Đồ án Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM (Phần 1)

1. 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 S K L 0 0 4 1 9 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HCMUTE Đề tài: THIẾT KẾ MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ SINH VIÊN: NGUYỄN VĂN HÙNG MSSV: 11141387 TRẦN VĂN OANH MSSV: 11141152 GVHD: TS. TRƯƠNG NGỌC ANH Tp. Hồ Chí Minh, 2/2016
3. MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU TRANG BÌA i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI MỞ ĐẦU v LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ x LIỆT KÊ BẢNG xii PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG I:DẪN NHẬP 2 1.1ĐẶT VẤN ĐỀ 3 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3 1.4 DÀN Ý NGHIÊN CỨU 3 1.5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 4 2.1.Khái quát về các máy CNC 4 2.2. Sự phát triển 7 2.3. Điều khiển chất lƣợng 9 2.4. Tƣơng lai 9 2.5. Ƣu điểm của máy CNC 9 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11 3.1 KHẢO SÁT MÁY CNC HIỆN NAY TRÊN THỊ TRƢỜNG 12 3.1.1. Tính cấp thiết 13 3.1.2. Máy CNC hiện có trên thị trƣờng 15 1. Máy khắc gỗ CNCVHS1825-6 15 2. Máy cnc 6090 - 1 đầu 16 3. Máy CNC 3040 17 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18 3.2.1 Tính toán thiết kế phần cứng 19 3.2.2. Lựa chọn phƣơng án di chuyển cho các trục 19 4.2.2.1. Phƣơng án phôi cố định 20 4.2.2.2. Phƣơng án phôi di chuyển 20 3.2.3. Lựa chọn cơ cấu chuyển động 21 1.Vít me đai ốc 22 2. Phƣơng 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 ngƣời dùng. 26
4. 3.3. LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƢƠNG TRÌNH 28 1.Chƣơng trình chính 29 2. Chƣơng trình con khởi tạo hệ thống 30 3. Chƣơng trình con khởi tạo step motor 31 4. Chƣơng trình con điều khiển bằng tay 32 5. Chƣơng trình con xóa file 33 6. Chƣơng trình con show file 34 3.4. Tạo file 3D từ file ảnh .bmp Và file G-code. 35 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 39 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 40 4.2 KẾT LUẬN 42 4.3 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM. 43 4.4 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 43 PHẦN C: PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo: 45 Phụ lục 46
5. PHẦN A GIỚI THIỆU
6. TRƢỜNG 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 Tp.HCM, ngày 10 tháng 3năm 2016 Xác nhận của Bộ Môn Giáo viên hƣớng dẫn (Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị) Ths. Trương Ngọc Anh
7. TRƢỜNG 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 Xác nhận Tuần Ngày Nội dung GVHD 1/10/2015 1 đến Nhận đề tài , tìm hiểu nội dung đề tài. 4/10/2015 5/10/2015 Tìm hiểu phần cứng dựa trên những 2 đến yêu cầu của đề tài nhƣ: Vít me, gối đỡ, 11/10/2015 động cơ bƣớc, động cơ phay (spindle), ray trƣợt, 12/10/2015 Xây dựng phần cứng . Vật liệu làm 3 đến khung,tìmhiểu thông số phần cứng 18/10/2015 (thông số động cơ), 19/10/2015 4 đến Xây dựng hoàn thiện phần cứng. 25/10/2015 26/10/2015 Lựa chọn, vi điều khiển STM F103 5 đến thuộc ARM cotex M3, board driver 1/11/2015 step motor TB6560, LCD 7” MD070SD, 2/11/2015 6 đến 8/11/2015 Giao tiếp vi điều khiển với LCD, viết giao diện cho LCD. 9/11/2015 7 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.
8. Đọc và ghi trên thẻ nhớ SD. 23/11/2015 9 đến 29/11/2015 Viết báo cáo. Cấu hình, điều khiển động cơ bƣớc. Viết báo cáo. 30/11/2015 Đọc file, xử lý lệnh G-code. đến Viết báo cáo. 10 6/12/2015 7/12/2015 11 đến 13/12/2015 Tổng hợp, hoàn thành code, tiến hành kiểm tra và chạy thử nghiệm. 14/12/2015 12 đến 20/12/2015 Kiểm tra sửa lỗi. Viết báo cáo. 21/12/2015 13 đến 27/12/2015 Kiểm tra sửa lỗi. Viết báo cáo. 28/12/2015 14 đến 3/1/2015 Hoàn thành quyển báo cáo. GV HƢỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên)
9. 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 nƣớc đều là nhập từ một số nƣớc nhƣ: 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 nhƣ may mặc, giày dép, điện tử Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: Ngƣời vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chƣơng trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc và nhƣ vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Hơn nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công đƣợc dự báo chính xác, ngƣời vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao nhƣ 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 đƣợc. Một khi chƣơng trình gia công đã đƣợc kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lƣợng 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 chƣơng trình gia công mới. Đƣợc 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 nhƣ chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC” và máy CNC thì đƣợc 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 nƣớc ngoài, kèm theo đó là mạch điều khiển ARM thay thể cho 1 máy tính. Mong rằng trong một tƣơng lai gần, những máy CNC đƣợc thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lƣợng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nƣớc.
10. 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 đƣợc tƣơng lai, theo đuổi ƣớc mơ và sự nghiệp. Đặc biệt cảmơnTh.S Trƣơng Ngọc Anh nhiệt tình chỉ bảo về kiến thức chuyên môn cũng nhƣ 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
11. MỤC LỤC PHẦN A: GIỚI THIỆU TRANG BÌA i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP iii LỜI MỞ ĐẦU v LỜI CẢM ƠN vi MỤC LỤC vii LIỆT KÊ HÌNH VẼ x LIỆT KÊ BẢNG xii PHẦN B: NỘI DUNG CHƢƠNG I:DẪN NHẬP 2 1.1ĐẶT VẤN ĐỀ 3 1.2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 3 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3 1.4 DÀN Ý NGHIÊN CỨU 3 1.5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 3 CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 4 2.1.Khái quát về các máy CNC 4 2.2. Sự phát triển 7 2.3. Điều khiển chất lƣợng 9 2.4. Tƣơng lai 9 2.5. Ƣu điểm của máy CNC 9 CHƢƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11 3.1 KHẢO SÁT MÁY CNC HIỆN NAY TRÊN THỊ TRƢỜNG 12 3.1.1. Tính cấp thiết 13 3.1.2. Máy CNC hiện có trên thị trƣờng 15 1. Máy khắc gỗ CNCVHS1825-6 15 2. Máy cnc 6090 - 1 đầu 16 3. Máy CNC 3040 17 3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 18 3.2.1 Tính toán thiết kế phần cứng 19 3.2.2. Lựa chọn phƣơng án di chuyển cho các trục 19 4.2.2.1. Phƣơng án phôi cố định 20 4.2.2.2. Phƣơng án phôi di chuyển 20 3.2.3. Lựa chọn cơ cấu chuyển động 21 1.Vít me đai ốc 22 2. Phƣơng 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 ngƣời dùng. 26 3.3. LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT CHƢƠNG TRÌNH 28 1.Chƣơng trình chính 29
12. 2. Chƣơng trình con khởi tạo hệ thống 30 3. Chƣơng trình con khởi tạo step motor 31 4. Chƣơng trình con điều khiển bằng tay 32 5. Chƣơng trình con xóa file 33 6. Chƣơng trình con show file 34 3.4. Tạo file 3D từ file ảnh .bmp Và file G-code. 35 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 39 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 40 4.2 KẾT LUẬN 42 4.3 ĐÁNH GIÁ SẢN PHẨM. 43 4.4 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 43 PHẦN C: PHỤ LỤC Tài liệu tham khảo: 45 Phụ lục 46
13. 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
14. 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
15. PHẦN B NỘI DUNG
16. CHƢƠNG I DẪN NHẬP
17. 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác nhƣ may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: Ngƣời vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp chƣơng trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và nhƣ vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Ngoài ra ít hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công đƣợc dự báo chính xác, ngƣời vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao nhƣ điều khiển máy công cụ truyền thống. Ngày nay với sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp điện tử với sự ra đời nhiều dòng vi xƣ̉ lý của nhiều hañ g điêṇ tƣ̉ nổi tiếng nhƣ STMicro electronics, Microchip, Atmel, Intel Ra đời nhiều dòng vi xƣ̉ 8 bit, 16 bit, 32 bit đƣơc̣ ƣ́ ng duṇ g rôṇ g raĩ trong công nghiêp̣ và đời sống . Hãng STMicoelectronics đƣa ra thị trƣờng nhiều vi điều khiển 32 bit trên nền bô ̣xƣ̉ lý cortex -M3 hiêụ suất cao dê ̃ dàng sƣ̉ duṇ g và phát triển ứng dụng một cách nhanh chóng, giảm chi phát triển và năng lƣợng 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 đƣơc̣ nhƣ̃ng ƣu điểm lớn của dòng vi xƣ̉ lý arm cortex - M3 hiệu suất cao và dễ dàng sử dụng, có thể đƣợc ứng dụng trong nhiều hệ thống điều khiển khác nhau một cách hiệu quả. Nên nhóm choṇ đề tài “ THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY CNC SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN ARM ” sƣ̉ duṇ g vi điều khiển STM32F103 VCT6 1.3 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU + Phần khung máy, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. + Vi điều khiển (board STM32F103VCT6). + Động cơ bƣớc. + Mạch điều khiển động cơ bƣớc. + Động cơ phay 1 pha. + Màn hình TFT LCD và SD card . 1.4 DÀN Ý NGHIÊN CỨU + Tiến hành tìm hiểu đƣa 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 bƣớc. + 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. 1.5 GIỚI HẠN ĐỀ TÀI + Thiế kế máy CNC kích thƣớc nhỏ, tập trung vào đối tƣợng là khắc gỗ. + Khắc đƣợc hình đơn giản 3D. + Ngôn ngữ lập trình G-code cũng nhƣ thuật toán phức tạp nên nhóm chỉ thực hiện đƣợc những lệnh cơ bản.
18. CHƢƠNG II TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC
19. 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 dƣới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nƣớc 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 đƣợc sử dụng từ thời Kinh Thánh, nhƣng chiếc máy tiện gia công kim loại thực tế đầu tiên mới đƣợc Henry Maudslay phát minh vào năm 1800. Nó chỉ đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang đƣợc 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 đƣờng mức mong muốn. Công cụ cắt này đƣợc nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái tay quay hay vô lăng. Độ chính xác về kích cỡ đƣợc nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lƣợng hợp lý. Mỗi chi tiết đƣợc sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự và với cùng kích thƣớc. Chiếc máy phay đầu tiên đƣợc vận hành theo cách thức tƣơng tự nhƣ vậy, ngoại trừ công cụ cắt đƣợc đặt ở trục chính đang quay. Phôi đƣợc lắp trên bệ máy hay bàn làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đƣờng mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những chuyển động đƣợc sử dụng trong các công cụ máy đƣợc gọi là trục và đề cập đến 3 trục: “X” ,“Y” và “Z”. Bàn làm việc cũng có thể đƣợc quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tƣ. 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 thƣớc trục và khi đó, tạo ra những chi tiết không phù hợp.Mức độ kim loại vụn đƣợc tạo ra từ những hoạt động nhƣ vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thô và thời gian lao động. Khi số lƣợng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần thiết ở đây là một phƣơng 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 đƣờng mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành đƣợc hợp đồng phát triển một “máy cắt đƣờng mức
20. 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 đƣợc 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 nhƣ nhân viên vận hành. Các xung điện đƣợc quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. Chúng thƣờng đƣợc gọi là NC hay máy điều khiển số. Một nhà lập trình sản xuất băng từ trên một máy giống nhƣ máy đánh chữ, hay chính xác hơn là những “băng giấy” đƣợc sử dụng ở những máy tính thời kì đầu, sử dụng nhƣ một “chƣơng trình”. Kích cỡ của chƣơng trình đƣợc 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 trƣờng 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 hƣởng 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 ƣơng 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 đƣợc điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký đƣợc hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy đƣợc điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đƣờng mức giống nhƣ những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sƣ 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 đƣợc các nhà nghiên cứu của trƣờng 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 đƣợc sử dụng để tải các chƣơng trình vào bộ nhớ từ. Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ máy tính chƣơng trình. Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu đƣợc. Chƣơng
21. trình có thể bao gồm các lệnh “mã hóa”, nhƣ “M03” – hƣớng dẫn bộ điều khiển chuyển trục chính tới một vị trí mới hay “G99” – hƣớng dẫn bộ điều khiển đọc một đầu vào phụ từ một quá trình nào đó trong máy. Các lệnh mã hóa là phƣơng 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” đƣợc nhập đơn giản nhƣ “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 lƣu ý rằng hầu hết các máy sử dụng lập trình hội thoại vẫn đọc các chƣơng 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, đƣờng kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phƣơng pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dƣới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật đƣợc tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đƣờng vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ hay một chƣơng 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 tƣơng lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn.Tất nhiên, giá của những chiếc máy nhƣ vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vƣợt quá tầm với của nhiều công ty.Tuy nhiên, nó sẽ đƣa 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 thƣờng là chi tiết vững nhất và đƣợc 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 chƣơng trình đang chạy. Gắn bên sƣờn 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 đƣa nó trở lại máy thông qua những chỉ dẫn trong chƣơng 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 chƣơng trình đang chạy. Máng dao : Bệ hay bàn làm việc của máy đƣợc đỡ trên các mặt bằng thép tôi, Gang hay Meehanite đƣợc 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 đƣợc thiết kế nhƣ các khoang, có nghĩa là chúng có một nhóm các chi tiết chuyên biệt đƣợc 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
22. S K L 0 0 2 1 5 4