trục X. Chuyển động trên đường dẫn hướng của trục X. Thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi, dẫn động nhờ động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu trục Y như sau: H1.12- Trục Y.            1 - Mặt bàn ( Bố trí các rãnh chữ T để kẹp phôi ).         2 - Cụm  đường hướng.          3 - Cơ cấu lắp trục vít me đai ốc bi.          4 - Công tắc hành trình.           5 - Vỏ bọc che chắn bôi và phoi.  2.2.5. Bộ phận đầu máy Nhiệm vụ: Mang cụm trục chính thực hiện chuyển động dọc theo trục Z, thực hiện chuyển động này nhờ trục vít me đai ốc bi dẫn động bằng động cơ bước hoặc động cơ servo. Kết cấu chính của đầu máy như sau: H1.13-. Đầu máy           1 - Khung          2 - Xy lanh khí nén           3 – Trục chính           4 – Động cơ điện           5 – Puly dẫn động           6 - Đai truyền.  2.2.6. Bộ phận xylanh khí nén Nhiệm vụ: Thực hiện nhiệm vụ thay dao nhanh. Kết cấu đơn giản của nó như sau:  H1.14- Xy lanh khí nén.            1 - HƯ thống ống dẫn khí nén.            2 - Xy lanh tháo dụng cơ.            3 - Bu lông đai ốc.            4 - Bộ phận cố định xy lanh.  2.2.7. Bộ phận vít me đai ốc bi Nhiệm vụ: Dùng để dẫn động các trục chuyển động theo đường dẫn hướng. Trục vít me được dẫn động nhờ các động cơ bước hoặc động cơ servo. Vít me đai ốc bi là một loại vít me đặc biệt có thể khử khe hở triệt để. Vì vậy khi đổi chiều chuyển động không tồn tại khe hở đảm bảo được độ chính xác gia công. Kết cấu của bộ phận vít me đai ốc bi như sau: H 1.15- Vít me đai ốc bi dẫn động trục X và Y 1 - Vòng bi              2 - Vòng đỡ              3 - Đai ốc bi              4 - Trục vít me              5 - Mặt bích             6 - Cơ cấu giữ ổ bi            7-  Bộ phận khớp nối              8 - Động cơ Servo    Bộ phận trục vít me đai ốc bi để dẫn động trục Z có kết cấu tương tự như trục vít me đai ốc bi dung để dẫn động trục X và trục Y. Chỉ khác nhau ở bộ phận truyền chuyển động từ động cơ sang trục vít. Kết cấu như sau: H1.16-Vít me đai ốc bi dẫn động trục Z 7 - Cơ cấu nối trục   2.2.8.Bộ phận làm sạch phoi Nhiệm vụ: Bộ phận này có tác dụng làm sạch phoi sau mỗi quá trình gia công. Công việc này được thực hiện nhờ hai trục vít có đương kính lớn, được điều khiển bằng động cơ quay với tốc độ chậm. Trong quá trình đẩy phoi có sự tham gia của dung dịch trơn lạnh. Kết cấu như sau: H1.17- Bộ phận làm sạch phoi.            1 - Trục xoắn           2 - Trục truyền chuyển động            3 - Then            4 - Ổ bi           5 - Cơ cấu lót ổ           6 - Bộ truyền xích.             7 - Động cơ.  2.2.9.Bộ phận bể chứa dung dịch trơn lạnh Nhiệm vụ: Bộ phận này có tác dụng chứa dung dịch trơn nguội để tưới vào vùng cắt. Kết cấu của bộ phận này như sau: H1.18- Bể chứa dung dịch trơn lạnh 1-Van 2-Bơm áp suất 3-Giá đỡ bơm 4-Lưới lọc 5-Bộ phận hứng dung dịch từ máy xuống 6-Bộ phận bể chứa III.Mạch giao tiếp trong máy CNC Như chúng ta đã biết, trước thế hệ máy CNC đã có hai thế hệ máy công cụ với trình độ thấp hơn : máy công cụ thông thường và máy công cụ NC. Tuy nhiên, khi thực hiện gia công chi tiết trên các máy công cụ thông thường công nhân thường phải dùng tay để điều khiển máy (đương nhiên các chuyển động cắt và chạy dao đều do máy thực hiện). Công nhân căn cứ vào phiếu nguyên công để cắtgọt chi tiết nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Trong trường hợp như vậy năng suất và chất lượng sản phẩm phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của công nhân. Mặc dù còn nhiều hạn chế so với máy NC và CNC nhưng các máy công cụ thông thường hiện nay vẫn còn được sử dụng rất rộng rãi với lý do là giá thành thấp và thuận tiện cho công việc sửa chữa và còn phù hợp với nền sản xuất vẫn còn đang ở giai đoạn phát triển. Đối với các máy công cụ NC thì việc điều khiển các chức năng của máy được quyết định bằng các chương trình đã lập sẵn. Các máy công cụ NC rất thích hợp với dạng sản xuất hàng loạt nhỏ và trung bình. Hệ thống điều khiển của máy NC là mạch điện tử. Thông tin vào chứa trên băng từ hoặc băng đục lỗ, thực hiện chức năng theo từng khối, khi khối trước kết thúc, máy đọc tiếp các khối lệnh tiếp theo để thực hiện các dịch chuyển cần thiết. Các máy NC chỉ thực hiện các chức năng như: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, chức năng đọc theo băng. Các máy NC không có chức năng lưu trữ chương trình. Máy công cụ CNC là bước phát triển cao từ các máy NC. Các máy CNC có một máy tính để thiết lập phần mềm dùng để điều khiển các chức năng dịch chuyển của máy. 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 cụ CNC có khả năng thực hiện các chức năng như : nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kì mặt bậc ba nào. Máy CNC cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Tất cả các chức năng trên đều được thực hiện nhờ một phần mềm của máy tính. Và để đưa các lệnh từ máy tính đến để gia công trên máy CNC, cần phải có một bộ phận để tương tác giữa máy tính và máy CNC, ta gọi đó là Mạch giao tiếp. 1.Mạch giao tiếp là gì? Mạch giao tiếp dung để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp… Phạm vi ứng dụng: nên dùng mạch này với các driver chính hãng, các driver tự làm thì nguy cơ gặp sự cố với máy tính là khá cao nên cẩn thận trước khi dùng. Các driver tự làm nên dùng mạch Giao tiếp có cách ly. H1.19-Breakout Board (Mạch giao tiếp) Hệ thống trong hình H2.1 bao gồm một máy tính với phần mềm NC điều khiển và các động cơ ổ đĩa. Hộp điều khiển bao gồm nguồn điện( không hiển thị), mạch giao tiếp và trình điều khiển động cơ. Trên thực tế thì máy tính hoàn toàn có khả năng kết nối trực tiếp đến các trình điều khiển, nhưng nếu làm như vậy thì nguy cơ rủi ro, hỏng hóc là khá cao. Bởi vậy chúng ta nên sử dụng đến mạch giao tiếp để có thể đảm bảo an toàn cho máy làm việc. 2.Vị trí của mạch giao tiếp trong kết cấu của máy CNC Hệ thống máy CNC gồm 6 phần chính (H1.20 ): Chương trình gia công (part program) Thiết bị đọc chương trình (program input device) Bộ điều khiển máy (MCU) Hệ thống truyền động (drive system) Máy công cụ (machine tool) Hệ thống phản hồi (feedback system) H1.20-Cấu trúc của máy CNC Lưu ý: Đối với máy gia công CNC, chương trình gia công, thiết bị đọc chương trình và bộ xử lý dữ liệu (DPU) đều được thực hiện bởi máy tính. H1.21-Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo chương trình số *Nguyên tắc điều khiển: Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy. Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động. Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu. Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU) • DPU thực hiện các chức năng: - Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập - Xử lý mã lệnh hay giải mã. - Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU. • CLU thực hiện các chức năng: - Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển. - Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động. - Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ. - Điều khiển các thiết bị phụ trợ. Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ chính xác, công suất của máy. *Nhập dữ liệu vào bộ nhớ máy: - bàn phím. - các phương tiện đọc khác như đĩa, băng… - trao đổi dữ liệu với các thiết bị lưu trữu bên ngoài. Mạch giao tiếp dung để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp… Vì vậy từ hình (H1.20), ta có thể xác định được vịt trí của mạch giao tiếp sẽ nằm ở bộ phận đọc chương trình (program input device). Ngoài mạch giao tiếp, trong bộ phận đọc chương trình còn có mạch drive điêu khiển động cơ bước, điều khiển động cơ trục chính. H1.22-Sơ lược hệ thống điều khiển CHƯƠNG II GIAO TIẾP MÁY TÍNH I.Tổng quan Máy tính cùng với sự phát triển của kỹ thuật ghép nối với máy tính đã mở rộng đáng kể các lĩnh lực ứng dụng của máy tính, đặc biệt trong đo lường và điều khiển. Chính vì vậy, nhiều người sử dụng máy tính quan tâm đến chủ đề này. Khi một máy tính được xuất xưởng hoặc bày bán ở cửa hàng thì cả nhà sản xuất, ngườibán cũng như người tiêu dùng đều ngầm hiểu đây chưa phải là một hệ thống hoàn chỉnh,càng không phải là một hệ thống khép kín. Tùy theo yêu cầu sử dụng, người dùng có thể nâng cấp, mở rộng cấu hình bằng cách ghép nối thêm các Card mở rộng hoặc các thiết bị ngoại vi như modem, máy in… Các nhà sản xuất đã dự trữ sẵn các rãnh cắm mở rộng trên bản mạch chính, các cổng ghép nối : song song (LPT), nối tiếp (COM). Đây chính là những vị trí mà kỹ thuật ghép nối máy tính có thể tác động vào. Để ghép nối với máy tính ta có hai phương pháp: Ghép nối qua cổng song song Ghép nối qua cổng nối tiếp Điểm khác biệt duy nhất giữa giao tiếp nối tiếp với giao tiếp song song là chuẩn này chỉ truyền một bit trong một khoảng thời gian, trong khi giao tiếp song song truyền nhiều bit trong một khoảng thời gian. Sự khác biệt này khiến cho giao tiếp song song thường nhanh hơn giao tiếp nối tiếp. Tuy nhiên, không phải thực tế trên đều đúng trong mọi trường hợp. Giao tiếp nối tiếp cũng có thể nhanh hơn giao tiếp song song nếu các bit được chuyển đi với tốc độ nhanh hơn. Chẳng hạn, cổng SATA có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 150Mbps, trong khi cổng IDE truyền thống chỉ dừng ở mức 133Mbps. Mỗi khả năng đều có những ưu nhược điểm riêng cho nên cho đến nay vẫn cùng tồn tại, tùy theo hoàn cảnh cụ thể mà cân nhắc nên sử dụng cổng nào cho thích hợp. II. Chuẩn Giao Tiếp Các chuẩn sử dụng để giao tiếp với máy tính là: RS232, RS 485,USB,LPT. 1. Chuẩn RS 232 Để các thiết bị thu phát có thể làm việc có hiệu quả và không gặp rắc rối khi làm việc phối hợp, từ lâu người ta đã đặt ra các tiêu chuẩn cho các cổng vào/ra tín hiệu tuần tự trong các thiết bị số. Đó là tiêu chuẩn RS-232, với các giắc cắm chữ D dao động từ 4 đến 37 chân (4, 9, 15, 37 chân). RS-232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm - điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE), ví dụ giữa hai máy tính, giữa máy tính và máy in, hoặc giữa DT và một DCE- thiết bị giao tiếp dữ liệu, ví dụ giữa một máy tính và môđem. Ngày nay, RS232 là chuẩn giao diện I/O được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do chuẩn này ra đời đã lâu, trước khi có họ vi điện tử TTL, vì vậy các mức điện áp vào/ra của nó không tương thích với TTL. RS –232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Ở RS232, mức logic 1 tương ứng từ -3V đến -25V, còn mức logic 0 tương ứng từ +3V đến +25V, khoảng từ -3V đến +3V không xác định. Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd (chiều dài cho phép 30 – 50 m). Chế độ làm việc của hệ thống RS 232 là hai chiều toàn phần (full-duplex), tức là hai thiết bị tham gia có thể thu và phát cùng một lúc. Như vậy việc thực hiện truyền thong cần tối thiểu 3 dây dẫn - tring đó hai dây tín hiệu nối chéo với các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn thuộc về trách nhiệm của phần mềm. RS –232 có một ưu điểm là có thể sử dụng công suấtphát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 3-7k. Do đó, để nối RS232 với máy tính đều phải qua bộ biến đổi điện áp như MAX232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện áp của RS232 và ngược lại. Nhìn chung, các chip IC MAX232 được dùng để điều khiển đường truyền. Kết nối RS232 với MAX232. Hình 2.1 Sơ đồ bố trí chân của RS232 dạng 25 chân Để phân biệt, người ta sử dụng ký hiệu DB 25P để chỉ đầu đực (Plug- cắm vào) và DB 25S để chỉ đầu cái (Socket- ổ cắm). Không phải tất các chân của DB 25 đều được sử dụng, do đó IBM đưa ra phiên bản chuẩn vào/ra nối tiếp chỉ sử dụng có 9 chân gọi là DB 9. Sử dụng chuẩn RS232 có tác dụng là có thể truyền dữ liệu đi được xa, phương thức lập trình truyền dữ liệu qua chuẩn này cũng đơn giản, không phức tạp, do đó nó được sử dụng nhiều. Nhưng bên cạnh nó cũng có những nhược điểm là : Tốc độ truyền của nó so với cổng song song là chậm hơn, dễ bị nhiễu và kết nối phần cứng phực tạp do phải them MAX232. Hình 2.2 Sơ đồ bố trí chân của RS232 9 chân 2.Chuẩn RS 485 Hiện nay, để truyền tín hiệu đi xa hơn và nối với nhiều thiết bị đầu cuối hơn, người ta dùng chuẩn RS-485 tương tự RS232 nhưng có mức điện áp tín hiệu cao hơn. để sử dụng chuẩn này, người ta có các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn từ RS-232 thành tín hiệu chuẩn RS-485. Ngưỡng giới hạn điện áp qui định cho RS – 485 được nới rộng ra khoảng –7V đến 12V, và trở kháng đầu vào cũng được tăng lên. Ngoài khả năng giống như RS –232, RS-485 còn có khả năng ghép nối nhiều điểm , vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus. Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS-485 mà không cần bộ lặp. Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về trangh thái trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia. Chế độ này được gọi là tri-state. một số vi mạch RS-485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp kác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền. Trong mạch của bộ kích thích RS-485 có một tín hiệu đầu vào “ Enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tri-state. Mặc dù phạm vi làm việc tối đa từ – 6V đến 6V trong trường hợp hở mạch. RS-485 cho phép nối 32 trạm, ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho từng thiết bị thành viên. Giới hạn này xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền tải nhiều điểm. Các trạm được mắc song song vì thế việc tăng số trạm sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép. Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS-485 cho phép khoảng cách tối đa giữ trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn có thể lên đến 10 Mbit/s, một số hệ thống gần đây có thể lên đến tốc độ 12 Mbit/s. Tuy nhiên có sự trao đổi giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10Mbd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc rất nhiều vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu. 3.Chuẩn USB USB dụng để hỗ trợ trao đổi dữ liệu giữa một máy chủ (host) với các thiết bị ngoại vi được nối với nó. Bus USB cho phép thiết bị ngoại vi được ghép nối với máy tính chủ được cấu hình, được sử dụng một cách độc lập trong khi máy tính chủ và thiết bị ngoại vi khác đang hoạt động (đó chính là đặc tính Plug and play). USB được sử dụng đầu tiên vào năm 1996 với vài nhà sản xuất thiết kế cổng USB vào máy tính của mình tháng 10-1996 các hệ điều hành Windown cũng đã được cung cấp các driver điều khiển cho USB, cụ thể là trong Windown 98 và các hệ điều hành sau này(trên thực tế các phiên bản Windown 95 đã bắt đầu có tính năng hỗ trợ) Nhưng mãi đến năm 1998 USB mới được hỗ trợ đầy đủ và thể hiện vai trò khi chiếc máy tính IMAC hỗ trợ USB bán chạy thì chuẩn này mới trở lên phổ biến. Qua ổ cắm USB ở phía sau máy tính có thể lấy ra điện áp +5V với dòng tiêu thụ khoảng 100mA, trong một số trường hợp có thể lấy dòng tiêu thụ đến 500mA. Hai đường dẫn dữ liệu D+ và D- là các tín hiệu vi sai với mức điện áp bằng 0/3,3V. Điện áp nguồn nuôi của USB có thể lên đến +5,25V. Và khi chịu dòng tải lớn có thể giảm xuống +4,2V, nếu bổ sung một vi mạch ổn áp có thể tạo ra một điện áp ổn định +3,3V. Toàn bộ hệ thống được thiết kế sao cho khi chịu dòng tải lớn điện áp nguồn không vượt quá +4,2V. Khi thiết bị ghép nối cần dòng lớn hơn 100mA cần xem xét kỹ khả năng cung cấp và chịu tải của link kiện trong máy tính. Một số ưu điểm của USB Ghép nối đơn giản do ổ cắm đã được chuẩn hóa Link hoạt trong khi sử dụng Triển khai đơn giản và rẻ tiền Tốc độ tương đối cao so với chuẩn ra đời trước đó và có thể ghép nối nhiều thiết bị ngoại vi cùng một lúc. III. Chuẩn LPT 1. Giới thiệu về cổng LPT Công ty Centronics, từng nổi tiếng thế giới với vị trí hàng đầu trong số nhà sản xuất máy in kiểu ma trận, đã thiết kế ra cổng song song nhằm mục đích nối máy tính PC với máy in. Về sau, cổng song song đã phát triển thành một tiêu chuẩn không chính thức. Tên gọi của cổng song song bắt nguồn từ kiểu dữ liệu truyền qua cổng này: các bit dữ liệu được truyền song song hay nói cụ thể hơn la byte nối tiếp còn bit song song. Cho đến nay cổng song song có mặt ở hầu hết các máy tính PC được sản xuất trong những năm gần đây. Cổng song song còn được gọi là cổng máy in hay cổng Centronics. Cấu trúc của cổng song song rất đơn giản với tám đường dữ liệu, một đường dẫn mass chung, bốn đường dẫn điều khiển để chuyển các dữ liệu điều khiển tới máy in và năm đường dẫn trạng thái của máy in ngược trở lại máy tính. Giao diện song song sử dụng các mức logic TTL, vì vậy việc sử dụng trong mục đích đo lương và điều khiển có phần đơn giản. Khoảng cách cực đại giữa cổng song song máy tính PC và thiết bị ngọai vi bị hạn chế vì điện dung kí sinh và hiện tượng cảm ứng giữa các đường dẫn có thể làm biến dạn tín hiệu. Khoảng cách giới hạn là 8m, thông thường chỉ cỡ 1,5 – 2 m. Khi khoảng cách ghép nối trên 3m nên xoắn các đường dây tín hiệu với đường nối đất theo kiểu cặp dây xoắn hoặc dùng loại cáp dẹt nhiều sợi trong đó mỗi đường dẫn dữ liệu điều nằm giữa hai đường nối mass. Tốc độ truyền dữ liệu qua cổng song song phụ thuộc vào linh kiện phần cứng được sử dụng. Trên lý thuyết tốc đọ truyền đạy giá trị 1 Mbit/s, nhưng với khoảng cách truyền bị hạn chế trong phạm vi 1m. Với nhiều mục đích sử dụng thì khoảng cách này đã hoàn toàn thõa đáng. Nếu cần truyền trên khoảng cách xa hơn, ta nên nghĩ đến khả năng truyền qua cổng nối tiếp hoặc USB. Một điểm cần lưu ý là: việc tăng khoảng cách truyền dữ liệu qua cổng song song không chỉ làm tăng khả năng gây lỗi đối với đường dữ liệu được truyền mà còn làm tăng chi phí của đường dẫn. 2. Cấu trúc cổng LPT( cổng song song) Cổng LPT có 2 loại: Ổ cắm 36 chân Ổ cắm 25 chân Ngày nay, loại ổ cắm 36 chân không còn được sử dụng, hầu hết các máy tính PC đều trang bị cổng song song(LPT) 25 chân nên ta chỉ quan tâm đến loại 25 chân. Cổng LPT gồm có 4 đường điều khiển, 5 đường trạng thái và 8 đường dữ liệu bao gồm 5 chế độ hoạt động: Chế độ tương thích (compatibility). Chế độ nibble. Chế độ byte. Chế độ EPP ( Enhanced Parallel Port) Chế độ ECP (Extended Capabilities Port) 3 chế độ đầu tiên sử dụng port song song chuẩn (SPP- Standard Parallel Port) trong khi đó chế độ 4, 5 cần them phần cứng để cho phép hoạt động ở tốc độ cao hơn. Như chúng ta đã biết cổng LPT là thiết bị giao tiếp chuyên dụng giữa máy tính với máy in, nên bài dưới đây chúng em xin nói về chức năng của các đường dẫn tín hiệu giao tiếp giữa máy in với máy tính. Còn việc giao tiếp giữa các mạch điều khiển hay các thiết bị khác với máy tính ta chỉ việc đặt lại tên chân, còn ý nghĩa , chức năng từng chân tín hiệu của LPT không đổi. H2.3- Cách bố trí chân của LPT DB 25 Chân Tên tín hiệu 1 Strobe(Out) 2 D0 3 D1 4 D2 5 D3 6 D4 7 D5 8 D6 9 D7 10 Acknowledge(In) 11 Busy(In) 12 Paper Empty(In) 13 Select(In) 14 Auto Linefeed(Out) 15 Error(In) 16 Reset(In) 17 Select Input(Out) 18-25 GND Bảng2.1- Sơ đồ cách bố trí chân của LPT DB 25 Strobe (1): Với một mức logic thấp ở chân này, máy tính thông báo cho máy in biết có một byte đang sẵn sàng trên các đường dẫn tín hiệu để được truyền. D0 đến D7: Các đường dẫn dữ liệu Acknowledge: với một mức logic thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy tính biết là đã nhận được kí tự vừa gửi và có thể tiếp tục nhận. Busy (bận – 11): máy in gửi đến chân này mức logic cao trong khi đang đón nhận hoặc in ra dữ liệu để thông báo cho máy tính biết là các bộ đệm trong máy tính biết là các bộ đệm trong máy tính đã bị đầy hoặc máy in trong trạn thái Off-line. Paper empty (hết giấy – 12): Mức cao ở chân này có nghĩa là giấy đã dùng hết. Select (13): Một mức cao ở chân này, có nghĩa là máy in đang trong trạng thái kích hoạt (On-line) Auto Linefeed (tự nạp dòng): Có khi còn gọi là Auto Feed. Bằng một mức thấp ở chân này máy tính PC nhắc máy in tự động nạp một dòng mới mỗi khi kết thúc một dòng. Error (có lỗi): Bằng một mức thấp ở chân này, máy in thông báo cho máy tính là đã xuất hiện một lỗi, chẳng hạn kẹt giấy hoặc máy in đang trong trạng thái Off-Line. Select Input: bằn một mức thấp ở chân này, máy in được lựa chọn bởi máy tính. Qua cách mô tả chức năng của từng tín hiệu riêng lẽ ta có thể nhận thấy các đương dẫn dữ liệu có thể chia thành 3 nhóm: - Các đường dẫn tín hiệu, xuất ra từ máy tính PC và điều khiển máy tính, được gọi là các đường dẫn điều khiển.Các đường dẫn tín hiệu, đưa các thông tin thông báo ngược lại từ máy in về máy tính, được gọi là các đường dẫn trạng thái. - Đường dẫn dữ liệu, truyền các bit rieng lẽ của các ký tự cần in. Từ cách mô tả các tín hiệu và mức tín hiệu ta có thể nhận thấy là: các tín hiệu Acknowledge, Auto Linefeed, Error, Reset và Select Input kích hoạt ở mức thấp. Thông qua chức năng của các chân này ta cũng hình dung được điều khiển cổng máy in. Đáng chú ý là 8 đường dẫn song song đều được dùng để chuyển dữ liệu từ máy tính sang máy in. Trong những trường hợp này, khi chuyển sang các ứng dụng để thực hiện nhiệm vụ đo lường ta phải chuyển dữ liệu từ mạch ngọa vi vào máy tính để thu thập và xử lý. Vì vậy ta phải tận dụng một trong năm đường dẫn theo hướng ngược lại, nghĩa là từ bên ngoài về máy tính để truyền số liệu đo lường. Dưới đây đề cập chi tiết hơn đến các đặc tính một hướng và hai hướng của các đường dẫn này. Để coa thể ghép nốic các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều khiển với cổng song song ta phải tìm hiểu cách trao đổi với các thanh ghi thông qua cách sắp xếp và địa chỉ các thanh ghi cũng như phần mềm. Các đường dẫn của cổng song song được nối với ba thanh ghi 8bit khác nhau: Thanh ghi dữ liệu Thanh ghi trạng thái Thanh ghi điều khiển Tám đường dẫn dữ liệu dẫn tới 8 ô nhớ trên thanh ghi dữ liệu còn bốn đường dẫn điều khiển Strobe, Auto Linefeed, Reset, Select Input dẫn tới bốn ô nhớ trên thanh ghi điều khiển, cuối cùng là năm đường dẫn trạng thái Acknowledge, Busy, Paper empty, Select, Error nối tới năm ô trên thanh ghi trạng thái. Riêng ở thanh ghi điều khiển còn phải chú ý tới một bit nữa được sử dụng cho mục đích ghép nối nhưng không được nối với ổ cắm 25 chân. Bit này có thể được sử dụng để xóa một bit ngắt liên quan với đường dẫn Acknowledge, vì vậy chưa đề cập đến đây. Thanh ghi điều khiển cũng là hai hướng, thanh ghi trạng thái chỉ có thể được đọc và vì vậy gọi là một hướng. Ta có thể trao đổi với 3 thanh ghi này như thế nào? Hệ điều hành DOS dự tính đến bốn cổng song song và đặt tên là: LPT1, LPT2, LPT3 và LPT4. Tuy vậy, hầu hết các máy tính PC đều chỉ có nhiều nhất hai cổng song song , và cho đến nay với lí do giảm giá thành, cổng song song chỉ còn lại một. Về mặt phần cứng, các nhà sản xuất đã dự tính bốn nhóm, mỗi nhóm 3 địa chỉ, để trao đổi với từng ô nhớ trên thanh ghi của mỗi giao diện. Ta có thể nhận thấy các địa chỉ thanh ghi nằm kế tiếp nhau. CHƯƠNG III THIẾT KẾ MẠCH GIAO TIẾP VỚI MÁY TÍNH DÙNG TRONG MÁY CNC Có rất nhiều loại mạch giao tiếp, tùy thuộc vào yêu cầu chế tạo, chế độ làm việc của máy CNC và điều kiện kinh tế mà thiết kế mạch giao tiếp cho phù hợp. I. Mạch giao tiếp đơn giản Mạch giao tiếp này đơn giản chỉ là một cổng mà qua đó cho phép máy tính gửi và nhận tín hiệu của driver và công tắc hành trình. Không có khác biệt nhiều giữa mạch giao tiếp đơn giản với cáp nối trực tiếp của cổng song song. Các chân tín hiệu đầu ra được nối với mạch driver và các công tắc hành trình. Dưới đầy là sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp đơn giản: H 3.1- Sơ đồ mạch giao tiếp đơn giản Mạch sử dụng 17 con điện trở 4.7k giới hạn dòng để bảo vệ mạch và cổng song song. Chân tín hiệu đầu ra của cổng giao tiếp trên mạch rất đơn giản. Chân 1-17 của cổng JP1nối với chân 1-17 của cổng song song (LPT). Chân 1 của JP2 nối tới chân 10 của JP1 và chân 2 của nó được nối đất.Chân 1 của JP3 nối tới chân 11 của JP1 và chân 2 của nó được nối với đất. Tương tự như vậy chân 1 của JP4 và JP5 lần lượt nối với chân 12, 13 của JP1 và chân 2 của JP4, JP5 được nối với đất. Các chân 10, 11, 12 và 13 của JP1 sẽ được nối ngoài với các công tác giới hạn hành trình. Nguồn cấp cho mạch giao tiếp là 1 nguồn 5V thông qua cổng JP6 với chân 1 của JP6 nối với +5V và chân 2 của nó nối đất trên bộ nguồn. Ưu điểm của mạch: Giá thành mua link kiện cũng như làm mạch rẻ. Kết cấu đơn giản, dễ dàng kiểm tra được lỗi(nếu có). Chính vì kết cấu đơn giản nên khi xảy sự cố như cháy, chập… ở mạch điều khiển thì sẽ ảnh hưởng tới máy tính, có thể sẽ hỏng, phải thay mới máy tính. Nên phương pháp tốt nhất để bảo vệ cổng song song là sử dụng mạch có cách ly quang (opto) hoặc lắp một cái card cổng song song để giao tiếp. II. Mạch giao tiếp dùng cách ly quang 1. Cách ly quang pc817 Opto hay còn gọi là cách ly quang là linh kiện tích hợp có cấu tạo gồm 2 phần, một là diode phát quang hai là phần thu quang khi có dòng điện qua diode phát quang thì "ánh sáng" nó phát ra được thu bởi phần thu quang  qua đó tín hiệu được gửi về mạch điều khiển để có những thay đổi trong lệnh điều khiển khiến cho đầu ra đạt yêu cầu. H3.2-Cách ly quang 817 Tác dụng: Cách Được sử dụng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất nhu khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Hoặc có thể dùng để chống nhiểu cho các mạch cầu H,ngỏ ra PLC,chống nhiễu cho các thiết bị đo lường…. Khi cấp nguồn vừa đủ vào chân số 1, LED phía trong opto nối giữa chân số 1 và 2 sáng, xảy ra hiệu ứng quang điện dẫn đến chân 3 và 4 thông, mức logic sẽ bị chuyển từ 1 sang 0 mà không cần tác động trực tiếp từ IC. Mục đích: Nếu có sự cố từ tầng ứng dụng như cháy, chập, tăng áp… thì cũng không ảnh hưởng đến tầng điều khiển. 2. Mạch giao tiếp dùng pc817 2.1 Sơ đồ nguyên lý H3.3-Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp dùng pc817 2.2 Sơ đồ bố trí link kiện H3.4-Sơ đồ bố trí linh kiện 2.3 Sơ đồ đi dây H3.5-Sơ đồ đi dây 2.4 Thuyết minh các thành phần của mạch Khối nguồn: Mạch trên dùng cách ly quang PC817(Opto) nên phải có 2 nguồn nuôi cho 2 phía của cách ly. Một là PC5+ và GNDF tương ứng với nguồn 5V và 0v lấy từ máy tính thông qua cổng USB. Các linh kiện giao tiếp trực tiếp với cổng LPT DB25 phải dùng nguồn này (vì tín hiệu từ cổng LPT dùng nguồn này). Sau khi qua cách ly quang(opto) ta dùng một nguồn ngoài 5V và GND khác tương ứng để nuôi các linh kiện còn lại. Sở dĩ chúng ta phải dùng 2 nguồn vì nếu dùng chung một nguồn thì đắc tính bảo vệ của opto trở thành vô tác dụng. H3.6-Khối nguồn Khối LPT: Chân số Tên của tín hiệu 1 PWM 2 STEPX 3 DIRX 4 STEPY 5 DIRY 6 STEPZ 7 DIRZ 8 STEPW 9 DIRW 10 ESTOP 11 LIMIT + 12 LIMIT - 13 HOME 14 CLOCKWISE 15 Không sử dụng 16 CCW 17 Không sử dụng 18 - 25 GND H3.7-Khối LPT Khối To Step Driver: Step được điều khiển bởi máy vi tính qua cổng LPT DB25.Với 3 chân đầu vào đã được nối vào 5V thì mỗi động cơ ta phải điều khiển 2 chân Step và Dir. Bởi vậy, ta phải dùng 6 chân trong 8 chân dữ liệu của cổng LPT DB25 để điều khiển 3 động cơ bước Các chân từ 18 đến 25 được nối xuống đất,các chân 2 đến 9 là 8 chân dữ liệu được đưa lên nguồn 5V thông qua trở treo 1k (nhưng thực chất chỉ dùng 6 chân). Bên cạnh đó các chân còn lại cũng được nối với nguồn 5V thông qua trở treo 0.47k . Nguồn 5V được lấy từ bộ nguồn sang. H3.8-Khối To Step Driver Khối To Spindle:Cổng X5 được nối với bộ điều khiển Spindle: PWM là chân sung dùng để điều khiển tốc độ của động cơ, 2 chân còn lại để điều khiển chiều quay. H3.9-Khối Spindle Khối Estop, Limit+, Limit-, Home: Các công tác giới hạn hành trình được nối vào cổng X1 của mạch giao tiếp. Các chân 10, 11, 12, 13 của LPT được đưa lên nguồn 5v của máy tính thông qua các trở treo 0.47k được cách lý bảo về mạch điều khiển và cổng LPT. Phía bên kia của cách ly được nối với nguồn ngoài 5V thông qua các trở treo 1k H3.10-Khối Estop,Home 2.5 Hình ảnh mạch trong thực tế H3.11-Mạch cách ly quang pc817 thực tế 3. Mạch giao tiếp dùng PC817, IC 7404 đệm 3.1 IC 7404 đệm 7404 là một NOT cổng IC . Nó bao gồm sáu biến tần mà thực hiện logic nghịch hành động. Đầu ra của một biến tần là sự bổ sung của trạng thái logic đầu vào của nó, nghĩa là , khi đầu vào là cao sản lượng của nó là thấp và ngược lại. H3.12- Sơ đồ chân của IC 7404 Bảng mô tả chân: Pin Biểu tượng Mô tả 1 1A Cổng đầu vào 1 2 1Y Y ra cổng 1 3 2A Cổng đầu vào 2 4 2Y Y ra cổng 2 5 3A Cổng đầu vào 3 6 3Y Y ra cổng 3 7 GND Nối đất 8 4A Y ra cổng 4 9 4Y Cổng đầu vào 4 10 5A Y ra cổng 4 11 5Y Cổng đầu vào 4 12 6A Y ra cổng 4 13 6Y Cổng đầu vào 4 14 VCC Cung cấp điện áp, 5V(4,75- 5.25V) 3.2 Mạch giao tiếp dùng IC 7404 đệm Mục đích sử dụng IC 7404 đệm như tên gọi của nó là đệm dòng cho tín hiệu đầu ra của mạch giao tiếp đạt yêu cầu. Đặc điểm: 6 cách ly quang tốc độ cao dùng để điều khiển 3 trục (X,Y,Z) 2 đầu ra cách ly quang on/off spindle 4 đầu vào (Input) cách ly quang thông qua IC 7404 Output được đệm nên có thể hoạt động được với những máy tính có cổng LPT 3,3V Nguồn trong dùng USB Nguồn ngoài dùng 5V Dùng cổng giao tiếp LPT DB 25 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý H3.13-Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp dùng IC 7404 đệm 3.2.2 Sơ đồ bố trí linh kiện H3.14-Sơ đồ bố trí linh kiện 3.2.3 Sơ đồ đi dây H3.15-Sơ đồ đi dây 3.2.4 Thuyết minh nguyên lý Khối nguồn: Tương tự như mạch giao tiếp trên, mạch dùng cách ly quang PC817(Opto) nên phải có 2 nguồn nuôi cho 2 phía của cách ly. Một là PC5+ và GNDA tương ứng với nguồn 5V và 0v lấy từ máy tính thông qua cổng USB. Các linh kiện giao tiếp trực tiếp với cổng LPT DB25 dùng nguồn này. Sau khi qua cách ly quang (opto) ta dùng một nguồn ngoài 5V và GND khác tương ứng để nuôi các linh kiện còn lại. Mạch có sử dụng thêm 2 led báo đã thông mạch, dễ kiểm tra hơn mạch trên H3.16-Khối nguồn Khối LPT: Được đặt chân khác một chút so với mạch trên Bảng phân công chân vào ra: Chân số Tên của tín hiệu 1 ENABLE 2 STEPX 3 DIRX 4 STEPY 5 DIRY 6 STEPZ 7 DIRZ 8 Nối trở RN2 9 Nối trở RN2 10 ESTOP 11 LIMIT X 12 LIMIT Y 13 LIMIT Z 14 SPINDLE CW 15 Không sử dụng 16 SPINDLE PWM 17 AUX1 18 - 25 GND H3.17-Khối LPT Khối To Step Driver: Step được điều khiển thông qua cổng LPT DB 25. Với 3 chần đầu vào được nối vào nguồn 5 V , mỗi động cơ điều khiển 2 chân step và dir. Vì vậy ta dùng từ chân 2-6 của cổng LPT để điều khiển 3 động cơ. Các chân từ 2 đến 9 được đưa lên nguồn 5V thông qua trở treo 0,33k được cách ly, tín hiệu đầu ra cách ly ở mức thấp sẽ qua IC 7404 được đệm dòng lên mức cao , tín hiệu ra các cổng jumper sv2, sv3, sv4 đạt yêu cầu. Bên cạnh đó các chân còn lại cũng được nối với nguồn 5V thông qua trở treo 4.7k .Nguồn 5V được lấy từ bộ nguồn sang. H3.18- Khối To Step Driver Khối To Spindle: Bộ spindle được điều khiển bởi máy tính qua các chân 14. 16. 17 của cổng LPT, được nối thông qua cổng SV1: PWM là chân sung dùng để điều khiển tốc độ của động cơ, 2 chân CW và AUX1 để điều khiển chiều quay. H3.19- Khối To Spindle Khối Estop, Limit X, Limit Y, Limit Z:Các công tắc giới hạn hành trình và dừng các trục X, Y, Z được nối lần thông qua các cổng iumper JP2, JP3, JP4, JP5. Được điều khiển bởi máy tính thông qua các chân 10- 13 cổng LPT qua IC đệm 7404, đưa lên nguồn 5v qua trở treo 4.7k. H3.20- Khối Estop, Limit X, Limit Y, Limit Z 3.2.5 Một vài hình ảnh mạch thực tế KẾT LUẬN Đồ án đã hoàn thành đúng tiến độ và cơ bản đã đạt được những yêu cầu sau: Hiểu được nguyên lý mạch giao tiếp Sử dụng được phần mềm vẽ mạch in Eagle Test tín hiệu mạch bằng led thành công Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế: Mạch bố trí linh kiện còn chưa khoa học,các layer đi dây còn xấu. Chưa kết nối được mạch giao tiếp với mạch Driver và phần mềm MACH3 để kiểm tra tính tương thích của mạch giao tiếp. Mạch thử nghiệm chưa hoạt động ổn định.. Cùng với việc kết hợp học tập nghiên cứu về lý thuyết gắn liền với thực tế chế tạo đã giúp chúng em hiểu sâu hơn lý thuyết đồng thời bước đầu làm quen với công việc thiết kế và chế tạo mạch. Một lần nữa xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hồng Lĩnh và các bạn trong nhóm đồ án đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt đồ án này. PHỤ LỤC BẢNG1: LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH GIAO TIẾP DÙNG PC817 STT Tên linh kiện Ghi chú Số lượng 1 ĐB 25 Cống LPT 25 chân 1 2 PN87520-S Cổng USB 1 5 X1, X2 Cổng jump 8 chân 2 6 X3, X4 Cổng jump 2 chân 2 8 X5 Cổng jump 3 chân 1 9 PC817 Cách ly quang 16 10 C1- C4 Tụ hóa 0,1uF 4 11 C5 Tụ hóa 1uF 1 12 JP1 Cổng jump 3 chân 1 13 R1- R8, R17- R19, R23- R26 Điện trở thường 470 Ω 15 14 R9- R16, R20- R22, R27- R30 Điện trở thường 1k Ω 15 BẢNG2: LINH KIỆN SỬ DỤNG TRONG MẠCH GIAO TIẾP DÙNG PC817, IC 7404 STT Tên linh kiện Ghi chú Số lượng 1 X1 Cổng LPT 25 chân 1 2 X2 Cổng jump 2 chân 1 5 X8 Cổng USB 1 6 RN1, RN2, RN4 Điện trở băng 4K7 Ω 3 8 C1 Tụ 330uF 1 9 C2 Tụ lọc nhiễu 1 10 R1-R13 Điện trở thường 330Ω 13 11 R14-R21 Điện trở thường 4k7 Ω 7 12 IC1, IC2,IC3 IC đệm 7404 3 13 JP1,JP2,JP3,JP4 Cổng jump 3 chân 4 14 SV1 Cổng jump 6 chân 1 15 SV2,SV3,SV4 Cổng jump 4 chân 3 16 Led1, Led2 Đèn led báo 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo CNC Robotic – Geoff Williams Công nghệ CNC – Trần Văn Dịch Các trang web tham khảo Diễn đàn Điện tử Việt Nam : Diễn đàn Thế giới cnc: