Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển arm

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Mong muốn: + Thiết kế máy gia công tự động những chi tiết phức tạp và giảm giá thành + Ngoài ra nhóm thấy đươ ̣c những ưu điểm lớn của dòng vi xử lý arm cor

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

THIẾT KẾ MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

GVHD: TS TRƯƠNG NGỌC ANH SVTH: NGUYỄN VĂN HÙNG MSSV: 11141387

SVTH: TRẦN VĂN OANH MSSV: 11141152

Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2016

S K L 0 0 4 1 9 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

Đề tài: THIẾT KẾ MÁY CNC

SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

GVHD: TS TRƯƠNG NGỌC ANH

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

SINH VIÊN: NGUYỄN VĂN HÙNG

MSSV: 11141387 TRẦN VĂN OANH MSSV: 11141152

MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU

4.2.2.1 Phương án phôi cố định 20 4.2.2.2 Phương án phôi di chuyển 20 3.2.3 Lựa chọn cơ cấu chuyển động 21

2 Phương án dùng đai 22 3.2.4 Phần khung máy trên thiết kế: 23 3.2.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 24

3.2.5.1 Khối điều khiển 25 3.2.5.2 Khối hiển thị giao tiếp với người dùng 26

3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 28

2 Chương trình con khởi tạo hệ thống 30

3 Chương trình con khởi tạo step motor 31

4 Chương trình con điều khiển bằng tay 32

5 Chương trình con xóa file 33

6 Chương trình con show file 34 3.4 Tạo file 3D từ file ảnh bmp Và file G-code 35 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39

PHẦN A GIỚI THIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCMCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp.HCM, ngày.01.tháng.11.năm 2015

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên: Trần Văn Oanh MSSV: 11141152

Nguyễn Văn Hùng MSSV: 11141387 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông

Hệ đào tạo: Đại học chính quy

Khóa: 2011

I TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM

II NHIỆM VỤ

1 Các số liệu ban đầu:

+ Lý thuyết điện tử trong quá trình học

+ Tài liệu tham khảo dự án mã nguồn mở GRBL

+ Lý thuyết vi xử lý nâng cao

2 Nội dung thực hiện:

+ Tìm hiểu tổng quan máy CNC trên thị trường

+ Tìm hiểu cơ cấu phần khung máy

+ Thiết kế mạch điều khiển cho máy

+ Tạo file G-code, kiểm tra hoạt động của máy

+ Viết báo cáo

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 1/11/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/1/2016

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths Trương Ngọc Anh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCMCỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Khoa Điện - Điện Tử Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ Môn Điện Tử Công Nghiệp

Tp.HCM, ngày.01.tháng.11.năm 2015

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ tên sinh viên 1:……….Trần Văn Oanh

Lớp:……….111411DT1B MSSV:…… 11141152

Họ tên sinh viên 2: ………Nguyễn Văn Hùng

Lớp:……….111411DT1A MSSV:…… 11141387

Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM Tuần Ngày Nội dung Xác nhận GVHD 1

1/10/2015 đến 4/10/2015 Nhận đề tài , tìm hiểu nội dung đề tài 2

5/10/2015 đến 11/10/2015 Tìm hiểu phần cứng dựa trên những yêu cầu của đề tài như: Vít me, gối đỡ, động cơ bước, động cơ phay (spindle), ray trượt,… 3

12/10/2015 đến 18/10/2015 Xây dựng phần cứng Vật liệu làm khung,tìmhiểu thông số phần cứng (thông số động cơ),… 4

19/10/2015 đến 25/10/2015 Xây dựng hoàn thiện phần cứng 5

26/10/2015 đến 1/11/2015 Lựa chọn, vi điều khiển STM F103 thuộc ARM cotex M3, board driver step motor TB6560, LCD 7” MD070SD,… 6

2/11/2015 đến 8/11/2015 Giao tiếp vi điều khiển với LCD, viết giao diện cho LCD 7

9/11/2015

đến

15/11/2015

Hoàn thành 50% quyển báo cáo

8 16/11/2015

đến

22/11/2015 Giao tiếp thẻ nhớ SD với board điều

khiển

Đọc và ghi trên thẻ nhớ SD

9

23/11/2015

đến

29/11/2015 Viết báo cáo

Cấu hình, điều khiển động cơ bước

Viết báo cáo

13/12/2015 Tổng hợp, hoàn thành code, tiến hành

kiểm tra và chạy thử nghiệm

12

14/12/2015

đến

20/12/2015 Kiểm tra sửa lỗi

Viết báo cáo

13

21/12/2015

đến

27/12/2015 Kiểm tra sửa lỗi

Viết báo cáo

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam.Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như: Đức, Nhật và Trung Quốc,

và giá thành các máy CNC đều rất cao.Máy CNC là một thành phần thiết yếu quan trọng trong sản xuất công nghiệp ngày nay Một số lợi ích của máy CNC đó là:

– Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: Người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác Hơn nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống

– Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm:Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

– Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng

Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC” và máy CNC thì được điều khiển bằng mạch MACH3 hoặc mạch CNC USB Controller mà kèm theo đó là 1 máy tính để chạy phần mềm thực thi nên chi phí lớn

Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài “Thiết Kế Và Thi Công Máy CNC

Sử Dụng Vi Điều Khiển ARM ” để giảm chi phí khi phải mua máy CNC của nước ngoài, kèm theo đó là mạch điều khiển ARM thay thể cho 1 máy tính Mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã giảng dạy chúng em nhiệt tình và truyền đạt kiến thức chuyên môn hữu ích, đó là nền tảng để chúng em phát triển sau này

Cảm ơn gia đình, cha mẹ đã là nguồn động viên to lớn về vật chất và tinh thần trong suốt thời gian học hành, để có được tương lai, theo đuổi ước mơ và sự nghiệp

Đặc biệt cảmơnTh.S Trương Ngọc Anh nhiệt tình chỉ bảo về kiến thức chuyên môn cũng như tạođiều kiện để nhóm hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp

Cuối cùng xin chúc gia đình, bạn bè và quý thầy, cô nhiều sức khỏe và thành công trong mọi việc

Xin chân thành cảm ơn!

Nhóm thực hiện đề tài

Trần Văn Oanh Nguyễn Văn Hùng

MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU

4.2.2.1 Phương án phôi cố định 20 4.2.2.2 Phương án phôi di chuyển 20 3.2.3 Lựa chọn cơ cấu chuyển động 21

2 Phương án dùng đai 22 3.2.4 Phần khung máy trên thiết kế: 23 3.2.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 24

3.2.5.1 Khối điều khiển 25 3.2.5.2 Khối hiển thị giao tiếp với người dùng 26 3.3 LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƯƠNG TRÌNH 28

2 Chương trình con khởi tạo hệ thống 30

3 Chương trình con khởi tạo step motor 31

4 Chương trình con điều khiển bằng tay 32

5 Chương trình con xóa file 33

6 Chương trình con show file 34 3.4 Tạo file 3D từ file ảnh bmp Và file G-code 35 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39

LIỆT KÊ HÌNH VẼ

Hình 2.1: Các sản phẩm được gia công từ máy CNC Trang 10

Hình 3.1 :Máy đục khắc gỗ CNCVHS1825-6 Trang 15

Hình 3.2 :Máy khắc BL-6090 Trang 16

Hình 3.3 : Máy CNC mini 30x40, khung nhôm Trang 17

Hình 3.5 :Máy CNC loại bàn máy cố định Trang 18 Hình 3.6 :Máy CNC loại bàn máy di chuyển Trang 19 Hình 3.7 :Vitme bi và đai ốc bi Trang 20 Hình 3.8 :Thanh trượt tròn và con trượt tròn Trang 21 Hình 3.9 :Khớp nối giữa động cơ step và trục chuyển động Trang 22 Hình 3.10: Bộ van kẹp phôi Trang 23 Hình 3.11: Hình chiếu các mặt của máy CNC Trang 23 Hình 3.12: Hình mô phỏng phần khung máy CNC hoàn chỉnh Trang 24 Hình 3.13: Sơ đồ khối của hệ thống Trang 25

Hình 3.20: Board STM32F103VCT6 Trang 26 Hình 3.21:Sơ đồ kết nối chân GLCD và Touch với vi điều khiển Trang 27

Hình 3.27: Lưu đồ chương trình chính Trang 29

Hình 3.28: Lưu đồ chương trình con khởi tạo hệ thống Trang 30

Hình 3.29: Lưu đồ chương trình con khởi tạo step motor Trang 31

Hình 3.30: Lưu đồ chương trình con điiều khiển bằng tay Trang 32

Hình 3.31: Lưu đồ chương trình con xóa file Trang 33

Hình 3.32: Lưu đồ chương trình con show file Trang 34

Hình 3.43: Logo trường được lưu ở dạng ảnh bmp Trang 35

Hình 3.44: Lựa chon kích thước size trước khi tạo hình 3D Trang 35

Hình 3.45: Hiển thị hình nổi trong của sổ 3D View Trang 36

Hình 3.46: Làm mịn (làm nhẵn) file 3D Trang 37

Hình 3.47: Sau khilàm mịn (làm nhẵn) file 3D Trang 38

Hình 3.48: Xuất file G-code Trang 38

Hình 4.1: Phần khung máy Trang 40

Hình 4.2: Phần khung máy chính Trang 41 Hình 4.3: Giao diện giao tiếp với người dùng Trang 41

Hình 4.4: Hình trước khi gia công và sau khi gia công Trang 42

LIỆT KÊ BẢNG

Bảng 2.1.So sánh ARM7TDMI-S và Cortex-M3 (100MHz - TSMC 0.18G) Trang 15 Bảng 3.1.Tổng hợp các đề tài về CNC trong nước Trang 13 Bảng 3.2.Thông số kỹ thuật máy khắc BL-6090 Trang 17

Bảng 3.3.Thông số kỹ thuật và phụ kiện đi kèm của máy CNC mini 3040 Trang 18 Bảng 3.4.Thông số kỹ thuật của dao khắc 3D Trang 24

PHẦN B NỘI DUNG

CHƯƠNG I DẪN NHẬP

Ngày nay với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử với sự

ra đời nhiều dòng vi xử lý của nhiều hãng điê ̣n tử nổi tiếng như STMicro electronics, Microchip, Atmel, Intel…Ra đời nhiều dòng vi xử 8 bit, 16 bit, 32 bit được ứng du ̣ng

rô ̣ng rãi trong công nghiê ̣p và đời sống Hãng STMicoelectronics đưa ra thị trường nhiều vi điều khiển 32 bit trên nền bô ̣ xử lý cortex -M3 hiê ̣u suất cao dễ dàng sử du ̣ng

và phát triển ứng dụng một cách nhanh chóng, giảm chi phát triển và năng lượng tiêu thụ

1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Mong muốn:

+ Thiết kế máy gia công tự động những chi tiết phức tạp và giảm giá thành + Ngoài ra nhóm thấy đươ ̣c những ưu điểm lớn của dòng vi xử lý arm cortex -M3 hiệu suất cao và dễ dàng sử dụng, có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống điều khiển khác nhau một cách hiệu quả

Nên nhóm cho ̣n đề tài “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY CNC SỬ DỤNG VI

ĐIỀU KHIỂN ARM ” sử du ̣ng vi điều khiển STM32F103 VCT6

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

+ Phần khung máy, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

+ Vi điều khiển (board STM32F103VCT6)

+ Động cơ bước

+ Mạch điều khiển động cơ bước

+ Động cơ phay 1 pha

+ Màn hình TFT LCD và SD card…

1.4 DÀN Ý NGHIÊN CỨU

+ Tiến hành tìm hiểu đưa ra các giải pháp hoạt động của máy

+ Thiết kế và thi công phần khung của máy CNC

+ Thi công mạch điều khiển động cơ bước

+ Thiết kế giao diện điều khiển và lập trình trên board ARM cotex M3

+ Kết nối các khối điều khiển

+ Điều khiển thử nghiệm

+ Cân chỉnh máy CNC

+ Viết báo cáo

+ Báo cáo đề tài tốt nghiệp

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC

2.1.Khái quát về các máy CNC

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng máy tính

để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công

a Lịch sử

Mặc dù máy tiện chế biến gỗ đã được sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhưng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới được Henry Maudslay phát minh vào năm 1800 Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công (hay phôi) trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này, vì vậy một công cụ cắt có thể gia công bề mặt theo đường mức mong muốn Công cụ cắt này được nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái tay quay hay vô lăng Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công

cụ cắt theo số lượng hợp lý Mỗi chi tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự và với cùng kích thước

Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay Phôi được lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng

để gia công đường mức của phôi Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818

Những chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục

và đề cập đến 3 trục: “X” ,“Y” và “Z” Bàn làm việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc

Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân viên vận hành phải sử dụng vô lăng để tạo ra mỗi chi tiết Ngoài tính nhàm chán và gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn chế.Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước trục và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp.Mức độ kim loại vụn được tạo ra từ những hoạt động như vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao động Khi số lượng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng Do đó, điều cần thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động Những nỗ lực ban đầu để

“tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết

b Từ thiết kế sơ khai đến hoạt động ngày nay

Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950 Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức

tự động” cho không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay.Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ.Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay

Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy

tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm

có đục một hàng lỗ.Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế

nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một máy giống như máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những “băng giấy” được sử dụng ở những máy tính thời kì đầu, sử dụng như một “chương trình” Kích cỡ của chương trình được xác định bởi độ dài của băng cần phải đọc để sản xuất ra một chi tiết

cụ thể

Câu chuyện về việc kết nối những chiếc máy tính với máy móc sản xuất gây nhiều tò mò và tranh cãi.Nó minh họa cách thức gắn kết giữa ngành công nghiệp, các trường đại học và quân đội trong thế kỉ 20 Câu chuyện cũng cho thấy thật khó để quy ra rằng nhiều sáng tạo là do một cá nhân hay một cơ quan Phân loại ai làm gì, khi nào và với ảnh hưởng gì là một công việc đầy phức tạp

Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons

đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo

ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến

II Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội

Với những tiến bộ trong điện tử tích hợp, băng từ đã bị loại bỏ và nếu có thì chỉ được sử dụng để tải các chương trình vào bộ nhớ từ

Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được Chương

trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, như “M03” – hướng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính tới một vị trí mới hay “G99” – hướng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một quá trình nào đó trong máy Các lệnh mã hóa là phương thức phổ biến nhất để lập trình một công cụ máy CNC.Tuy nhiên, sự tiến bộ trong máy tính đã cho phép các nhà sản xuất công cụ máy tạo ra “lập trình hội thoại”.Trong lập trình hội thoại, lệnh “M03” được nhập đơn giản như

“MOVE” và “G99” là “READ”.Kiểu lập trình này cho phép đào tạo nhanh hơn

và nhân viên lập trình không phải nhớ nhiều ý nghĩa của mật mã Tuy nhiên, cần phải lưu ý rằng hầu hết các máy sử dụng lập trình hội thoại vẫn đọc các chương trình mã hóa, do đó ngành công nghiệp vẫn đặt nhiều niềm tin vào dạng lập trình này

Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi Thiết bị mới nhất

có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chương trình

2.2 Sự phát triển

Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn.Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty.Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định

a.Lịch sử phát triển

Thiết kế hiện đại và nguyên liệu thô : Các thành phần cơ khí của máy phải

đủ cứng và vững để hỗ trợ nhanh chóng các chi tiết chuyển động Trục chính thường là chi tiết vững nhất và được hỗ trợ bởi các ổ trục lớn Dù trục chính có giữ sản phẩm hay dao cụ, đặc tính kẹp tự động cho phép trục chính kẹp và nhả trong khi chương trình đang chạy

Gắn bên sườn máy là một máng chứa nhiều dao cụ khác nhau Một cánh tay vận chuyển, đôi khi có tên gọi là tool bar có nhiệm vụ tháo dao cụ ra khỏi máy, đặt nó vào trong máng, lựa chọn một dao cụ khác từ máng và đưa nó trở lại máy thông qua những chỉ dẫn trong chương trình Thời gian chu kì điển hình để thực hiện thủ tục này là 2 – 8 giây Một số máy có thể chứa tới 400 dao cụ trong những “tổ” lớn, mỗi tổ tự động tải theo trình tự khi chương trình đang chạy

Máng dao : Bệ hay bàn làm việc của máy được đỡ trên các mặt bằng thép

tôi, Gang hay Meehanite được sử dụng làm vật liệu cho các máy gia công kim loại Ngày nay, hầu hết các máy đều tận dụng các mối thép hàn cuộn nóng và rèn

Một số máy được thiết kế như các khoang, có nghĩa là chúng có một nhóm các chi tiết chuyên biệt được thiết kế đế sản xuất Các máy này có các máng dao cụ lớn để có thể chứa đủ dao cụ nhằm thực hiện tất cả các hoạt động khác nhau trên mỗi chi tiết khác nhau, các bàn làm việc lớn hay khả năng thay đổi bàn làm việc và các đồ dự trữ đặc biệt trong bộ điều khiển cho đầu vào dữ liệu từ các máy CNC khác Điều này cho phép lắp ráp máy CNC cùng với các

loại máy có trang bị tương tự thành một khoang gia công linh hoạt, khoang này

có thể sản xuất đồng thời hơn một chi tiết.Mỗi nhóm khoang, có chứa tới 20 hay 30 máy và có tên gọi là Hệ thống gia công linh hoạt Những hệ thống này

có thể sản xuất hàng trăm chi tiết khác nhau ở cùng thời điểm mà không cần con người can thiệp nhiều Một số hệ thống được thiết kế để hoạt động cả ngày lẫn đêm mà không cần giám sát

b Quy trình sản xuất

Cho đến gần đây, hầu hết các trung tâm gia công được chế tạo theo các thông số kỹ thuật của khách hàng Giờ đây, thiết kế công cụ chuẩn hóa cho phép chế tạo các máy để lưu kho và bán sau này vì những thiết kế mới có thể thực hiện tất cả những hoạt động cần thiết của hầu hết người sử dụng.Chi phí của một máy CNC mới dao động trong khoảng 50.000 USD (trung tâm đứng) cho đến 5 triệu USD (hệ thống gia công linh hoạt) Quá trình sản xuất được tiến hành như sau:

Hàn bệ : Bệ máy hoặc là khuôn đúc hoặc là được hàn cùng nhau Sau đó nó

được nhiệt luyện để loại bỏ ứng suất hàn và để “bình thường hóa” kim loại cho quá trình gia công Bệ được gắn cố định vào một trung tâm gia công

Bắt vít me bi : Cơ chế di chuyển bệ hay trục quay được gọi là vít me bi

(ballscrew) Cơ chế này làm thay đổi chuyển động quay của động cơ truyền động thành chuyển động tuyến tính và bao gồm một trục vít (screw shaft) và ổ trục đỡ Khi trục quay, một ổ trục gắn lần theo các đường rãnh hình xoắn ốc trong trục và sản sinh ra một chuyển động tuyến tính chính xác làm quay bàn làm việc ở dưới trục chính hay giá đỡ trục chính Những vít me bi này được bắt vào bệ máy với ổ trục gắn ghép vào bàn làm việc hay giá đỡ trục chính

Lắp trục chính : Trục chính được gia công và gắn vào động cơ truyền

động, rồi sau đó được bắt bùloong vào giá đỡ trục chính di động Đối với hầu hết các trung tâm gia công, mỗi trục chuyển động đều có vít me bi riêng biệt

Bộ điều khiển :Máy tính, hay bộ điều khiển là một bộ phận lắp ráp điện tử

tách biệt hẳn với phần còn lại của máy Nó có một hộp điều hòa khí hậu gắn bên sườn khung máy hay trong bàn điều khiển của vận hành viên Nó chứa đựng tất cả bộ nhớ hoạt động, bảng máy tính, cấp nguồn, và mạch điện tử khác

để làm cho máy hoạt động.Hệ thống dây được phân loại kết nối bộ điều khiển tới động cơ máy và các khe trượt vị trí.Các khe trượt này liên tiếp gửi thông tin

về vị trí trục tới bộ điều khiển, do đó vị trí chính xác của bàn làm việc trong mối quan hệ với trục chính luôn được biết đến Mặt trước của bộ điều khiển có một màn hình video hiển thị thông tin chương trình, vị trí, tốc độ và vật liệu cung cấp cho máy cùng nhiều dữ liệu khác cần thiết cho vận hành viên để giám sát chỉ tiêu của máy Cũng trên panel trước là các phím nhập dữ liệu vào, các cổng kết nối dữ liệu và các công tắc khởi động-dừng

Máy sau khi lắp ráp được chạy thử để kiểm tra độ chính xác.Mỗi máy có những điểm khác biệt về vật lý và những điểm khác biệt này có thể được chỉnh sửa toán học trong hệ điều hành của máy tính.Những giá trị chỉnh sửa này được lưu trữ trong một bộ nhớ riêng biệt và máy sẽ liên tục kiểm tra những giá trị này Khi trung tâm gia công trở nên “mòn” do sử dụng nhiều, những thông số này có thể được hiệu chuẩn lại để đảm bảo độ chính xác Sau khi kiểm tra, chiếc máy hoàn tất sẽ được sơn và chuẩn bị để xuất xưởng

2.3 Điều khiển chất lượng

Chất lượng trong một trung tâm gia công phải được thiết lập ngay từ khâu thiết

kế tới khâu giao hàng và lắp đặt.Chỉ dẫn tỉ mỉ cho vận hành viên cũng quan trọng nhằm ngăn chặn hư hỏng, sự xung đột ngoài ý muốn giữa công việc với dao cụ vì những hư hỏng có thể làm hỏng dao cụ hay hỏng máy.Nhiều bộ điều khiển có những chương trình phụ để hiểu được sự cố đang đe dọa và đưa máy vào chế độ dừng khẩn cấp Tất cả các máy CNC đều được vận chuyển đặc biệt nhằm tránh va đập và được các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm thiết lập cẩn thận tại nhà máy Những hệ số chỉnh sửa ban đầu được ghi lại để tham khảo sau này Sách hướng dẫn

về lập trình, vận hành và bảo dưỡng cũng được cung cấp

2.4 Tương lai

Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ.Một ý tưởng đang được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít me bi lồng vào nhau.Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết chính xác Phải mất vài triệu đô la để phát triển và sử dụng toán học độc quyền cấp độ cao, chiếc máy này hứa hẹn khả năng thực hiện những hoạt động chưa từng nghe thấy trong gia công kim loại Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn.Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty.Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định

2.5 Ưu điểm của máy CNC

a.Tự động hóa sản xuất

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác.Hơn nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống

b.Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm:

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác

và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố

vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm

Hình 2.1: Các sản phẩm được gia công từ máy CNC

c Linh hoạt:

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới.Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng

CHƯƠNG III THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 KHẢO SÁT MÁY CNC HIỆN NAY TRÊN THỊ TRƯỜNG

3.1.1 Tính cấp thiết

 Các máy công cụ là trụ cột của 1 nền kinh tế sản xuất: Nó không những làm ra các sản phẩm mà còn làm ra các thiết bị và hệt hống khác phục vụ cho tất cả các ngành kinh tế Nhu cầu về các thiết bị nói chung ngày càng tăng của các doanh nghiệp trong nước, đặc biệt là trong giai đoạn hội nhập sau khi gia nhập WTO Các doanh nghiệp phải đối mặt với việc cạnh tranh khốc liệt không những ở thị trường nước ngoài mà còn ngay chính ở trong thịt rường trong nước nên các thiết bị sản xuất đóng một vai trò sống còn đối với các doanh nghiệp

 Nâng cao chất lượng sản phẩm hàng hoá Việt Nam:Việt Nam hiện đang xuất khảu hầu hết các nguyên liệu thô (than, dầu, gạo,…) Công nghệ chế biến hầu như chỉ dừng ở mức độ rất thủ công, công nghệ thấp nên hao phí nhiều, chất lượng sau chế biến thấp nên giá thành rất thấp so với các sản phẩm cùng loại do các nước xung quanh chúng ta xuất khẩu Ngoài ra, chất lượng của các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng của chúng ta còn thấp, không đồng đều, không

có độ tin cậy Việc đầu tư các hệ thống chế biến là nhu cầu rất cấp thiết hiện nay nhằm nâng cao chất lượng của sản phẩm , tránh tình trạng bán sản phẩm thô với giá rẻ

 Đảm bảo an ninh công nghiệp: Hầu hết các công nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất nhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vì trong nước không

có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó Máy CNC sẽ là chìa khoá để đảm bảo chúng ta có thể nhanh chóng có thể chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp

 Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực: Không thể có được chất lượng công nhân tốt nếu hàng nghìn học viên mà chỉ có từ 1 đến 2 chiếc máy để thực hành Giá thành cao, đồ thay thế đắt, thầy giáo không được đào tạo bài bản và tâm lý sợ“làm hỏng” các thiết bị đắt tiền đã làm cho việc đưa máy CNC vào đào tạo gặp rất nhiều khó khăn Nếu chúng ta chủ động chế tạo được máy CNC trong nước thì sẽ là điểm tựa để việc đào tạo nhân lực cấp cao được thuận lợi hơn

3.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

- Máy công cụ tự động CNC được dùng để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác Có thể phân loại các máy CNC như sau:

- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): Máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máy mài CNC

- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: Máy xung tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh RP

- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: Máy tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số

- Các máy CNC chuyên dụng phục vụcho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt hoặc đặc biệt: Sản xuất phụtùng ô tô, đồtiêu dùng, sản xuất vũkhí, hoá chất độc hại,…

- Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bịvà dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: Công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ(dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệthông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục

và đào tạo, các thiết bị y học,…

- Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: Khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết

để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử,…

3.1.3 Các đề tài dự án

Để có thể nhanh chóng đưa các sản phẩm máy CNC vào ứng dụng, đề xuất các chủng loại sản phẩm sau thuộc máy CNC để nghiên cứu và phát triển trong giai đoạn 2010 đến 2015 ở bảng sau:

STT Tên sản phẩm CNC Đơn vị Giá trị cần đạt

1 Trung tâm gia công phay ngang tự

- Hệ thống thay dao tự động ổ dao ổ dao Từ16 đến 32

- Góc quay của bàn máy độ 360O độ 360O

2 Trung tâm gia công tiện phay CNC

- Hệ thống thay dao tự động ổ dao Từ4 đến 16

- Tốc độ di chuyển nhanh m/phút trên 15

3 Trung tâm gia công phay tự động

CNC tốc độ cao với các chỉ tiêu chính

- Tốc độ di chuyển nhanh m/phút trên 25

4 Trung tâm gia công phay tự động CNC cỡ lớn có các chỉ tiêu chính nhƣ

- Hệ thống thay dao tự động ổdao Từ24 đến 128

- Tốc độ di chuyển nhanh m/phút trên 15

- Chiều sâu có thểkhoan đƣợc mm đến 1000mm

7 Trung tâm phay CNC nhiều trục kiểu PSK có cấu trúc động học song song

lai chuỗi động hở:

- Tốc độtrục chính rpm 24000

- Tốc độcắt lớn nhất m/phút m/phút +Khi gia công 3 trục mm 720×720×450

(x,y,z) + Khi gia công 5 trục mm 600×600×300

- Bộ điều khiển Siemens Sinumerik

- Hầu hết các sản phẩm công nghệ cao nêu trong bảng trên đều xuất phát từ các

Đề tài NCKH cấp Thành phốvà cấp Nhà nước đã được nghiệm thu đạt kết quả tốt Đây là tiền đề quan trong để nhanh chóng đưa các sản phẩm trên vào sản xuất đại trà cung cấp cho thịtrường

- Nhu cầu của thị trường hiện nay và trong vòng 10 năm tới đối với máy CNC rất cao do việc đầu tư đổi mới và nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp trong nước Các sản phẩm được lựa chọn ở trên là đã có căn cứ vào nhu cầu phát triển trong vòng 10-30 năm tới của các doanh nghiệp cũng như định hướng phát triển của Nhà nước

3.1.4 Máy CNC hiện có trên thị trường

+ Tốc độ không tải: 18m/phút + Tốc độ tối đa: 12m/phút + Tốc độ trục chính: 6000-24000 vòng/phút + Động cơ trục chính: 6×1.5kw động cơ làm mát bằng nước + Bộ chuyển động: Thanh trượt Taiwan