Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc

Dịch vụ viết thuê đề tài – KB Zalo/Tele 0917.193.864 – luanvantrust.com
Kham thảo miễn phí – Kết bạn Zalo/Tele mình 0917.193.864
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
******&******
TRƯƠNG VĂN HÙNG
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CẮT GAS – OXY
ĐIỀU KHIỂN SỐ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

******&******
TRƯƠNG VĂN HÙNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S PHẠM THÀNH LONG
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

******&******
TRƯƠNG VĂN HÙNG
KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TRƯỞNG KHOA
PGS.TS. NGUYỄN VĂN DỰ TS. PHẠM THÀNH LONG
PHÒNG ĐÀO TẠO

i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trương Văn Hùng
Học viên: Lớp Cao học K16
Đơn vị công tác: Trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc
Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas – Oxy điều khiển số
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: ..............
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các ý tưởng,
thiết kế, chế tạo cũng như các số liệu là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công
bố trong bất kỳ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày .....tháng .....năm 2016
Học viên:
Trương Văn Hùng

ii
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ
phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô
giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình học và
hoàn thiện luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Phạm Thành
Long đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể hoàn thành
được luận văn này.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng Nghề KTCN
Việt Nam – Hàn Quốc đã tạo mọi điều kiện cho tác giả được đi học nâng cao trình
độ; xin cảm ơn bạn cùng lớp Trần Nam Thắng, xin cảm ơn tập giáo viên khoa Công
nghệ Hàn trường CĐN KTCN Việt Nam – Hàn Quốc đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ
những khó khăn trong khi làm luận văn.
Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề
tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung. Do vậy, kính mong quý thầy cô,
đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để tác giả hoàn thiện kiến thức và ứng dụng các
kiến thức học được vào trong thực tế.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!

iii
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………

iv
MỤC LỤC
Lời cam đoan …………………………………………………… .. ……….. ………i
Lời cảm ơn …………………………………………………………….….………...ii
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn…………………………………………………iii
Mục lục ………………………………………………………………...…….…….iv
Danh mục các từ viết tắt, thuật ngữ …………………………………….…………vii
Danh mục các bảng biểu …………………………………………………………..vii
Danh mục hình vẽ ………………………………………………………………...viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT............................................. 1
1.1. Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp ............................. 1
1.1.1. Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp ......................................... 1
1.1.2. Một số phương pháp cắt nhiệt.......................................................................... 3
1.2. Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt...................................................... 4
1.3. So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt ...................................................... 6
1.4. Lý do chọn đề tài................................................................................................. 7
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY ......................................................... 10
2.1. Bài toán động học robot .................................................................................... 10
2.1.1. Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian................................................ 10
2.1.2. Lựa chọn các khớp của máy........................................................................... 12
2.1.3. Phương trình động học robot 3 khâu (Bài toán thuận): ................................. 14
2.1.4. Giải bài toán động học bằng phương pháp số................................................ 16
2.1.5. Xác định sai số định trước (bài toán ngược).................................................. 19
2.1.6. Kích thước máy.............................................................................................. 21

v
2.1.7. Đặc tính lực .................................................................................................... 21
2.2. Xây dựng kiến trúc chức năng máy .................................................................. 21
2.2.1. Kiến trúc cơ - điện.......................................................................................... 21
2.3. Một vài dạng nội suy bậc cao cơ bản................................................................ 26
2.3.1. Khái niệm, nhiệm vụ của bộ nội suy.............................................................. 26
2.3.2. Một số dạng nội suy ....................................................................................... 29
2.4. Kết luận ............................................................................................................. 35
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ..... 36
3.1. Điều khiển trục x............................................................................................... 36
3.1.1. Tính toán tần số đáp ứng................................................................................ 36
3.1.2. Điều khiển trục Y........................................................................................... 37
3.1.3. Điều khiển trục Z............................................................................................ 38
3.2. Liên kết ngoại vi của máy ................................................................................. 38
3.2.1. Giới thiệu về cổng LPT.................................................................................. 38
3.2.2. Cấu trúc cổng LPT( cổng song song)............................................................. 39
3.3. Kết luận ............................................................................................................. 46
CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH MÁY........................................... 47
4.1. Điều khiển và điều chỉnh nguồn năng lượng nhiệt ........................................... 47
4.2. Điều khiển quỹ đạo mỏ cắt................................................................................ 48
4.2.1. Khả năng kết nối ngoại vi .............................................................................. 48
4.2.2. Liên kết CAD-CAM....................................................................................... 48
4.2.3. Điều khiển quỹ đạo cắt................................................................................... 49
4.3. Tối ưu hóa sắp xếp ............................................................................................ 51
4.3.1. Đặt vấn đề....................................................................................................... 51

vi
4.3.2. Cơ sở toán học của bài toán sắp xếp .............................................................. 54
4.3.3. Ví dụ:.............................................................................................................. 58
4.4. Kết luận ............................................................................................................. 59
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MÁY ................................................ 61
5.1. Đánh giá về năng suất ....................................................................................... 61
5.1.1. So sánh với một số máy CNC trên thị trường................................................ 61
5.1.2. So sánh với thợ bậc cao.................................................................................. 61
5.2. Đánh giá chấtlượng sản phẩm........................................................................... 62
5.2.1. Đánh giá độ chính xác.................................................................................... 62
5.2.2. Kích thước góc ............................................................................................... 65
5.2.3. Chất lượng bề mặt cắt .................................................................................... 67
5.2.4. Mức độ an toàn............................................................................................... 69
5.3. Đánh giá sai số khi không gắn đầu bép cắt ....................................................... 69
5.4. Kết luận ............................................................................................................. 70
5.5. Kiến nghị........................................................................................................... 71

vii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT
TT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ Đơn vị
1 CAD Computer Adids Design
2 CAM Computer Adids Manufacturing
3 CLU Control Loop Unit
4 CNC Computer Numerical Control
5 DDA Digital Diffrencetial Analyzer
6 DH Denavit Hanterbeg
7 Dir Direction
8 DPU Data Processing Unit
9 NC Numerical Control
10 R Roatation
11 T Translatiom
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
STT Kí hiệu Nội dung Trang
1 Bảng 1.1 Thông số đầu cắt 05
2 Bảng 1.2 So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma 06
3 Bảng 3.1
Danh mục kết nối boar mạch đệm mach3 với các tín
40
hiệu điều khiển
4 Bảng 3.2 Ký hiệu chức năng công CN1 41
5 Bảng 4.1 Thông số cắt bằng Gas – Oxy 44

viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sản phẩm thép tấm trong nghành điện....................................................... 2
Hình 1.2. Sản phẩm thép tấm trong xây..................................................................... 2
Hình 1.3. Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm................................................ 3
Hình 1.4. Ghép ống bằng mối hàn ............................................................................. 8
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ giữa các điểm trong
không gian................................................................................................................ 11
Hình 2.2. Vùng không gian làm việc của tay máy................................................... 13
Hình 2.3. Mô hình hóa bàn máy thành Robot 3 khâu (TTT) ................................... 14
Hình 2.4. Kết quả sử dụng hàm Solver trên Excel................................................... 19
Hình 2.5. Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu bép cắt .................................... 20
Hình 2.6. Trích kết quả sau khi sử dụng hàm Solver trên Excel ............................. 21
Hình 2.7. Sơ đồ kết cấu điện cơ khí trục Z .............................................................. 22
Hình 2.8. Kiến trúc cơ khí trục X, Y........................................................................ 24
Hình 2.9. Kiến trúc cơ điện trục X........................................................................... 24
Hình 2.10. Kiến trúc cơ điện trục Y......................................................................... 25
Hình 2.11. Nội suy trong chuyển động phi tuyến .................................................... 27
Hình 2.12. Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA .......................................... 29
Hình 2.13. Sơ đồ khối phương pháp nội suy theo phương pháp DDA[4] ............... 31
Hình 2.14. Nội suy tuyến tính của chi tiết................................................................ 32
Hình 2.15.Nội suy vòng. .......................................................................................... 33
Hình 3.1. Cơ cấu truyền động trục x........................................................................ 37
Hình 3.2. Mối tương quan tần số phát xung và thời gian......................................... 37

ix
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển trục Z....................................................................... 38
Hình 3.4. Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT)................................ 40
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển động cơ servo ............................................................... 43
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối CN1 trên Driver động cơ Mishubishi MR C20A [7]......... 44
Hình 3.7. Sơ đồ khối vị trí Boar mạch đệm ............................................................. 44
Hình 3.8. Boar mạch đệm mach3 thực tế................................................................. 45
Bảng 4.1. Thông số cắt bằng Gas – Oxy [6] ............................................................ 47
Hình 4.1. Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu ................................................................. 49
Hình 4.2. Sắp xếp chi tiết theo 1 hàng một hướng................................................... 52
Hình 4.3. Sắp xếp đảo đầu........................................................................................ 52
Hình 4.4. Sắp xếp theo hai hàng hai hướng ............................................................. 53
Hình 4.5. Sắp xếp các chi tiết trên giải cắt............................................................... 54
Hình 4.6. Dịch chuyển đi 1 khoảng cách và xoay đi một góc 56
Hình 4.7. Chi tiết cần gia công................................................................................. 58
Hình 4.8. Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x2500x10.......................................... 59
Hình 4.9. Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x1000x10 mm................................... 59
Hình 5.1. Tham chiếu các đặc tính của máy đã chế tạo với máy trên thị trường..... 61
Hình 5.2. Kích thước vật cần gia công..................................................................... 62
Hình 5.3. Đo kích thước dài 1.................................................................................. 63
Hình 5.4. Đo kích thước dài 2.................................................................................. 63
Hình 5.4a. Kích thước khi cắt cung tròn.................................................................. 64
Hình 5.4b. Kích thước khi cắt cung tròn.................................................................. 64
Hình 5.4c. Kích thước khi cắt cung tròn.................................................................. 65

x
Hình 5.5a. Cắt góc 900
............................................................................................. 66
Hình 5.5b. Cắt góc lớn hơn 900
............................................................................... 66
Hình 5.5c. Cắt góc nhỏ hơn 900
............................................................................... 67
Hình 5.6a. Cắt đường thẳng với vận tốc cắt hợp lý ................................................. 67
Hình 5.6b. Cắt đường thẳng với vận tốc cắt nhanh.................................................. 67
Hình 5.7a. Bề mặt cắt cung tròn lồi ......................................................................... 68
Hình 5.7b. Bề mặt cắt cung tròn lõm ....................................................................... 68
Hình 5.8a. Bề mặt tại giao tuyến góc 900
................................................................ 68
Hình 5.8b. Bề mặt tại giao tuyến góc 900
................................................................ 68
Hình 5.9. Thiết bị an toàn trên đầu cắt..................................................................... 69
Hình 5.10. Khảo sát độ chính xác của bàn máy....................................................... 70

xi

1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT
1.1. Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp
1.1.1. Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp
Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền
kinh tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó. Trong đó ngành công
nghiệp, mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản
phẩm. Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò
chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí. Hơn nữa, một số
phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt... kim loại là không thể thiếu góp phần tạo
ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng
không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông
nghiệp...
Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể
trên. Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa
2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của
phôi ban đầu. Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên,
tạo thành dạng tấm hay còn gọi là thép tấm.
Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi
loại có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Cán ở trạng thái nóng cho ra những
sản phẩm có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm
mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm. Các sản phẩm thép tấm được
phân loại theo độ dày của tấm thép:
+ Thép tấm mỏng: Chiều dày: S = 0,2 3,75 mm.
Chiều rộng: b = 600 2.200 mm.
+Thép tấm dày : S = 4 60 mm; b = 600 5.000 mm.
l = 4.000 12.000 mm.
+ Thép tấm dải : S = 0,2 2 mm; b = 200 1.500 mm. l =
4.000 60.000 mm.
Từ sự phân loại đó có các dạng phôi của thép tấm khác nhau như: dạng phôi
tấm hay dạng phôi cuộn, phôi dải.

2
Hình dạng và kích thước của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu
chuẩn hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe
ôtô, khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết cấu trong nghành xây
dựng như cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu
thuyền ... phải qua quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau
phù hợp với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể:
- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là
thép trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh
quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu
đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột
điện đường...
a) Các lá thép b) Tủ điện c) Vỏ máy biến thế
Hình 1.1. Sản phẩm thép tấm trong nghành điện
- Trong xây dựng: Các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ
các tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể
bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững. Rõ ràng
nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp… Ngoài ra còn sử dụng trong kiến trúc
như trang trí, cửa họa tiết…
Hình 1.2. Sản phẩm thép tấm trong xây

3
- Trong cơ khí chế tạo: Nhu cầu lớn đa dạng chủng loại, như chế tạo các bánh
xích, bánh răng, các loại bản mã….
Hình 1.3. Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm
Thép tấm được ứng dụng rộng rãi trên thực tế, sử dụng các phương pháp cắt
hình khác nhau đảm bảo tính chính xác lặp lại và năng suất cắt.
1.1.2. Một số phương pháp cắt nhiệt
Trong thực tế có rất nhiều phương pháp cắt gọt khác nhau như cắt bằng tia
lửa điện, bằng tia nước, gia công truyền thống, cắt bằng nhiệt… mỗi phương pháp
đều có những đặc thù riêng, áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất. Gia công cắt
bằng nhiệt là một trong những phương pháp gia công tạo phôi phổ biến nhất, dưới
đây là một số phương pháp cắt bằng nhiệt.
1.1.2.1. Cắt Gas Oxy
Là một quá trình kết hợp Oxy và Gas để cắt kim loại được biết đến đầu tiên
là cắt bằng acetylene và oxy vào năm 1903. Về cơ bản hỗn hợp khí cháy của oxy và
khí đốt nung nóng vật liệu kim loại, đối với thép 700 - 900 0
C. Kim loại được cắt
đứt bằng các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao. Điều kiện cắt được bằng khí là:
Kim loại phải có nhiệt độ bốc cháy của vật liệu được thấp hơn điểm nóng
chảy của nó nếu không thì liệu sẽ tan chảy và chảy ra trước khi cắt có thể xảy ra
Oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các vật liệu xung quanh để nó
có thể được thổi bay đi bởi áp lực Oxy, Oxit sinh ra bởi Oxy và vật liệu cắt phải đủ
để duy trì nhiệt độ cắt, tỷ lệ giữa khí cháy và oxy nung phải mức tối thiểu để không
ảnh hưởng tới lượng oxy cắt.
1.1.2.2. Cắt Plasma

4
Được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm[6], người ta phát hiện rằng
việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật
chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là Plasma, và nó
tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 - 15.000 °C, khi dòng khí thoát ra
khỏi đầu Plasma nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua. Từ
đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại nhưng với quy mô rất lớn vì khi đó chi
phí cắt rất cao.
1.1.2.3. Cắt Laser
Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông
mô tả lý thuyết phát xạ kích thích. Đến năm 1940 một số kỹ sư đã áp dụng lý thuyết
này trong nghành khai thác năng lượng. Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu
tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề". Đó là trong thời gian ngắn, và
với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt đã được tìm thấy có nhiều
ứng dụng. [6]
Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh
sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng
rất lớn có thể được dùng để cắt kim loại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như
nhựa, gỗ, kính...
1.2. Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt
Đối với mỗi phương pháp gia công đều có những đặc tính, yêu cầu kỹ thuật
khác nhau. Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như đặc thù riêng của mỗi phương
pháp. Cắt bằng nhiệt cũng vậy, dưới đây là một trong những yêu cầu cơ bản của
phương pháp cắt nhiệt.
Sản phẩm sau khi cắt cần đạt những yêu cầu kỹ thuật nhất định, mỗi sản
phẩm cắt cần đạt kích thước theo yêu cầu của nhà sản xuât. Ảnh hưởng tới độ chính
xác cắt có nhiều yếu tố trong đó có các tham số quan trọng sau:
- Sai số do máy
+ Độ cứng vững của máy khi hoạt động

5
+ Do đầu cắt: Mỗi đầu cắt (bép cắt) đều có kích thước khác nhau, phù
hợp với mỗi loại vật liệu, chiều dày khác nhau.
Bảng 1.1. Thông số đầu cắt[8]
Dựa vào bảng trên thấy rằng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất có thể thấy
theo biên dạng bản vẽ phần vật liệu sẽ bị hao hụt đi tùy thuộc vào chiều dày vật liệu
cắt và đầu cắt. Ví dụ sử dụng đầu bép cắt số 1 sẽ có sai số ½ 0.05in ~ 1,77/2 mm.
Trên thực tế nguyên công cắt Gas - Oxy chủ yếu để gia công thô nên khi thiết kế
bản vẽ yêu cầu bù trừ một lượng nhất định.
- Sai số gây ra bởi chế độ cắt:
Chế độ cắt khi cắt bằng khí được quyết định bởi các yếu tố tốc độ cắt,
khoảng cách giữa bề mặt vật liệu và nhân ngọn lửa, lưu lượng khí, tỷ lệ pha trộn
hỗn hợp khí Gas – Oxy.
Khi gia công bằng nhiệt, vấn đề biến dạng do nhiệt là điều không thể tránh
khỏi đặc biệt trên thép tấm. Kích thước chiều dày càng mỏng chiều dài gia công
càng lớn thì biến dạng càng lớn. Vì thế thông thường với thép có chiều dày < 5mm,
việc sử dụng cắt gas oxy ít được sử dụng.
Ưu điểm vượt trội của máy cắt gas điều khiển số so với cắt thủ công là chất
lượng sản phẩm, sự đồng đều của sản phẩm trong suốt quá trình cắt. Khi sản xuất
hàng loạt, hàng khối thì sai số cho phép rất nhỏ. Bởi các chu trình cắt được duy trì
bởi các kết cấu dẫn động cố định, có tính ổn định cao. Vì thế việc duy trì tốc độ cắt,
khoảng cách giữa bề mặt phôi và mép cắt được đảm bảo, chất lượng sản phẩm đưa

6
ra sẽ tốt hơn. Được sự hỗ trợ từ máy vi tính việc tối ưu hóa các đường chạy dao sẽ
tối ưu hoàn toàn. Số hóa biên dạng cùng với các thuật toán tối ưu được hỗ trợ bởi
máy tính giúp cho quá trình tối ưu cắt được tốt nhất, tiết diện phôi hao phí sẽ được
tối ưu hóa, tính kinh tế được nâng lên.
1.3. So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt
Để so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp trong cắt bằng nhiệt, bảng
dưới đây cung cấp một số đặc điểm cơ bản, của 03 phương pháp cắt phổ biến hiện
nay là cắt bằng Laser, Gas - Oxy và Plasma.
Bảng 1.2. So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma
Cắt Laser Cắt Gas Oxy Cắt Plasma
Về vật liệu cắt
Cắt được hầu hết vật liệu
bằng kim loại (trừ các kim
Chỉ cắt được sắt carbon và
loại có độ phản quang cao Cắt được tất cả các loại
hợp kim sắt thấp
như nhôm và đồng) và phi kim loại.
kim như nhựa, kính, gỗ. Cắt được hợp kim có độ
Không cắt được hợp kim nóng chảy khác nhau.
có độ nóng chảy khác
nhau
Về chiều dày vật liệu cắt
Cắt được kim loại có độ Cắt được sắt có độ dày từ Cắt được kim loại có độ
dày < 12mm 8 - 300mm dày lên đến 50mm
Tốc độ cắt
Nhanh hơn cắt Gas Oxy,
nhưng chậm hơn cắt Tốc độ chậm nhất Tốc độ cắt nhanh nhất
Plasma
Chất lượng đường cắt
Chất lượng đường cắt đẹp Đường cắt hơi bị nghiêng
từ 3 - 10 độ đối với nguồn
Chất lượng đường cắt đẹp
và phẳng hơn cắt Plasma
cắt Plasma thường. Từ 0 -
thường nhưng thua cắt
nhất, độ rộng đường cắt 3 độ đối với HD Plasma.
Plasma độ phân giải cao
khoảng 0.2mm Bề rộng đường cắt khoảng
(HD Plasma). Bề rộng
2.2mm. Đối với HD
đường cắt >= 2.2mm

Plasma bề rộng đường cắt

7
Bảng 1.2. So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma
Cắt Laser Cắt Gas Oxy Cắt Plasma
từ 0.4 - 2mm tùy theo độ
dày vật liệu.
Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất
Chi phí đầu tư một máy
cắt Laser CNC 1,5 x 3,0m cắt Plasma CNC 1,5 x
rất cao khoảng từ cắt Gas CNC 1,5 x 3,0 m 3,0m khoảng 20.000$ đối
100.000$ trở lên. chỉ khoảng 15.000$. với nguồn cắt Plasma
Chi phí cho một mét cắt thường. Khoảng 35.000$
cao nhất so với cắt gas và Chi phí cắt khoảng đối với nguồn HD Plasma.
Plasma. Chi phí bảo trì 0.41USD / foot Chi phí cắt khoảng
bảo dưỡng cũng cao hơn. 0.15USD / foot
Phải định kỳ thay thế các Định kỳ thay thế béc cắt Định kỳ thay thế béc cắt
thấu kính và béc cắt và điện cực.
1.4. Lý do chọn đề tài
Cắt kim loại trong nguyên công chuẩn bị phôi có nhiều phương pháp cắt gọt
khác nhau như: Cắt bằng máy cắt thủy lực, cắt bằng đá mài, cắt bằng tia nước, cắt
bằng Plasma, cắt bằng tia lửa điện… Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm
khác nhau. Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam thường để cắt các vật liệu lớn, ở các
công trường việc trang bị các thiết bị cắt thường khó khăn, do sự cồng kềnh của các
loại máy…
Cắt thép bằng khí Gas và Oxy là một trong những phương pháp cắt được sử
dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí
với mục đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt
nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí.
Trang thiết bị bao gồm: bình Oxy, bình Gas, đường ống, đồng hồ đo áp suất,
van an toàn, mỏ cắt và một số chi tiết phụ.
Phương pháp này phát huy hiệu quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết
bị,thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị trí
của công việc. Song trên thực tế việc sử dụng cắt bằng Gas - Oxy thường được sử
dụng thủ công, cắt với các biên dạng đơn giản, chất lượng bề mặt cắt chịu ảnh
hưởng trực tiếp tay nghề của người thợ. Trong một số ngành nghề nhất định cần yêu

8
cầu cao về độ chính xác, đặc biệt các yêu cầu về thẩm mỹ, nghệ thuật. Các chi tiết
mang hình dáng hoa văn, ngoài tính nghệ thuật, kỹ thuật, tính kinh tế khi sản xuất
hang loạt cũng được chú trọng. Trên thực tế phương pháp số hóa đã được phổ biến
trên thế giới song tại Việt Nam để làm chủ được công nghệ và Việt hóa sản phẩm
nhằm mục đích hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất lao động, giảm bớt chi phí
đầu tư cho doanh nghiệp, đặc biệt các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đang gặp nhiều khó
khăn.
Khả năng công nghệ của phương pháp cắt kim loại bằng Gas – Oxy có bàn
máy điều khiển số sẽ là lựa chọn thích hợp khi cần có một phương pháp chuẩn bị
phôi năng suất cao hơn so với cắt bằng xung điện cực, nhưng chính xác hơn cắt thủ
công, đặc biệt trong kỹ thuật gia công hàn các ống áp lực rẽ nhánh.
130
Ø100
16°
Ø194
Ø200
Hình 1.4. Ghép ống bằng mối hàn
Chẳng hạn trong mối hàn ở trên, trước khi tiến hành hàn hai phần ống với
nhau, cần cắt bỏ những phần kim loại trên mỗi ống để chúng có tạo hình phù hợp
trước khi hàn lại, rõ ràng với ưu thế về không gian và năng suất (việc không luồn
được điện cực sẽ không thể cắt trên máy cắt dây) máy cắt gas – oxi điều khiển số là
lựa chọn hợp lý hơn cả, phương pháp này cho chất lượng bề mặt thích hợp để ghép
các mặt bằng mối hàn.
Một ưu thế nữa của cắt Gas – Oxy điều khiển số là chiều dày phôi có thể lên
đến 300 mm với mạch cắt có bề rộng khoảng 4mm, kích thước chiều dài mà máy
cắt dây, cắt Plasma khó đảm nhiệm được. Trong phương pháp sử dụng đá mài khó
có thể tạo hình chính xác các cung cong cũng như tiêu hao dụng cắt rất lớn. Bên

9
cạnh đó máy cắt gas còn có ưu thế không cần thoát dao như máy cắt dây và nó cắt
được các tấm lớn mà không phụ thuộc bàn máy như máy cắt dây.
Đặc thù của các phương pháp cắt nhiệt nói chung cắt Gas – Oxy nói riêng,
khi cắt không tạo ra động lực lớn. Điều này được thấy rõ nhất khi so sánh giữa
phương pháp phay tiện, hay cắt bằng tia nước, kết cấu thân máy, cơ cấu dẫn động
phức tạp hơn. Dẫn tới các chi phí chế tạo máy tăng lên, cho dù có kết cấu dẫn động
tương đương.
Đối với trường dạy nghề đặc biệt với nghề Hàn, việc sử dụng phương pháp
cắt Gas- Oxy được sử dụng phổ biến nhằm tạo phôi bài tập cho học sinh được tốt
hơn, hiệu quả hơn. Để tạo một số lượng phôi kích thước bằng nhau, số lượng lớn
nếu cắt trong một khoảng thời gian ngắn sẽ rất khó khăn, độ chính xác không cao.
Việc ứng dụng số hóa trong việc chuẩn bị phôi liệu tại thực tế của trường và các
doanh nghiệp trong việc sử dụng phương pháp cắt bằng Gas - Oxy rất cần thiết.
Máy cắt gas-oxy với sự điều chỉnh công suất của mỏ cắt thích hợp còn cho
phép khắc các họa tiết đơn giản trên mặt kim loại.
Trên cơ sở phân tích trên, tác giả đã chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
MÁY CẮT GAS - OXY ĐIỀU KHIỂN SỐ”.

10
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY
Dựa vào các đặc tính của máy cắt Gas – Oxy đang chế tạo, có thể xem máy
cắt Gas - Oxy điều khiển số là một robot. Theo định nghĩa: Robot công nghiệp là
một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp
các chương trình đặt ra các hệ trục tọa độ; có khả năng định vị, đinh hướng di
chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, đầu cắt… theo những hành trình thay
đổi chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau(Theo tiêu
chuẩn AFNOR của Pháp). Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả
năng làm việc của robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và
chức năng của tay người, tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng,
nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử
dụng tay máy, cần quan tâm đến các thông số hình - động học, và những thông số
liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số
bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật
nâng, lực kẹp . . .
2.1. Bài toán động học robot
Robot công nghiệp là một thiết bị điều khiển nhiều trục đồng thời, bài toán
động học robot được nghiên cứu trên hai phương diện chính là tổng hợp động học
và phân tích động học. Trong đó bài toán tổng hợp động học giải quyết các vấn đề
về số lượng, kiểu, kích thước của các khâu (link) và các khớp (joint) hợp thành
chuỗi động học (chain). Bài toán phân tích động học có hai nội dung là động học
thuận và động học ngược. Nghiệm của bài toán động học ngược là một trong các
thông tin quan trọng để điều khiển robot hoạt động, trong đó cần quan tâm đến tốc
độ hình thành lời giải và độ chính xác của lời giải bài toán ngược vì những yếu tố
này quyết định chất lượng điều khiển cũng như khả năng điều khiển thời gian thực.
2.1.1. Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian
Mỗi robot đều nhận gốc tọa độ của mình làm chuẩn, các bản thiết kế cũng
nhận gốc tọa độ bản vẽ làm chuẩn. Để robot hiểu các tọa độ trên bản vẽ cần đồng

11
nhất cho robot một điểm chuẩn. Vì thế cần chuyển đổi các điểm giữa các không
gian để máy có thể định nghĩa đúng vị trí theo yêu cầu bản vẽ.
Bất kỳ một cấu hình một tay robot nào cũng là tập hợp của các khâu (Links)
gắn liền với các khớp (Joints). Cấu trúc tay máy thiết kế có cấu trúc tương đương
với robot có cấu trúc chuỗi hở. Đối với robot chuỗi hở, vị trị và hướng của khâu
chấp hành cuối luôn được thể hiện thông qua các khâu thành phần nhờ việc gắn tọa
độ lên mỗi khớp cho đến tay máy. Để máy có thể hiểu tại vị trí và chuyển vị chính
xác tới các điểm trong phạm vi hoạt động cần gắn cho máy một hệ tọa độ. Xét một
cấu hình robot như sau:
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ
giữa các điểm trong không gian
Trong đó:
Ai ma trận mô tả khâu thứ i so với khâu thứ (i-1).
Véc tơ X mô tả vị trí của đồ gá trong hệ quy chiếu cơ sở.
Véc tơ E mô tả vị trí gá đặt phôi gia công trong đồ gá.
Véc tơ R mô tả quỹ tích các điểm mút dụng cụ trên phôi gia công.
ODG là gốc hệ tọa độ đề các gắn với đồ gá.
OV gốc hệ quy chiếu gắn với vật, hình thành cùng với quá trình thiết kế của nó.
O0 Gốc hệ quy chiếu cơ sở gắn với giá của robot.

12
Nếu lấy điểm O0 gốc của hệ quy chiếu cơ sở làm chuẩn mô tả, đối tượng mô
tả là điểm P mút dụng cụ. Vì mút dụng cụ trong quá trình làm việc cần trùng với
quỹ đạo gia công trên phôi nên có thể viết được quan hệ này dưới dạng phương
trình vòng véc tơ như sau:
A1.A2…An.T = X.E.R (2.1)
Trong phương trình trên nếu đồ gá di động ma trận X cần cập nhật, nếu đồ gá
đứng yên ma trận X không cần cập nhật. Nếu đồ gá mang nhiều chi tiết E cần thay
đổi để mô tả điều này, R luôn luôn thay đổi để chỉ dẫn vị trí và hướng thao tác công
cụ cho robot nên nó cần cập nhật. Toàn bộ vế phải mô tả trong không gian công tác
và dữ liệu do phần công nghệ xác định. Vòng véc tơ trên có đặc điểm đi qua tất cả
các hệ quy chiếu có mặt trên sơ đồ.
Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của khâu chấp hành là hàm của các
biến khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của phép chuyển đổi:
n
T n Ai1
(2.2)
i
i1
Trong đó: Ai
i
1
với i = 1n, là ma trận chuyển đổi giữa hệ toạ độ thứ i đến
hệ i-1, xác định theo quy tắc Denavit-Hartenberg (DH); n là số biến khớp (bậc tự
do) của robot.
Vị trí và hướng của khâu chấp hành được xác định từ quỹ đạo cho trước:
Tn
nx sx ax px
n
y
s
y
a
y
p
y
nz sz az pz
0 0 0 1
(2.3)
Trong đó: 0
Tn f (q1 , q2 ,..., qn ) ; q1 qn các biến khớp; n, s, a là các vec tơ chỉ
phương; p là véc tơ chỉ vị trí; Oxyz là hệ toạ độ gốc.
Chuyển đổi các điểm trong không gian hệ tọa độ giúp cho robot có thể định
nghĩa và chuyển vị chính xác theo yêu cẩu của hệ điều khiển.
2.1.2. Lựa chọn các khớp của máy

13
Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản :
• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thông
thường tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thường ký hiệu là T
(Translation) hoặc P (Prismatic).
• Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có
các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của
Robot là robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ
độ góc (phỏng sinh) ...
Đối với phương pháp cắt Gas – Oxy như đã trình bày ở trên, chủ yếu sử dụng
để cắt thép tấm, đầu cắt luôn hướng theo phương thẳng đứng vuông góc với bàn
máy vì thế vùng công tác yêu cầu của máy được giới hạn như hình
Hình 2.2. Vùng không gian làm việc của tay máy
Để có thể hoạt động trong vùng công tác này có thể sử dụng khớp quay và
khớp tịnh tiến. Đơn giản nhất và tiết kiệm nhất là sử dụng khớp tịnh tiến.
Bởi vì trên phương diện lý thuyết các khớp có thể tương đương nhưng trên
thực tế việc sử dụng các khớp quay sẽ tạo nên các lực ngoài mong muốn. Khiến bàn
máy có độ đứng vững không cao do các lực quán tính. Khi quán tính lớn cần thiết
kế các công suất động cơ lớn hơn, bàn máy cần độ đứng vững cao dẫn tới chi phí
sản xuất, chế tạo sẽ tăng lên.
Việc dẫn động bằng các kết cấu tịnh tiến giảm được các sai số do chuyển vị
gây ra bởi các lực quán tính…

14
Sử dụng khớp tịnh tiến làm cho việc gia công các chi tiết dễ dàng đạt yêu cầu
kỹ thuật hơn gia công các khớp quay.
Tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ
độ gốc (cấu hình T.T.T) được xem là robot kiểu tọa độ Đề các.
2.1.3. Phương trình động học robot 3 khâu (Bài toán thuận):
Đối với việc giải quyết động học bài toán trên, cần mô hình hóa cấu hình
thực tế của thiết bị và tính toán trên lý thuyết. Được robot 3 khâu như hình vẽ:
Hình 2.3. Mô hình hóa bàn máy thành Robot 3 khâu (TTT)
Thiết lập bảng thông số DH như sau:
Khâu qi αi ai di
1 0 900
a1 d1*
2 -900
-900
a2 d2*
3 0 0 a3 d3*
Trong đó dấu (*) dùng để chỉ biến khớp. Trên mô hình chỉ vẽ thể hiện hằng
số a2, các hằng số a1 tương tự.
Ma trận An được biết như sau:

15
cos q  sin q.cos sinq.sin a.cos q
A0

sinq cosq.cos - cosq.sin a.sin q 
(2.5)
 
n  0 sin cos d 

0 0 0 1

 
Dựa vào ma trận (2.5) lần lượt có ma trận chuyển đổi cho mỗi khâu như sau:
1 0 0 a1 001 0  1 0 0 a3

0010  
1 0 0  a  
0 1 0 0 
A
1 0 d
 A
0 1 0 d
2 A
0 1 d

1 0  2   3 0 

0 0
1 
0 0 0
2  
0 0
3
0 1  1  0 1
Ma trận tổng hợp chuyển đổi tọa độ là:
T3 A1.A2.A3
1 0 0 a1  0 0 1 0 1 0 0 a3 

0010

1 0 0  a 0 1 0 0 
T

0 1 0 d
2 
3 0 1 0 d  0 0 1 d 
 1
0 0 0
2  3
0001  1 000 1
1 0 0 a1  0 0 1 d3 

0010

1 0 0 a  a 
T

0 1 0
2 3
3 0 1 0 d  d 
 1
0 0 0
2 
0001  1 
 0 0 1 a1 d3 
 0 1 0  d 
T
0  a
2 
3 1 0  a d 

0 0 0
2
1
3 1
 
Ta có hệ phương trình động học của robot như sau:
nx 0
ny 0
nz1
sx 0
sy 1

16
sz 0
ax1
a y 0
az 0
px a1 d3
pyd2
pz d1 a2 a3
2.1.4. Giải bài toán động học bằng phương pháp số
2.1.4.1. Cơ sở lý thuyết:
Đây là phương pháp mới để giải phương trình động học robot áp dụng
phương pháp giảm Gradien tổng quát GRG (Generalized Reduced Gradient) sử
dụng công cụ Solver trong MS_Excel. Ưu điểm của phương pháp này là khả năng
tính toán với khối lượng lớn, thời gian đáp ứng nhanh chóng và kết quả có độ chính
xác cao và ứng dụng cho hầu hết các cấu hính khác nhau của robot. Cơ sở của
phương pháp này xuất phát từ việc giải quyết các bài toán tối ưu hóa trong kỹ thuật.
Mục tiêu của điều khiển động học là đảm bảo độ chính xác về vị trí và hướng
của khâu chấp hành cuối. Như vậy cần xác định các biến khớp sao cho thỏa mãn sai
số về vị trị theo yêu cầu đặt ra là bé nhất.
Vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối được xác định từ quỹ đạo cho
trước:
0
Tn
nx sx ax px ny sy
ay py nz sz az pz
0 0 0 1
0

An (2.11)
Ma trận chuyển đổi tổng hợp có dạng:

17
A0

n
a
11
a
12
a
13
a
14
a
21
a
22
a
23
a
24
a
31
a
32
a
33
a
34
0 0 0 1
(2.12)
Các thành phần aij với i,j =13 là các cosin chỉ phương của n,s,a; a14, a24, a34
lần lượt là các thành phần chiếu lên hệ oxyz của p.
Kết hợp (2.11) và (2.12) ta có:
nx a11
n y
 a
21

nz  a31
s x
 a
 12
s
y
 a
22


s
z a
32
(2.13)
a x
 a
 13
a y a23
  a
33

a
z
 p
x
 a
 14

p
y
 a
24

 a34

p
z
Bài toán tối ưu xác định các giá trị biến khớp là:
F = f(q1,q2,…qn) -> min
Trong đó:
q
i D;
; D: không gian khớp.
i1 n
Từ (2.12) viết lại phương trình dưới dạng tương đương như sau:

18
nx a11 0
n y
 a
21
 0

nz  a31 0
s x
a  0
 12
s
y
 a
22
 0


s
z  a32 0
(2.14)
a x
 a  0
 13
a ya23 0

 a33 0

a
z
 p
x
 a  0
 14
 p y a24 0

 a34 0

p
z
Bình phương 2 vế của hệ phương trình trên và cộng vế theo vế ta được:
nx a112
ny a212
nz a312
s xa122
sy a222
sz a322
ax a132

 a ya232
az a332
px a142
py a242
pz a342
 0
Rõ ràng vế trái không âm nên giá trị nhỏ nhất của vế trái bằng không, tương
đương với hệ phương trình (3.12) được thỏa mãn. Đặt F là hàm số ở vế trái:
Fnx a112
n y a212
nz a312
s xa122
s y a222
sz a322
ax a132

 a ya232
az a332
px a142
p y a242
pz a342

Đây là loại hàm dạng Rosenbrock - Banana. Nếu F tiến tới không hay hội tụ thì kết
quả bài toán càng chính xác.
2.1.4.2. Tính toán cho cánh tay TTT
Vì khâu cuối là một đầu cắt, không thể hiện khả năng cầm nắm chi tiết nên
không xét đến ma trận định hướng (3x3). Chỉ quan tâm đến véctơ vị trí (px,py,pz)
như sau:
px a1 d3
pyd2
pz d1 a2 a3
Chuyển vế trái sang vế phải, bình phương 2 vế và cộng vế theo vế được hàm
mục tiêu cho quá trình tối ưu như sau:

19
F a1 d3 px2
d2 py2
d1 a2 a3 pz2
Trong đó:
F1a1 d3 px2
F 2d2 py2
F3d1 a2 a3 pz2
Giao diện chương trình Excel tự lập tính toán tối ưu để tìm ra các giá trị biến
khớp được minh họa như hình dưới:
Hình 2.4. Kết quả sử dụng hàm Solver trên Excel
Trong đó: a1,a2,a3 và px,py,pz là các số liệu đã biết nhập từ bàn phím;
d1,d2,d3 là các biến khớp cần tìm.
2.1.5. Xác định sai số định trước (bài toán ngược)
Giả sử sai số định trước nằm trong mặt cầu giới hạn bởi bán kính bằng
0,1mm. Có nghĩa là đầu bét phun được phép dịch chuyển trong giới hạn quả cầu sai
số đó. Đặt hệ trục tọa độ lên quả cầu như hình vẽ và cắt các trục Ox, Oy, Oz tại các
điểm 2, 4, 1, 3, 5, 6. Do đó sẽ tiến hành khảo sát bài toán trên 6 điểm này mà không
mất đi tính tổng quát của bài toán.

20
Hình 2.5. Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu bép cắt
Trên cơ sở xác định sai số định trước, giải bài toán động học bằng phương
pháp số, hoàn toàn xác định đước các biến khớp d1,d2,d3.
Kết quả giả bài toán ngược bằng công cụ Solver-Excel được trình bày như
bảng dưới:
Điểm
1 2 3
d1 d2 d3 px py Pz F
1
28.99999923 -200.0000012 145.0000014 150 200 21 3.91574E-12
29.0000025 -200.0000041 145.0999938 150.1 200 21 6.12703E-11
29.00000022 -200.0000008 144.9000007 149.9 200 21 1.16174E-12
28.99999914 -200.1000009 145.000001 150 200.1 21 2.61721E-12
29.00000453 -199.900012 144.9999826 150 199.9 21 4.66825E-10
29.09997409 -200.0000049 145.0000018 150 200 21.1 6.9814E-10
28.89999211 -200.0000015 145.0000023 150 200 20.9 6.96041E-11
2
25.99999882 -65.00000033 45.00000097 50 65 18 2.4281E-12
25.99999801 -65.00000049 45.10000146 50.1 65 18 6.33562E-12
25.99999828 -65.00000044 44.90000131 49.9 65 18 4.87003E-12
26.00000141 -65.10000017 44.99999928 50 65.1 18 2.54554E-12
26.00000143 -64.90000036 44.9999995 50 64.9 18 2.41482E-12
26.10000167 -65.00000045 44.99999942 50 65 18.1 3.3304E-12
25.90000135 -65.00000019 44.99999935 50 65 17.9 2.28905E-12
3
31.99999251 -188.0000031 25.00000958 30 188 24 1.57368E-10
31.99999085 -188.0000068 25.10001356 30.1 188 24 3.13941E-10
31.99999384 -188.0000006 24.90000373 29.9 188 24 5.21365E-11
31.99998987 -188.1000017 25.00000825 30 188.1 24 1.73695E-10
31.9999932 -187.9000035 25.00000991 30 187.9 24 1.56568E-10
32.10001419 -188.0000144 24.99999985 30 188 24.1 4.08468E-10
31.90000968 -188.0000094 25.00000349 30 188 23.9 1.95109E-10
4
26.99999092 -91.99999507 244.9999952 250 92 19 1.2989E-10
26.99998734 -91.99999191 245.0999905 250.1 92 19 3.1544E-10

21
Điểm
1 2 3
d1 d2 d3 px py Pz F
26.99998809 -91.99999252 244.8999916 249.9 92 19 2.68825E-10
26.99999165 -92.09999055 244.9999895 250 92.1 19 2.68274E-10
26.99998965 -91.90001175 244.9999967 250 91.9 19 2.55768E-10
27.10002535 -91.99999911 253.9999857 259 92 19.1 8.47802E-10
26.90001419 -91.99999552 253.999991 259 92 18.9 3.02914E-10
Hình 2.6. Trích kết quả sau khi sử dụng hàm Solver trên Excel
Nhìn vào cột d1, d2, d3 của bảng tính nhận thấy, nếu đảm bảo sai số dịch
chuyển của đầu bét phun là ±0.1mm thì bàn trượt cần phải dịch chuyển một lượng
. Quả
cầu sai số có đường kính càng nhỏ thì lượng dịch chuyển d1, d2, d3 càng bé, đồng
nghĩa với việc chọn động cơ dẫn động có bước càng bé, yêu cầu cơ cấu chuyển
động phải đảm bảo độ phân giải. Do đó, giải bài toán ngược có vai trò to lớn trong
việc điều khiển robot và tính chọn năng lực của thiết bị khi thiết kế máy (động cơ,
cảm biến dịch chuyển …).
2.1.6. Kích thước máy
Trong điều kiện nhất định là thiết bị phục vụ giảng dạy tại cơ sở nên kích
thước máy thiết kế được chọn như sau:
Hành trình cắt lớn nhất 800 x 800 x 100 mm
2.1.7. Đặc tính lực
Máy cắt Gas – Oxy sử dụng phương pháp cắt bằng nhiệt cắt cho nên không
phải tính toán đến lực va đập khi cắt như máy phay hay máy tiện. Chỉ cần quan tâm
tới momen lực do động cơ quay gây ra. Phần momen lực này có thể xử lý bằng các
chân đế khử rung động máy, cùng với hệ thống khung sườn có tính đứng vững cao.
Cụ thể sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo.
Tải trọng trên toàn bộ máy dự tính khoảng ~ 150 KG
2.2. Xây dựng kiến trúc chức năng máy
2.2.1. Kiến trúc cơ - điện
Trong máy công cụ điều khiển theo chương trình số, sự chuyển động của đầu
cắt đã được số hóa qua các thiết bị truyền động, nhưng để đạt được độ chính xác

22
như mong muốn thì trong hệ thống của máy điều khiển số vẫn cần phải hiệu chỉnh
chuyển động nhờ một bộ truyền động điều chỉnh.
Truyền động điều chỉnh của một máy công cụ tự động là phải tạo điều kiện
cho bàn máy chạy dao thực hiện theo một chương trình làm việc cho trước.
Do đó truyền động hiệu chỉnh cần phải thực hiện các chức năng sau:
- Đi tới một vị trí với một độ chính xác cao.
- Đi tới một vị trí xác định với một tốc độ cao nhất có thể nhằm loại bỏ bớt
khoảng thời gian không cần thiết.
Ngoài ra đối với điều khiển chép hình và điều khiển phi tuyến do tính chất
đường là phức tạp, tồn tại nhiều đường cong bậc cao và để gia công những mặt bậc
cao này đòi hỏi phải thông qua việc điều chỉnh tốc độ.
Chính vì thế nếu thực hiện được các nhiệm vụ trên thì không phải các khâu
truyền động đều có cùng một mức độ như nhau mà là kết hợp từ nhiều dạng.
2.2.1.1. Trục Z
Hình 2.7. Sơ đồ kết cấu điện cơ khí trục Z
Trên hình là kết cấu cơ khí - điện của trục Z, kết cấu bao gồm 01 động cơ
(motor) được kết nối với trục vitme bi (Ball Screw) qua khớp nối (Coupling), đầu
cắt gá lên trục vitme được dẫn hướng bởi thanh trượt và con trượt (Linear guide).
Dưới đây là một số thông số của trục Z

23
Tổng trọng lượng của bàn gá đầu cắt và đầu cắt m=8(kg)
Tốc độ trục Z tối đa Vmax = 15mm/s
Lực tác dụng thêm FA= 20N(do áp suất khí trong
ống gây ra)
Chiều dài trục vitsme bi Lb= 150mm
Đường kính vitme bi Db=15 mm
Bước tiến vitme bi Pb=10 mm
Khoảng dịch chuyển vitme khi quay được 1 vòng Ab=10 mm
Hiệu suất của vitme
Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo vitme
Hệ số ma sát tĩnh
Hệ số ma sát bề mặt
Thời gian hoạt động 7h/ ngày
Tốc độ quay của đầu trục: NG=
Bởi vì vận tốc của 4 cực của động cơ tại tần số 60 Hz là 1450 ~ 1550 r/min.
vì vậy tỉ số truyền được tính bởi
Chọn
Tính toán momen xoắn TM(N.m)
Lực dọc hướng dịch chuyển: F = FA+ m.g(sin
Lực không tải của trục vít
Momen tải :
TL= = 1.753*2=3.5(N.m)
Từ đây có thể chọn động cơ phù hợp.[10]

24
2.2.1.2. Trục X
Hình 2.8. Kiến trúc cơ khí trục X, Y
Hình 2.8 trên bố trí kết cấu cơ khi của 02 trục X và Y cả 02 trục X, Y có
đường di chuyển dài hơn và tương đương nhau vì thế cùng sử dụng chung kiến trúc
cơ điện.
Hình 2.9. Kiến trúc cơ điện trục X
Thông số trục X
Tổng trọng lượng trục Z và m=15(kg)
đầu cắt
Tốc độ trục X tối đa Vmax = 110 mm/s
Lực tác dụng thêm FA= 20N(do áp suất khí trong ống gây ra)
Hệ số ma sát bề mặt µ=0,3
Đường kính bánh răng tải D = 50mm
Trọng lượng bánh răng m2= 0,2 kg
Hiệu suất dẫn động

25
2.2.1.3. Trục Y
Hình 2.10. Kiến trúc cơ điện trục Y
Tổng trọng lượng trục X và Z m=35(kg)
Tốc độ trục Y tối đa Vmax = 110 mm/s
Lực tác dụng thêm FA= 20N(do áp suất khí trong ống gây ra)
Hệ số ma sát bề mặt µ=0,3
Đường kính lô cuốn D = 50mm
Trọng lượng lô cuốn m2= 0,2 kg
Hiệu suất dẫn động
Công suất động cơ : 200W
2.2.2. Kiến trúc điện tử + điều khiển tự
động Sơ đồ nguyên lý điều khiển 3 trục
Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý điều khiển phối hợp các điều khiển

26
Trên hình 2.11 Nguyên lý điều khiển, main boar chịu trách nhiệm nhận tín
hiệu điều khiển từ computer thông qua cổng RS 232, RS 485, hoặc USB từ đó điều
khiển các bộ phận khác như Driver động cơ, Driver động cơ chịu trách nhiệm điều
khiển trực tiếp các động cơ. Hoặc các tín hiệu đầu ra khác như đánh lửa điện, đèn…
Ngoài nhiệm vụ chuyển thông tin điều khiển từ máy tính xuống các ngõ ra,
Mainboar còn chịu trách nhiệm nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi phản hồi xử lý
tín hiệu như các nút bấm, các công tắc hành trình…
2.3. Một vài dạng nội suy bậc cao cơ bản
Cơ sở để điều khiển máy cắt Gas – Oxy là giải bài toán động học thuận và
động học ngược. Nhưng trên thực tế dữ liệu của bài toán là rất lớn. Đặt ra vấn đề
cần có những phương thức để rút ngắn thời gian giải bài toán động học, và mô hình
hóa chính xác các dữ liệu để điều khiển các động cơ. Bộ nội suy có nhiệm vụ giảm
chi phí tính toán cho các thuật toán, giúp điều khiển robot một cách chính xác trong
khoảng thời gian nhỏ nhất.
2.3.1. Khái niệm, nhiệm vụ của bộ nội suy
Để hiểu rõ hơn về bộ nội suy, chức năng, nhiệm vụ cách thức hoạt động
trước tiên đi vào một số vấn đề cơ bản sau.
2.3.1.1. Khái niệm chung
Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số những đường tác
dụng giữa dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển trên nhiều trục.

27
Y
P1
P
11
Gi¸ trÞ®Çu vµo
P12
P1, P2, P3
xi;
y
i P
13
Néi suy th«
P
14
C¸c ®iÓm trung gian
P11, P12, P13, ... P2
Néi suy tinh
P
21
P
22
xi yi
P3
X
Hình 2.11. Nội suy trong chuyển động phi tuyến.
Để sản sinh một đường cong trên một máy điều khiển theo chương trình số,
giữa các chuyển động trên từng trục riêng lẻ phải có một quan hệ hàm số (điều
khiển phi tuyến). Các điểm tựa phải nằm dày đặc đến mức sao cho đường cong mô
tả chính xác và không có vị trí nào vượt qua vùng dung sai cho phép. Trái với các
hệ điều khiển đơn giản như dạng điều khiển điểm và đường thì số dữ liệu cần thiết
là rất lớn.
Nội suy chỉ có thể làm việc theo nguyên tắc số. Nó có thể được thực hiện
bằng các mạch logic nối cứng (chương trình hoá các mỗi liên hệ NC) hoặc bằng các
phần mềm nội suy được lập trình (CNC). Trên hình 2.11, đường cong nội suy được
thực hiện ở hai mức: Mức thứ nhất được thực hịên nhờ một phần mềm nội suy xác
định toạ độ các điểm trung gian giữa điểm đầu và điểm cuối của một đoạn biên dạng
đã được đưa ra trước trong chương trình (P1, P2, P3) còn mức thứ hai là nội suy
chính xác, thực hiện tiếp theo nội suy tuyến tính giữa các điểm trung gian (P11,
P12, P13,..). Bộ nội suy thực chất là một máy tính phát hàm số, nó đưa ra các lệnh
thích hợp với điều khiển ban đầu, điều khiển chạy dao trên các trục tọa độ riêng lẻ,
trùm lên một quỹ đạo cong cho trước theo mong muốn.
2.3.1.2. Nhiệm vụ của bộ nội suy
- Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho
trước trong một giới hạn dung sai xác định cho trước.

28
- Có thể nội suy một cách thích hợp với các yếu tố biên dạng đòi hỏi. Thông
thường những yếu tố biên dạng cơ bản có trong các chi tiết kỹ thuật là những đoạn
thẳng và những đường cong. Tương ứng với thực tế đó, các bộ điều khiển số thường
chỉ giới hạn trong bộ nội suy tuyến tính và bộ nội suy vòng.
- Tốc độ đưa ra tọa độ vị trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho
trước.
- Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước
chương trình.
2.3.1.3. Bộ nội suy trong, bộ nội suy ngoài
Bộ nội suy về cơ bản là một máy tính đơn chức. Tùy theo bộ nội suy nằm
trong hay ngoài tủ điều khiển của máy, tức là xử lý bên trong hay bên ngoài máy và
được gọi là bộ nội suy trong hoặc bộ nội suy ngoài.
Ở bộ nội suy ngoài, có các thiết bị xử lý số dùng vào việc chương trình hóa
đảm nhiệm luôn chức năng nội suy. Trong trường hợp này vật mang chương trình,
phải chứa thông tin toàn bộ các điểm riêng lẻ của đường cong. Vật mang tin được
dùng chỉ có thể là băng từ hoặc chương trình xử lý bằng nối ghép trực tiếp, không
cần bộ nhớ trung gian.
Ưu điểm của nội suy ngoài là ở chỗ, nội suy có khả năng phục vụ nhiều máy
và tiêu hao trên bản thân mỗi máy giảm đáng kể.
Nội suy trong đòi hỏi cho mỗi máy phải có riêng một cụm điện toán. Chỉ có
những điểm tựa mang tính đặc trưng của đường cong còn như các dữ liệu về dạng
nội suy là được chương trình hóa. Vì vậy ngay có phương tiện cổ điển bằng đột lỗ
cũng đủ để làm vật mang tin. Bộ nội suy trong sẽ sản sinh ra vô số các điểm trung
gian. Tốc độ tính toán được xác định bởi tốc độ chuyển động chạy dao trên máy
công cụ.
Để xét tính tối ưu của các phương pháp dựa vào các chỉ tiêu sau: Trên
phương diện kinh tế, khả năng tiện lợi khi sử dụng công cụ thiết kế kỹ thuật và được
xác định trước hết bởi phạm vi của thiết bị điều khiển số. Đến nay các máy CNC
đều làm việc phổ biến với bộ nội suy trong. Tuy nhiên trong các hệ thống gia công
điều khiển số lớn hơn thì việc điều khiển trực tiếp nhờ một máy tính xử lý quá trình
kinh tế hơn. Máy tính này cũng thực hiện chức năng nội suy ngoài.

29
Về mặt kỹ thuật vấn đề nội suy có thể được giải quyết bằng các thiết bị điện
toán làm việc theo kiểu số hoặc kiểu tương tự. Bộ nội suy làm việc kiểu tương tự thì
đơn giản trong chế tạo nhưng chứa đựng nhiều nhược điểm của kỹ thuật tương tự,
nhất là độ chính xác rất hạn chế. Do vậy khoảng cách các điểm tựa (điểm trung
gian) phải được chương trình hóa dày đặc hơn nhiều so với bộ nội suy làm việc kiểu
số.
Do sự đòi hỏi có độ chính xác cao cho những chiều dài đoạn nội suy lớn
ngày nay chỉ còn dùng bộ nội suy làm việc kiểu số .
2.3.2. Một số dạng nội suy
2.3.2.1. Phương pháp nội suy thẳng
Hình 2.12. Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA
A. Điểm khởi xuất; E. Điểm đích; L. Chiều dài quãng đường; U. Tốc độ
chuyển động hình thành; VX, VY. Tốc độ chuyển động trên các trục X và Y.
Mép đầu cắt cần chuyển động giữa điểm khởi xuất PA và điểm kết thúc
PEtheo một đường thẳng với tốc độ chạy dao u xác định. Trong thời gian T = L/u,
các đoạn đường thành phần ( xE – xA ) và ( yE – yA ) phải được thực hiện.
Để tính toán giá trị cần về vị trị hay tọa độ vị trí các điểm trung gian cần
được tính như một hàm số theo thời gian dưới dạng phương trình đường thẳng:

30
x(t) x A 
V
x
.dt

x
A
xE  xA
.dt
T
0 0
 y
y(t) y A 
V
y
.dt

y
A 
yE A
.dt
T
0 0
Ở đây thời gian T được chia thành các khoảngt
T
N đủ nhỏ, phép tích
phân cho phép thay bởi phép cộng số:
x(t) x(n.t) x
A
xE x A.n
N n = 1, 2, 3, ……., N
yE y A
y(t) y(n.t) y
A
 .n
N
Với mỗi bước cộng, giá trị về vị trí lại tăng thêm một bước bằng hằng số.
Để đảm bảo độ chính xác của biên dạng nội suy, các bước cộng buộc phải
nhỏ hơn số đơn vịf của truyền động chạy dao:
f x,y max
xE x
A N
hoặcf x,y max
yE y A
N
Trên các máy công cụ điều khiển số, thông thườngf 0,001mm .
Với các dữ liệu đưa vào bộ nội suy xE, yE, xA, yA, u,f , lập được sơ đồ khối
của nội suy tuyến tính được tính toán theo phương pháp DDA.

31
Hình 2.13. Sơ đồ khối phương pháp nội suy theo phương pháp DDA[4]
Ví dụ: Xác định các thống số nội suy của chi tiết khi chạy từ điểm PA đến
điểm PE như trên hình vẽ:

32
80
65
35
16
0
Y Y
PE
Pn
PA
X X
W
100
15
1
6
5
3
90
7
0
Hình 2.14. Nội suy tuyến tính của chi tiết
Với chi tiết được gia công như trên hình 2.14, các giá trị nội suy cho chuyển
động tuyến tính PA đến điểm PE phải được xác định.
Suất đơn vị của truyền động chạy dao trên mỗi trục làf 0,001mm .
Toạ độ của các điểm gốc của biên dạng, tính theo gốc W là:
PA: xPA = 16; yPA = 35.
PE: xPE = 53; yPE = 65.
Chiều dài của biên dạng cần nội suy:
L  (xPE xPA )2
 ( yPE yPA )2
L  (5316)2
 (65 35)2
 47,634(mm)
Thời gian nội suy:
T L

47,634.60  23,817(s)
u 120
Đại lượng tối thiểu của N:
max của
x
PE x
PA
hoặc max của
z
PE z
PA
phải1m hay 0,001
N N
mm,
N 
53
16
 37000
min 0,001
N được làm tròn đến lũy thừa mũ 10 tiếp theo, do đó N = 100000 và khoảng
thời gian cho mỗi bước cộng là:
tT

23,817  0,2389(s)
N 100000
Tần số nội suy f từ đó được xác định:

33
f 
1
t 4,202(kHz)
Giá trị của các điểm Pn trong khi nội suy sẽ là:
n x
PE
 x
PA
xn x
PA

1 N
với1  n N
n y  y
PE PA
yn y
PA

N
1
2.3.2.2. Nội suy vòng
Phương pháp nội DDA cũng được ứng dụng trong nội suy vòng:
Giả sử cần chạy cắt một đường cong, mét con dao chạy từ điểm khởi xuất PA
đến điểm đích PE với thời gian chuyển động từ PA đến PE là T. Các điểm trung gian
trên biên dạng phải được xác định từ bộ nội suy trong mỗi quan hệ, phụ thuộc vào
thời gian chạy cắt được thể hiện trên hình 2.14
Phương trình chuyển động của các điểm trung gian P(x, y):
x R.cos
y  R sin
Trong đó:
R: Bán kính của đoạn cong.
 : Tốc độ góc.
P
T
E P(x, y)
R
t
V
P
 A
M X
Hình 2.15.Nội suy vòng.

34
PA: Điểm khởi xuất; PE: Điểm đích; P: Điểm thuộc đường cong; T: Thời gian
chuyển động từ PA đến PE; t: Thời gian chuyển động từ PA đến P; V: Tốc độ chạy
dao.
Đường cong giới hạn đi từ điểm PA đến điểm PE với một tốc độ chạy dao
không đổi V. Diễn tả thông số cần thiết của phương trình đường cong trong sự phụ
thuộc thời gian có thể rót ra từ tốc độ góc.
o

V
 R
với vận tốc góc không đổi,
 
V
R .t
Lấy tích phân theo thời gian, có các tốc độ thành phần trên từng trục riêng lẻ
như sau:
dx
V
.R sin
V
.y
dt R R
Từ đó rút ra các phương trình tích phân tương ứng là:
x  xA
V
R.y.dt
y yA
V
R.x.dt
Với độ chính xác đủ dùng, phép tích phân trên có thể thay thế bởi phép cộng
các gia số đường dịch chuyển:
x  xA
V
R.y.t
y yA
V
R x.t
Ở đây thời gian chạy toàn vòng T được chia thành các khoảng thời gian thích
hợpt thông qua một tần số chu kỳ f
T được tính như sau:t 1
fT
Với:

35
V
.y.
1
x
R fT
V
.x.
1
y
R fT
Do đó phương trình trên sẽ là:
x  x Ax
y y Ay
Trong đóx,y , là những gia số cần cộng lại trong các bộ tích phân.
Nội suy tuyến tính các gia số là không đổi, nội suy vòng các giá trịx,y
biến thiên theo các toạ độ chạy x và y. Điều đó được thực hiện bởi đầu racủa mỗi bộ
tích phân được dẫn động trở lại đầu vào của bộ tích phân khác. Khi phát ra mỗi xung
thì các gia số này có thể được cộng vào hay trừ đi chính nó với giá trị đã tồn tại trong
bộ ghi. Nội suy vòng theo phương pháp DDA thường xuất hiện một sai lệnh, vì các bộ
tích phân làm việc theo công thức hình chữ nhật. Mỗi điểm tính toán thông qua nội suy
vòng không nằm chính xác trên đường cong mà nằm ở những điểm lân cận của đường
cong, sai lệch sẽ tăng lên cùng với chiều dài nội suy. Để khắc phục nên chia các đoạn
cong thành các đoạn cong nhỏ xem chúng như đoạn thẳng.
2.4. Kết luận
Trong chương này đã làm rõ vấn đề thiết kế động học của máy đó là việc dựa
vào xây dựng và giải bài toán động học thuận và ngược. Việc ứng dụng giải bài toán
động học thuận và bài toán động học ngược bằng phương pháp GRG với các công
cụ khác nhau giúp rút ngắn thời gian và đảm bảo độ tin cậy.
Xây dựng được kiến trúc chức năng của máy. Hiểu rõ về phương thức , bản
chất và nhiệm vụ của bộ nội suy trong điều khiển robot nói chung và trong chế tạo
máy cắt Gas- Oxy điều khiến số nói riêng.

36
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
Khi đã giải được bài toán động học của robot (bài toán thuận và bài toán
ngược) nhiệm vụ còn lại là tính toán lựa chọn các trang thiết bị phù hợp đảm bảo
trên thực tế bài toán động học ngược có sai số nằm trong khoảng cho phép như đã
trình bày trong chương 2. Một trong những yếu tố quyết định đó là độ phân giải của
động cơ. Trong chương này sẽ trình bày tính toán lựa chọn thông số động cơ phù
hợp với yêu cầu thiết kế chế tạo.
3.1. Điều khiển trục x
3.1.1. Tính toán tần số đáp ứng
Giải thích một số ký hiệu sử dụng tính toán:

37
Hình 3.1. Cơ cấu truyền động trục x
(3) ; (4)
(5) ; (6)
Tính toán tần số đáp ứng
Xác định số xung điều khiển
Tính tần số phát xung f
Hình 3.2. Mối tương quan tần số phát xung và thời gian Tốc
độ vận hành =
3.1.2. Điều khiển trục Y

38
Trục Y có chiều dài hành trình bằng với trục X, kết cấu truyền động, dẫn
động như nhau nên tính toán tương tự như trên.
3.1.3. Điều khiển trục Z
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển trục Z
Tương tự tính cho hai trục X, Y
Tốc độ vận hành =
3.2. Liên kết ngoại vi của máy
3.2.1. 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 là byte nối tiếp
còn bit song song. Cho đến nay cổng song song có mặt ở hầu hết các máy tính PC

39
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 lường 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 làmbiến dạng tín hiệu. Khoảng cách giới
hạn là 8m, thông thường chỉ cỡ 1,5 – 2m. 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 độ truyền đạt 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, nên nghĩ
đến khả năng truyền qua cổng nối tiếphoặc USB. Một điểm cần lưu ý là: việc tăng
khoảng cách truyền dữ liệu qua cổngsong song không chỉ làm tăng khả năng gây lỗi
đối với đường dữ liệu được truyềnmà còn làm tăng chi phí của đường dẫn.
3.2.2. 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 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)

40
- 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 thêm phần cứng để cho phép hoạt động ở tốc độ cao
hơn. Như đã biết cổng LPT là thiết bị giao tiếp chuyên dụng giữa máy tính với máy
in, nên bài dưới đây 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 chỉ việc đặt lại tên chân, còn ý nghĩa,chức năng từng chân tín
hiệu của LPT không đổi.
Hình 3.4. Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT)
- Cổng LPT trên máy tính.
o 8 chân D0- D7 là các chân OUTPUT của thanh ghi DATA.
o 5 chân S3- S7 là các chân INPUT của thanh ghi STATUS.
o 4 chân C0- C3 là các chân OUTPUT của thanh ghi CONTROL
Qua cách mô tả chức năng của từng tín hiệu riêng lẽ có thể nhận thấy các
đường 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 riêng lẽ của các ký tự cần in. Từ
cách mô tả các tín hiệu và mức tín hiệu 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 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
máytính sang máy in. Trong những trường hợp này, khi chuyển sang các ứng

41
dụng để thực hiện nhiệm vụ đo lường phải chuyển dữ liệu từ mạch ngọai vi vào máy
tính để thu thập và xử lý.
Vì vậy 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 có thể ghép
nối các thiết bị ngoại vi, các mạch điện ứng dụng trong đo lường và điều khiển với
cổng song song phải tìm hiểu cách trao đổi với các thanh ghi thông qua cách sắpxếp
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. 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. Có thể nhận thấy các địa chỉ thanh
ghi nằm kế tiếp nhau.

42
Chức năng mặc định của các chân LPT do Mach3 xuất tín hiệu.
Bảng 3.1. Danh mục kết nối boar mạch đệm mach3 với các tín hiệu điều khiển
Như vậy tín hiệu điều khiển được ứng dụng dựa vào 2 mức 0 và 1. Khi điều
khiển động cơ có các vấn đề cần quan tâm như sau:
Điều khiển chiều động cơ và điều khiển tốc độ động cơ.
Tốc độ động cơ phụ thuộc vào số xung được truyền tải xuống Driver động cơ
bước hoặc động cơ Sevor.

43
Hình 3.5. Sơ đồ điều khiển động cơ
servo Bảng 3.2. Ký hiệu chức năng công CN1
Số Ký hiệu Chức năng Số Ký hiệu Chức năng
1 V+ Nguồn tín hiệu ra 11 SD Bảo vệ
2 ALM Báo hỏng 12 SG
3 PF Báo vị trí kết thúc 13 CR Clear
4 OP Xung pha Z 14 LSN Phanh đảo nghịch
5 SG 15 LSP Phanh thường
7 NP Chiều quay động cơ 16 V5 Nguồn kết nối
8 NG Chiều quay động cơ 17 SON Servo mở
9 PP Điều khiển vị trí 19 OPC Nguồn mở tự chọn
10 PG Điều khiển vị trí 20 V24 Nguồn 24V

44
Hình 3.6. Sơ đồ kết nối CN1 trên Driver động cơ Mishubishi MR C20A [7]
Việc kết nối giữa động cơ và driver đã được các nhà sản xuất cung cấp cho
khách hàng qua các cuốn Catalog.
Việc truyền dữ liệu từ phần mềm qua cổng LPT cần qua 1 boar mạch có
nhiệm vụ truyền và nhận tín hiệu giữa động cơ, các thiết bị ngoại vi như cảm biến,
công tắc hành trình và máy vi tính. Bo mạch này được gọi là bo mạch đệm.
Hình 3.7. Sơ đồ khối vị trí Boar mạch đệm

45
Hình 3.8. Boar mạch đệm mach3 thực tế
+ Input signal là các ngõ vào như: Công tắc hành trình, Egmecy, cảm biến…
+ Power In: Nguồn chính cung cấp cho Boar hoạt động 24VDC
+ Power input: nguồn cung cấp cho các ngõ vào input bao gồm GDN –
5VDC – 12 VDC
+Output: X, Y, Z, A ngõ ra điều khiển các trục XYZ
+Output Relay: Điều khiển các ngõ ra khác vi dụ đánh lửa, tưới nguội, nâng
hạ chiều cao…
Như đã trình bày ở trên kết nối giữa Driver động cơ và bo mạch đệm mach 3
chỉ sử dụng 4 đường tín hiệu bao gồm 2 mức tín hiệu điều khiển hướng quay của
động cơ (mức cao mức thấp), 2 đường điều khiển vị trí (mức cao mức thấp).
Khi kết nối với driver động cơ servo ở trên chỉ kết nối các chân của bo mạch
đệm với 04 chân số 7,8,9,10 (NP,NG,PP,PG) trên ngõ vào CN1 của Driver.
Tương tự với việc kết nối động cơ, driver khác cũng kết nối tương tự vơi
boar đệm mach3 kết nối các dây tín hiệu điều khiển chân xung, và chân chiều
(pulse, direction).

Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc

Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc

Similar to Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc (19)

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍

More from Dịch vụ viết thuê đề tài trọn gói ☎☎☎ Liên hệ ZALO/TELE: 0973.287.149 👍👍 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Luận văn thạc sĩ - Thiết kế, chế tạo máy cắt gas – oxy điều khiển số.doc