Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ cnc 4 trục dùng mach3

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

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ CNC
4 TRỤC DÙNG MACH3

GVHD: THS. LÊ HOÀNG LÂM
SVTH: ĐỖ THẾ SƠN
ĐỒNG VĂN SƠN

SKL009736

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 12/2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ
CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3
Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa

Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Lê Hoàng Lâm

Sinh viên thực hiện:

Đỗ Thế Sơn

MSSV: 18151236

Đồng Văn Sơn

MSSV: 18151235

Tp. Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY GỖ
CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3
Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển và Tự Động Hóa
Giảng viên hướng dẫn:

ThS. Lê Hoàng Lâm

Sinh viên thực hiện:

Đỗ Thế Sơn

MSSV: 18151236

Đồng Văn Sơn

MSSV: 18151235

Tp. Hồ Chí Minh, 30 tháng 12 năm 2022


TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ
MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG

----o0o---Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên 1: Đỗ Thế Sơn

MSSV: 18151236

Họ và tên sinh viên 2: Đồng Văn Sơn

MSSV: 18151235

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Hệ đào tạo: Đại học chính quy – Hệ Đại trà
Khóa: 2018

Lớp: 181511A

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên của đề tài: Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ CNC 4 trục dùng Mach3.
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Bộ mơn Tự Động Hố, Khoa Điện - Điện Tử,
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh.
Thời gian thực hiện: Từ ngày 14/09/20122 đến 30 /12 /2022.

II. NHIỆM VỤ:
1. Nội dung tìm hiểu:
- Tìm hiểu nguyên lý, hoạt động và cách điều khiển động cơ Servo.
- Tìm hiểu về các bộ Driver MR-J2S-20A, MR-J3-20A,MR-J3-40A, MR-JE-40A
của hãng Mitsubishi.
- Tìm hiểu về biến tần Mitsubishi E700.
- Tìm hiểu mạch điều khiển CNC Mach3 USB, phần mềm Mach3.
- Tìm hiểu về cơng nghệ CAM, phần mềm thiết kế CAM và G-CODE.
2. Nội dung thực hiện:
- Thiết kế và thi công phần điện.
i

- Giao tiếp được bo mạch CNC Mach3 USB với máy tính qua phần mềm Mach3.
- Tính tốn và cài đặt các thông số cho Servo trên bộ Driver và mạch CNC Mach3
USB trên phần mềm Mach3.
- Điều khiển được các Driver Servo và đáp ứng được các yêu cầu tốc độ thông qua
biến tần.
- Thiết kế mẫu và xuất file G-CODE, điều chỉnh file G-CODE phù hợp.
- Nhận xét và đưa ra hướng phát triển của đề tài.

III. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Lê Hoàng Lâm.
IV. LỜI CAM ĐOAN CỦA SINH VIÊN:
Chúng tôi xin cam đoan đề tài “XÂY DỰNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY
GỖ CNC 4 TRỤC DÙNG MACH3” là cơng trình nghiên cứu của chúng tơi dưới sự
hướng dẫn của ThS. Lê Hồng Lâm.
Các số liệu, kết quả trong Đồ án tốt nghiệp là trung thực và không sao chép từ
bất kỳ nguồn nào khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 12 năm 2022
Nhóm sinh viên
Đỗ Thế Sơn, Đồng Văn Sơn
Giảng viên hướng dẫn xác nhận về mức độ hoàn thành và cho phép được bảo vệ:
………………………………………………………………………………………..
Tp.HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2022
Xác nhận của Bộ Môn

Giảng viên hướng dẫn
(Ký ghi rõ họ tên và học hàm học vị)

ii

LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp đã được nhóm sinh viên hoàn thành trong thời gian 4 tháng tại
trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Trong thời gian này, nhóm
sinh viên đã nhận được sự trợ giúp tận tình từ thầy cơ, bạn bè để đồ án được hoàn thành
một cách tốt nhất.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Lê Hoàng Lâm, giảng viên
khoa Điện – Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã
trực tiếp hướng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡ nhóm về mặt ý tưởng, kiến thức, cơ sở vật chất…
một cách tận tình, tâm huyết để nhóm có thể hồn thành đồ án đúng tiến độ với chất
lượng khả quan nhất.
Chúng em cũng xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Điều khiển
tự động, các thầy cô trong khoa Điện – Điện tử, đã truyền đạt những kiến thức quý báu
qua 4 năm học để chúng em có điều kiện hồn thành tốt đồ án này.
Cuối cùng nhóm sinh viên xin cảm ơn chân thành những anh chị đi trước, các
bạn bè và gia đình đã ủng hộ, giúp đỡ về tinh thần, kình ngiệm trong suốt q trình thực
hiện đồ án.
Nhóm sinh viên
Đỗ Thế Sơn
Đồng Văn Sơn

iii


LỜI NÓI ĐẦU
Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải quyết
vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn (hàng loạt và hàng khối).
Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mơ sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt
nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, địi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao về hiệu
quả sản xuất năng suất lao động; đều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ

thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất.
Máy công cụ - trung tâm gia cơng điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật
vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo
điều kiện linh hoạt hoá và tự động hố dây chuyền gia cơng. Đồng thời làm thay đổi
phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất.
Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và
hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên
doanh. Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà kỹ
thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi.
Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc thiết
kế. Em đã được nhận đề tài "Xây dựng và điều khiển máy phay gỗ CNC 4 trục dùng
MACH3”. Vì lần đầu làm quen với cơng việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng
dẫn của thầy Lê Hồng Lâm nhưng cũng khơng tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa, tài
liệu phục vụ cho công việc thiết kế cịn q ít, thời gian thực hiện đề tài khơng nhiều,
khả năng cịn hạn chế nên chắc trong q trình thiết kế sẽ khơng tránh khỏi những thiếu
sót. Nên rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô.

iv


NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................
..........................................................................................................................................

Xác nhận của GVHD

ThS. Lê Hoàng Lâm

v


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................iii
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... iv
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ........................................................ v
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................. ix

DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... xii
DANH MỤC VIẾT TẮT.............................................................................................xiii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI ...................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu của đề tài............................................................................................... 1
1.3. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 1
1.4. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................... 1
1.5. Giới thiệu bố cục chương .................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 3
2.1. Tổng quan về CNC .............................................................................................. 3
2.1.1. Khái niệm ..................................................................................................... 3
2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ................................................................... 3
2.1.3. Phân loại máy CNC ...................................................................................... 3
2.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của máy CNC ....................................................... 5
2.2. Tổng quan về AC Servo ...................................................................................... 6
2.2.1. Khái niệm ..................................................................................................... 6
2.2.2. Cấu tạo .......................................................................................................... 7
2.2.3. Ứng dụng ...................................................................................................... 8
2.3. Giới thiệu phần cứng ........................................................................................... 9
2.3.1. Driver servo MR-J2S-20A ........................................................................... 9

vi


2.3.2. Driver servo MR-J3-A ................................................................................ 10
2.3.3. Driver servo MR-JE ................................................................................... 11
2.3.4. Bo mạch Mach3 CNC USB........................................................................ 12
2.3.5. Động cơ trục chính Spindle ........................................................................ 14
2.3.6. Biến tần Mitsubishi E700 ........................................................................... 15
2.3.7. Cảm biến APM-D3B1 ................................................................................ 17

2.3.8. Relay trung gian ......................................................................................... 18
2.3.9. Thiết bị đóng cắt CP30-BA ........................................................................ 19
2.3.10. Bộ lộc nhiễu .............................................................................................. 19
2.3.11. Máy biến áp .............................................................................................. 20
2.3.12. Bộ nguồn chuyển đổi ................................................................................ 21
2.3.13. Cầu dao khối (MCCB).............................................................................. 22
2.3.14. Cầu nối dây (Terminal) mở rộng .............................................................. 23
2.4. Giới thiệu phàn mềm ......................................................................................... 23
2.4.1. Phần mềm Mach3 ....................................................................................... 23
2.4.2. CNC CAM và G-CODE/ M-CODE ........................................................... 24
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ................................................................... 26
3.1. Yêu cầu thiết kế ................................................................................................. 26
3.2. Giới thiệu mơ hình ............................................................................................. 26
3.3. Thiết kế phần cơ khí .......................................................................................... 27
3.4. Thiết kế phần điện - điều khiển ......................................................................... 28
3.4.1. Sơ đồ một sợi: thể hiện tổng quan của mô hình ......................................... 28
3.4.2. Sơ đồ đấu dây mạch động lực .................................................................... 28
3.4.3. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo......................................... 29
3.4.4. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-20A và Servo......................................... 29
3.4.5. Sơ đồ đấu dây của driver MR-JE-40A và Servo ........................................ 29
3.4.6. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J2S-20A và Servo ...................................... 30
vii


3.4.7. Sơ đồ đấu dây của board Mach3 ................................................................ 31
3.4.8. Bản vẽ tủ điện ............................................................................................. 32
3.4.9. Bản vẽ chi tiết tủ điện ................................................................................. 32
3.5.Thiết kế mơ hình trên phần mềm Solidwork ...................................................... 33
3.6.Tóm tắt q trình thi cơng .................................................................................. 35
CHƯƠNG 4. ĐIỀU KHIỂN ......................................................................................... 40

4.1. Tóm tắt nguyên lý điều khiển máy vận hành tự động ....................................... 40
4.2. Tính tốn và cài đặt thông số 4 trục trên 4 bộ Driver ........................................ 41
4.3. Cài đặt thông số cho biến tần ............................................................................ 46
4.4. Cấu hình thơng số điều khiển trên phần mềm Mach3 ....................................... 46
4.4.1. Giao diện phần mềm Mach3 ...................................................................... 46
4.4.2. Cài đặt thông số trên phần mềm Mach3 ..................................................... 51
4.5. Thiết kế mẫu và xuất file G-CODE ................................................................... 57
4.6. Vận hành máy .................................................................................................... 62
4.7. Sản phẩm ........................................................................................................... 63
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN ........................................................................ 63
5.1. Phần cơ khí ........................................................................................................ 64
5.2. Phần điện ........................................................................................................... 64
5.3. Sản phẩm ........................................................................................................... 65
CHƯƠNG 6. NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................... 66
6.1. Nhận xét ............................................................................................................. 66
6.2. Hướng phát triển đề tài ...................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 67

viii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2. 1. Máy khoan CNC. ........................................................................................... 4
Hình 2. 2. Máy phay CNC. ............................................................................................. 4
Hình 2. 3. Máy cắt CNC. ................................................................................................ 5
Hình 2. 4. Máy mài CNC................................................................................................ 5
Hình 2. 5. Bộ động cơ AC Servo. ................................................................................... 6
Hình 2. 6. Cấu tạo của động cơ AC servo. ..................................................................... 7
Hình 2. 7. Driver servo MR-J2S-20A. ........................................................................... 9
Hình 2. 8. Driver servo MR-J3-A ................................................................................. 10

Hình 2. 9. Driver servo MR-JE-40A ............................................................................ 11
Hình 2. 10. Bo mạch Mach3 CNC USB. ...................................................................... 12
Hình 2. 11. Bản vẽ sơ đồ phân bố linh kiện trên mạch CNC Mach3 USB. ................. 13
Hình 2. 12. Bo mạch Mach3 USB sau khi kết nối. ...................................................... 13
Hình 2. 13. Động cơ trục chính Spindle. ...................................................................... 15
Hình 2. 14. Biến tần Mitsubishi E700. ......................................................................... 15
Hình 2. 15. Cấu tạo của biến tần. ................................................................................. 16
Hình 2. 16. Cảm biến APM-D3B1. .............................................................................. 17
Hình 2. 17. Relay khối Panasonic. ............................................................................... 18
Hình 2. 18. Relay khối omron. ..................................................................................... 18
Hình 2. 19. Thiết bị đóng ngắt CP30-BA. .................................................................... 19
Hình 2. 20. Bộ lọc nhiễu WYFTH20T1BD Woonyoung ............................................. 20
Hình 2. 21. Máy biến áp NESB300AE21..................................................................... 21
Hình 2. 22. Bộ nguồn Omron S8VS-24024A............................................................... 21
Hình 2. 23. MCCB NF 30-SP. ...................................................................................... 22
Hình 2. 24. Các terminal (cầu nối dây) lắp ghép có khả năng mở rộng. ...................... 23
Hình 2. 25. Giao diện phần mềm Mach3...................................................................... 23
Hình 2. 26. Vài phần mềm CAM thơng dụng. ............................................................. 25
Hình 3. 1. Mơ hình máy CNC 4 trục khắc gỗ............................................................... 26
Hình 3. 2. Các trục của máy CNC. ............................................................................... 27
Hình 3. 3. Sơ đồ một sợi. .............................................................................................. 28
Hình 3. 4. Sơ đồ mạch động lực. .................................................................................. 28
ix


Hình 3. 5. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo.......................................... 29
Hình 3. 6. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J3-40A và Servo.......................................... 29
Hình 3. 7. Sơ đồ đấu dây của driver MR-JE-40A và Servo. ........................................ 30
Hình 3. 8. Sơ đồ đấu dây của driver MR-J2S-20A và Servo. ...................................... 30
Hình 3. 9. Sơ đồ đấu dây của mạch điều khiển – 1. ..................................................... 31

Hình 3. 10. Sơ đồ đấu dây của mạch điều khiển – 2. ................................................... 31
Hình 3. 11. bản vẽ tủ điện............................................................................................. 32
Hình 3. 12. bản vẽ chi tiết tủ điện................................................................................. 32
Hình 3. 13. Thiết kế bàn gá phơi trên Solidwods. ........................................................ 33
Hình 3. 14. Thiết kế thanh trượt trên Solidwods. ......................................................... 33
Hình 3. 15. Thiết kế mặt sau thanh trượt trên Solidwods. ............................................ 34
Hình 3. 16. Thiết kế bàn thép trên Solidwods. ............................................................. 34
Hình 3. 17. Thiết kế mơ hình trên Solidwords. ............................................................ 35
Hình 3. 18. Mơ hình của khố trước. ............................................................................ 35
Hình 3. 19. Mơ hình sau khi tháo gỡ. ........................................................................... 36
Hình 3. 20. Phơi nhơm chưa gia cơng. ......................................................................... 36
Hình 3. 21. Bàn gá phơi khi được gia cơng. ................................................................. 37
Hình 3. 22. 2 thanh trượt sau khi được gia cơng. ......................................................... 37
Hình 3. 23. Lắp ráp cơ cấu. .......................................................................................... 38
Hình 3. 24. Mơ hình sau khi lắp ráp xong. ................................................................... 38
Hình 3. 25. Quá trình lắp đặt tủ điện. ........................................................................... 39
Hình 3. 26. Tủ điện sau khi hồn thành. ....................................................................... 39
Hình 4. 1. Mơ tả sơ lược q trình điều khiển. ............................................................. 40
Hình 4. 2. Hệ tọa độ các trục máy CNC. ...................................................................... 41
Hình 4. 3. Các lựa chọn nhận xung của Driver. ........................................................... 41
Hình 4. 4. Vị trí của Tỉ số Gear trong sơ đồ điều khiển tín hiệu. ................................. 42
Hình 4. 5. Giao diện phần mềm Mach 3....................................................................... 47
Hình 4. 6. Tab điều khiển thủ cơng. ............................................................................. 48
Hình 4. 7. Tab cài đặt. .................................................................................................. 49
Hình 4. 8. Tab kiểm sốt tồn bộ tín hiệu của bo mạch MACH3. ............................... 50
Hình 4. 9. Chế độ MPG/JOG. ....................................................................................... 51
x


Hình 4. 10. Chọn lựa Driver điều khiển. ...................................................................... 52

Hình 4. 11. Các lựa chọn cấu hình trong phần mềm. ................................................... 52
Hình 4. 12. Lựa chọn tần số phát xung 100 kHz tại Tab Port Setup and Axis Selection
...................................................................................................................................... 53
Hình 4. 13. Thiết lập thông số ngõ phát xung cho 4 trục tại Tab Motor Outputs. ....... 53
Hình 4. 14. Thiết đặt thông số ngõ vào tại tab Input Signals. ...................................... 54
Hình 4. 15. Thiết đặt thơng số ngõ ra tại Tab Output Signals. ..................................... 54
Hình 4. 16. Thiết đặt thông số ngõ ra Spindle tại Tab Spindle Setup. ......................... 55
Hình 4. 17. Nhập thơng số motor tuning cho trục X. ................................................... 56
Hình 4. 18. Nhập thơng số motor tuning cho trục Y. ................................................... 56
Hình 4. 19. Nhập thơng số motor tuning cho trục Z. ................................................... 56
Hình 4. 20. Nhập thơng số motor tuning cho trục A. ................................................... 57
Hình 4. 21. File tạo phơi. .............................................................................................. 58
Hình 4. 22. Gốc toạ độ. ................................................................................................. 58
Hình 4. 23. Độ dày phơi. .............................................................................................. 58
Hình 4. 24. Kích thước dao. ......................................................................................... 59
Hình 4. 25. Set Thơng số Collect. ................................................................................ 59
Hình 4. 26. Cài đặt tốc độ. ............................................................................................ 60
Hình 4. 27. Cài đặt phương thức phay.......................................................................... 60
Hình 4. 28. Mơ phỏng q trình chạy dao. ................................................................... 61
Hình 4. 29. Xuất G-code............................................................................................... 61
Hình 4. 30. Chỉnh sửa G-code trên Cimco Edit. .......................................................... 62
Hình 4. 31. Quá trình khắc phơi. .................................................................................. 62
Hình 4. 32. Edit G-CODE. ........................................................................................... 63
Hình 4. 33. Sản phẩm ................................................................................................... 63
Hình 5. 1. Mơ hình CNC 4 trục .................................................................................... 64
Hình 5. 2. Tủ điện ......................................................................................................... 64
Hình 5. 3. Sản phẩm ..................................................................................................... 65

xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 4. 1. Bảng tóm tắt tính tốn thông số cho 4 trục. ................................................ 46
Bảng 4. 2. Bảng cài đặt thông số cho biến tần E700. ................................................... 46
Bảng 4. 3. Cài đặt thông số 4 trục trong Motor Tuning. .............................................. 57

xii


DANH MỤC VIẾT TẮT
STT

VIẾT TẮT

ĐẦY ĐỦ

1

CNC

Computer Numerical Control

2

MDI

Manual Data Input

3

CAM

Computer-Aided Manufacturing

4

CAE

Computer-Aided Engineering

5

MPG

Manual Pulse Generators

6

PLC

Programmable Logic Controller

7

USB

Universal Serial Bus

8

OPTO

Optocoupler

9

IC

Integrated Circuit

10

IN

Input

11

OUT

Output

12

VBscript

Visual Basic Script

13

Pul

Pulse

14

Dir

Direct

15

MIT

Massachusetts Institute of Technology

16

PNP

Positive Negative Positive

17

NPN

Negative Positive Negative

18

Config

Configuration – Cấu hình

19

JOG

Jogging

20

RPM

Revolution Per Minute

21

NO

Normal Open – Trạng thái thường hở của tiếp điểm

22

NC

Normal Close – Trạng thái thường đóng của tiếp điểm

23

EIA

Electronic Industries Alliance

24

DC

Direct Current

25

AC

Alternating Current

26

CB

Circuit Breaker

27

CW

Clockwise

28

CCW

Counterclockwise
xiii


29

OP

Option

30

Lim

Limit

31

OEM

Original Equipment Manufacturer

32

MR-J2S

MELSERVO-J2-SUPER

33

MR-J3

MELSERVO-J3

34

MR-JE

MELSERVO-JE

RS-422

Recommended Standard-422

RS-232C

Recommended Standard-232C

36

Deg

Degree

37

MCCB

Molded Case Circuit Breaker

38

MCB

Miniature Circuit Breaker

35

xiv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Động cơ Servo đã và đang đóng một vai trị rất quan trọng trong ngành công
nghiệp điều khiển tự động. Cùng với sự phát triển không ngừng của nền công nghiệp,
các ngành khoa học kỹ thuật cao thì ngày càng có những yêu cầu cao hơn về chất lượng
và năng suất lao động như là: độ chính xác của sản phẩm, tốc độ hoạt động của máy
móc, khả năng đáp ứng với tần suất cao của hệ thống,…Động cơ Servo có khả năng đáp
ứng được những yêu cầu khắt khe ấy, bởi thế các hệ thống tự động trong các nhà máy
hiện nay đều sử dụng động cơ Servo trong hoạt động của mình, chẳng hạn như: cánh
tay robot, máy CNC, dây chuyền lắp ráp, …
CNC là những động cơ có khả năng chạy chính xác và khả năng điều khiển phối
hợp các động cơ một cách linh hoạt với nhau để tạo ra sản phẩm với tốc độ và độ chính
xác cao nhất. Trong đó động cơ Servo với những ưu điểm như tốc độ quay nhanh,
moment lớn, độ chính xác cao… nên đã được sử dụng phổ biến trong các máy CNC.
Với việc muốn tìm hiểu, nghiên cứu về cách thức hoạt động và cách điều khiển
động cơ Servo, cụ thể là trên máy CNC nhóm sinh viên đã quyết định chọn đề tài ”Xây
dựng và điều khiển máy CNC 4 trục dùng MACH3” với các trục sử dụng động cơ Servo,

để có thể tìm hiểu, nghiên cứu rõ hơn về cách thức hoạt động của động cơ Servo nói
riêng và máy CNC nói chung.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Phay được sản phẩm theo đúng hình dạng và kích thước vật mẫu đã thiết kế.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Nhóm đã tìm hiểu về máy CNC qua những thơng tin trên internet, các sách báo
có nội dung về CNC và các quan sát thực tế bên ngồi. Cùng với đó, nhờ sự hướng dẫn
của giảng viên đã giúp nhóm chúng tơi có những hướng nghiên cứu rõ ràng hơn để có
thể hồn thành đề tài.
1.4. Đối tượng nghiên cứu
Cơ khí:

1


- Cơ cấu các trục vitme (trục X,Y, Z) gắn trực tiếp với động cơ Servo hoặc
thông qua hộp số (trục A).
- Các chi tiết phần cứng khác: mặt bàn phay, khối đế máy, chốt định vị,
van kẹp phôi.
Điều khiển:
- Driver servo MR-J2S-20A, MR-J3-40A, MR-J3-20A, MR-JE-40A điều
khiển động cơ Servo.
- Bo mạch CNC Mach3 USB điều khiển bằng phần mềm Mach3.
- Biến tần Mitsubishi E700.
1.5. Giới thiệu bố cục chương
Phần cịn lại của đề tài có nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan về đề tài.
Chương này sẽ giúp chúng ta khái quát được đề tài như: đặt vấn đề, mục
tiêu đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Chương này sẽ trình bày các kiến thức liên quan như: CNC, Servo, bo
mạch CNC Mach3 USB, phần mềm Mach3, G-CODE và các thiết bị khác dùng
để hỗ trợ điều khiển CNC.
Chương 3: Thiết kế và thi cơng mơ hình.
Chương này sẽ trình bày chi tiết từ việc thi cơng mơ hình, lắp đặt các thiết
bị, bố trí trong tủ điện.
Chương 4: Điều khiển.
Chương này sẽ trình bày về chi tiết các bước để điều khiển máy CNC có
thể thực hiện theo yêu cầu từ việc thiết lập các thông số và xuất G-CODE ra phần
mềm Mach3 để thực hiện q trình gia cơng.
Chương 5: Nhận xét và hướng phát triển đề tài.
Chương này sẽ trình bày các kết quả đạt được khi thực hiện đề tài, sau đó
sẽ kết luận khi hồn thành mơ hình cũng như tạo ra sản phẩm, cuối cùng đưa ra
hướng phát triển đề tài.
2


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Tổng quan về CNC
2.1.1. Khái niệm
CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy điều khiển bằng máy tính
với mục đích sản xuất các bộ phận phức tạp bằng cách sử dụng các chương trình viết
bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Quá trình
điều khiển để máy di chuyển theo các hướng thẳng và cong bất kì được điều khiển bằng
máy tính cơng nghiệp hoặc điều khiển chun dụng. Máy CNC có thể làm việc trong
khơng gian 2D, 3D,…Để máy CNC hoạt động được, cần phải nạp chương trình vào hệ
thống vi tính thơng minh. Máy vi tính có nhiệm vụ xử lý và điều khiển các bộ phận của
máy như đầu cắt, tốc độ cắt, biên độ cắt,… theo chương trình có sẵn để gia cơng sản
phẩm.
2.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Mỗi loại máy CNC sẽ có những cấu tạo riêng nhưng đều sẽ có 2 phần cơ bản
sau:
- Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích
dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.
- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung
tâm.
Nguyên lý hoạt động:
- Máy CNC khi hoạt động sẽ di chuyển trên 3 trục X, Y, Z theo tọa độ.
- Khi máy CNC được khởi động và thực hiện các lệnh cắt, trục Z sẽ di chuyển
lên xuống theo khoảng cách được cài đặt. Đầu cắt ( trục Z) sẽ nhận nguồn năng lượng
từ bộ nguồn để xuyên thủng vật liệu.
- Lúc này bàn máy sẽ giữ chặt sản phẩm để máy di chuyển trên các thanh ray
theo trục X và Y để tạo ra các đường cắt trên vật liệu.
2.1.3. Phân loại máy CNC
Trong cơng nghiệp, máy CNC sẽ có những chức năng và chủng loại khác nhau.
Vì vậy, có nhiều tiêu chí để phân loại những máy CNC khác nhau.
- Theo loại máy CNC: máy khoan, máy tiện, máy phay, máy ép,...
- Theo phương pháp truyền động: truyền động điện, thủy lực, khí nén.
3


- Theo phương pháp điều khiển: điều khiển điểm, điều khiển đoạn, điều khiển
theo đường cắt( máy 2D, máy 3D).
- Theo phương pháp thay dao: thay dao bằng tay, phương pháp tự động kiểu rơvôn-ve.
- Theo hệ điều hành: Fanuc, Siemens, Fagor, EMCO,…
- Theo số lượng trục của máy.
- Theo kích cỡ và trọng lượng máy.
Một số loại máy CNC trong cơng nghiệp:

Hình 2. 1. Máy khoan CNC.

Hình 2. 2. Máy phay CNC.
4


Hình 2. 3. Máy cắt CNC.

Hình 2. 4. Máy mài CNC.
2.1.4. Ưu điểm và nhược điểm của máy CNC
Ưu điểm:
- Tiết kiệm sức lao động: Sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề
của người công nhân mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy phải
chính xác, chi tiết. Người điều khiển chỉ theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động
của CNC.

5


- Độ chính xác cao: Các máy CNC thơng thường có độ chính xác máy là
0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn.
- Tốc độ cắt cao: Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu cắt hiện
đại như gốm oxit hay kim loại cứng có thể sử dụng tốt hơn.
- Tiết kiệm, rút ngắn thời gian gia cơng.
- Tính linh hoạt cao trong lập trình nên tiết kiệm được thời gian chỉnh máy, tính
kinh tế cao trong việc gia cơng hàng loại các sản phẩm nhỏ.
- Chi phí dừng máy nhỏ.
- Giá thành đo kiểm tra giảm, tiêu hao do kiểm tra ít.
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ.
- Có thể gia công hàng loạt.
Nhược điểm:

- Giá thành để chế tạo máy cao chỉ phù hợp mục đích sử dụng với mục đích lâu
dài và sản phẩm có mẫu mã khơng thay đổi nhiều.
- Giá thành bảo dưỡng, sửa chữa máy cao.
- Khó vận hành và thay đổi người đứng máy do việc sử dụng máy cần qua đào
tạo kỹ lưỡng cũng như cần có hiểu biết chuyên sâu về máy CNC.
2.2. Tổng quan về AC Servo
2.2.1. Khái niệm

Hình 2. 5. Bộ động cơ AC Servo.
Servo là một loại máy điện đặc biệt, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp,
đặc biệt là các hệ thống tự động hóa. Nó là loại động cơ có khả năng điều chỉnh tốc độ,

6


moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn
thơng qua khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển.
Hệ thống Servo là một hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vịng kín, nhận
tín hiệu và thực hiện một cách nhanh chóng và chính xác theo lệnh từ Controller (PLC,
Arduino, Mach3, …).
2.2.2. Cấu tạo
AC Servo Motor thực chất là 1 động cơ xoay chạy bằng điện 3 pha, hoạt động
dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu như các loại động cơ trong máy bơm hay máy
quạt. Điểm khác biệt của AC Servo Motor so với các động cơ thơng thường là nó được
tích hợp nhiều cơng cụ điện tử và cảm biến để truyền thông tin và điều khiển như: bộ
khuếch đại, bộ điều khiển, bộ mã hóa và màn hình. Điều này làm tăng khả năng chính
xác cũng như dễ dàng điều khiển của động cơ.

Hình 2. 6. Cấu tạo của động cơ AC servo.
Cấu tạo bộ Servo: AC Servo Motor được cấu tạo từ 3 bộ phận chính:

- Bộ điều khiển:
Bao gồm màn hình, nút bấm, các thiết bị tiếp nhận và phát đi thơng
tin. Bộ điều khiển của AC Servo Motor có chức năng tiếp nhận các thông tin về tốc độ,
7


vị trí, moment được truyền về sau đó hiển thị trên màn hình chính. Từ đó, người dùng
có thể dễ dàng tùy chỉnh các thông số hoặc thiết lập PLC để động cơ hoạt động 1 cách
thích hợp với từng loại hình cơng việc. Động cơ Servo thường gắn với Vitme hoặc hộp
số giảm tốc.
- Bộ khuếch đại Servo:
Thường được gắn chung với bộ điều khiển để tạo thành 1 khối. Bộ
khuếch đại có chức năng tiếp nhận thơng tin dưới dạng code từ bộ mã hóa sau đó chuyển
về bộ điều khiển để hiển thị trên màn hình. Ngồi ra, chức năng chính của bộ này là liên
tục sửa đổi kết quả thực tế để giảm mức chênh lệch sau đó ra lệnh cho động cơ hoạt
động. Đây chính là tính năng chính mang lại sự khác biệt của AC Servo Motor, khả
năng tự động hóa cực cao mang lại tính chính xác mà ta có thể thấy từ những sản phẩm
của máy cắt CNC.
- Thiết bị dò và dẫn động:
Tách rời và được nối với 2 bộ trên bằng dây dẫn, đây là trái tim
của AC Servo Motor. Gồm 2 phần, động cơ và bộ mã hóa. Động cơ của nó được cấu
tạo từ Rotor và Stator, bao gồm cuộn dây dẫn thứ cấp (nhôm hoặc đồng), nam châm,
phanh điện từ, trục dẫn động hoạt động theo nguyên lý ứng dụng nam châm vĩnh cửu.
Bộ mã hóa hay cịn gọi là Encoder sẽ tiếp nhận thơng tin từ động cơ rồi chuyển về dạng
mã hóa (code) sau đó truyền đi để xử lý và ngược lại.
2.2.3. Ứng dụng
- Điều khiển robot.
- Hệ thống máy CNC.
- Hệ thống máy làm khẩu trang.
- Hệ thống máy in.

Ngồi ra, nó cịn ứng dụng trong một số lĩnh vực khác như: ngành điều khiển
vận chuyển cẩu tải, ngành sản xuất chế biến lương thực thực phẩm, ngành điện điện tử,
các ngành sản xuất giấy, dệt sợi, may mặc, in ấn, bao bì, …
Động cơ servo có 3 chế độ điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển
moment. Tùy thuộc và mục địch sử dụng mà người dùng lựa chọn chế độ điều khiển
phù hợp nhất. Ở chế độ điều khiển vị trí, servo có khả năng điều khiển chính xác đến
đơn vị micromet.
8