NGHIÊN cứu THIẾT kế và NÂNG cấp bộ điều KHIỂN TÍCH hợp PHẦN mềm MACH 3 CHO máy PHAY CNC FESTO

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ NÂNG CẤP BỘ ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP
PHẦN MỀM MACH 3 CHO MÁY PHAY CNC FESTO
STUDYING ON DESIGNING AND UPGRADING CONTROLLER INTEGRATED
MACH 3 SOFTWARE FOR FESTO CNC MILLING MACHINE
Bùi Tuấn Anh1a, Phạm Văn Hùng1b
1
Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
a
;
TÓM TẮT
Máy phay CNC Festo 2,5D được đưa vào phục vụ thí nghiệm và nghiên cứu tại Trường
Đại học Bách Hhoa Hà Nội từ đầu những năm 1990. Bộ điều khiển tích hợp phần mềm điều
khiển TICAS được chế tạo đồng bộ theo các tiêu chuẩn của hãng Festo. Tuy nhiên phần mềm
TICAS được phát triển trên môi trường DOS đến nay không còn phù hợp. Bài viết này trình
bày phân tích và đưa ra giải pháp thiết kế, chế tạo bộ điều khiển CNC hiện đại với các tính
năng cơ bản, bao gồm: điều khiển 3 trục chạy dao; quản lý hành trình; tạm dừng và dừng khẩn
cấp; đóng-mở động cơ trục chính. Cùng với việc sử dụng các phần mềm lập trình tự động
chuyên nghiệp để tạo ra chương trình gia công các biên dạng khác nhau đã được tác giả thực
nghiệm trên một số loại vật liệu thông dụng. Kết quả cho thấy, máy phay CNC Festo hoạt
động ổn định với hệ điều khiển mới. Chất lượng gia công đạt các yêu cầu đề ra.
Từ khóa: máy phay CNC Festo, bộ điều khiển, phần mềm điều khiển.
ABSTRACT
The Festo 2.5D CNC milling machine was used for experiment and research at the
Hanoi University of Science and Technology since the beginning of 1990. The controller
integrated TICAS control software was manufactured according to synchronous standards of
the Festo company. However, the TICAS software developed on DOS environment is no
longer appropriate for modern CNC machines. This article presents an analysis and a design
solution to build a modern CNC controller with basic features, including 3-axis toolpath
control; manage of movements; pause and emergency stop; closed-open the spindle motor.

Along with the use of a professional automated programming software to create NC programs
for machining different profiles was experimented on some common materials. Results
showed that, The Festo CNC milling machine has operated stably with the new control
systems. The quality of machining achieved has also met the requirements.
Keywords: Festo CNC milling machine, controller, control software.
1. GIỚI THIỆU
Máy phay CNC mini Festo được đưa vào phục vụ thí nghiệm và nghiên cứu của sinh
viên cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội từ những năm 1990. Máy phay CNC Festo
thuộc dạng máy phay 2.5D có khả năng gia công các biên dạng khác nhau trong mặt phẳng
XY với chiều sâu gia công được thiết lập trước. Kích thước bàn máy xấp xỉ 700 x 500 mm
tương ứng theo hai phương X và Y. Các trục chạy dao được dẫn động bởi các động cơ bước
độc lập. Bộ điều khiển được chế tạo đồng bộ theo các tiêu chuẩn của hãng Festo, tuy nhiên
phần mềm điều khiển TICAS được tích hợp trong bộ điều khiển được xây dựng trên môi
trường DOS đã lạc hậu, không linh hoạt. Hơn nữa, bộ điều khiển này đã không còn hoạt động
và không thể sửa chữa do thiếu linh kiện thay thế. Do đó, việc thiết kế, chế tạo bộ điều khiển
mới tích hợp phần mềm hiện đại, ứng dụng cho máy phay CNC Festo là cần thiết và cũng là
166


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
cơ sở cho việc sửa chữa, thay thế bộ điều khiển của các máy phay tương tự trong tương lai.
Hình 1 mô tả giao diện phần điều khiển TICAS trên môi trường DOS khi bộ điều khiển máy
Festo còn hoạt động.

Hình 1. Giao diện phần mềm điều khiển TICAS trên máy phay Festo
Tủ điều khiển lắp đặt bộ phận điều khiển các động cơ bước dẫn động các trục X, Y và
Z, chúng được kết nối với máy tính thông qua cổng giao tiếp RS 232 công suất nhỏ. Vì vậy,
giải pháp thiết kế và chế tạo bộ điều khiển CNC tích hợp phần mềm Mach 3 được thực hiện
nhằm thay thế bộ điều khiển cũ, khôi phục hoạt động của máy phay CNC Festo. Bộ điều
khiển mới phải đảo bảo các nhiệm vụ bao gồm việc khởi động, dẫn dắt và kết thúc chính xác

các chuyển động của máy như chuyển động trục chính, các chuyển động chạy dao; Biến đổi
tốc độ, lực, mômen hay công suất trong các xích động theo yêu cầu điều khiển; Định vị chính
xác các đối tượng chuyển động để đảm bảo độ chính xác tương quan giữa dao và phôi [1-4].
2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC FESTO TÍCH HỢP
PHẦN MỀM MACH3
2.1 Phần mềm điều khiển máy
Trên thực tế có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế và tích hợp vào hệ thống điều
khiển máy CNC. Các phần mềm này được chia theo hai hướng là phần mềm thương mại hoặc
phần mềm mã nguồn mở. Phần mềm thương mại cung cấp cho người dùng đầy đủ các tính
năng của phần mềm, với sự hướng dẫn và hỗ trợ kỹ thuật tin cậy từ hãng sản xuất, tuy nhiên
người dùng không thể sửa đổi, cải tiến và phát triển phần mềm. Phần mềm mã nguồn mở
được cung cấp dưới dạng mã nguồn, người sử dụng có thể phát triển, sửa đổi, cải tiến và nâng
cấp theo các nguyên tắc chung. Các phần mềm điều khiển của máy điều khiển số hiện đại
được xây dựng trên môi trường Windows như Mill Master For Windows, Kcam, NC Studio,
Mach 3,… ngày càng được ứng dụng rộng rãi. Mỗi phần mềm điều khiển đều có những đặc
trưng riêng, thể hiện điểm mạnh cũng như những hạn chế của nó.
Mach 3 là phần mềm điều khiển số của hãng ArcSoft, được xây dựng trên nền hệ điều
hành Windows. Giao diện trực quan, có thể tùy biến hoàn toàn theo ý người sử dụng. Phần
mềm dễ sử dụng với thao tác bằng chuột đơn giản. Có thể dùng được với màn hình cảm ứng.
Phần mềm có khả năng điều khiển máy CNC 6 trục với đầy đủ các tính năng điều khiển.
Ngoài các chức năng cơ bản, phần mềm còn cung cấp rất nhiều chức năng phụ khác tương tự
như các phần mềm hoàn thiện cho máy công cụ trong công nghiệp. Mach 3 cho phép nhập
mã lệnh G-code trực tiếp trong chương trình, nhập file G-code được tạo ra từ các phần mềm
CAM thông dụng [5]. Với các ưu điểm như giao diện thân thiện, dễ dàng thiết lập các thông

167


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
số điều khiển,… Phần mềm Mach 3 được nhóm tác giả lựa chọn làm phần mềm điều khiển

khi thực hiện giải pháp thiết kế, nâng cấp bộ điều khiển CNC cho máy phay Festo.
2.2 Thiết kế bộ điều khiển máy phay CNC tích hợp phần mềm Mach 3
Trên máy công cụ điều khiển số, chuyển động của bàn máy được tính toán, điều khiển, và
dẫn động bởi các động cơ vô cấp, độc lập. Máy phay CNC Festo có các chuyển động chạy dao
theo các trục X, Y và Z, được dẫn động bởi các động cơ bước độc lập. Hình 2 mô tả sơ đồ
nguyên lý bộ điều khiển chuyển động chạy dao được nhóm tác giả nghiên cứu, ứng dụng. Theo
đó, 3 động cơ bước được điều khiển thông qua 3 bộ driver độc lập. Các driver này có nhiệm vụ
cung cấp xung, tần số xung cũng như nguồn động lực cho các động cơ bước tương ứng.

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển các chuyển động chạy dao [6]
Các driver điều khiển động cơ được kết nối với card điều khiển (Mach 3, NC studio,…)
và được kết nối với máy tính điều khiển thông qua cổng giao tiếp song song hoặc cổng USB.
Việc thiết kế, chế tạo bộ điều khiển sử dụng card Mach 3 đã được lựa chọn như một phương
án thiết kế và nâng cấp bộ điều khiển cho máy phay CNC Festo. Mô đun điều khiển động cơ
bước TB6560 là mô đun chuyên dụng để điều khiển các loại động cơ bước lưỡng cực. Mô
đun có các chế độ điều khiển nguyên bước, nửa bước và vi bước. Phương pháp điều khiển
đơn giản, cho phép tùy chọn dòng ra điều khiển động cơ từ 0,3A đến 3A. Hình 3 mô tả sơ đồ
khối của Driver TB6560.
Động cơ dẫn động bàn máy và cụm trục chính chuyển động theo 3 phương X, Y, Z
được kết nối với các mạch điều khiển riêng biệt và được nối với máy tính điều khiển tích hợp
phần mềm và card Mach 3. Trên máy phay CNC Festo, các động cơ dẫn động chạy dao được
thiết kế là động cơ bước có thông số cơ bản, bao gồm: Ký hiệu ECM268-E2.8B-1; Hãng sản
xuất: SC- JAPAN; Góc bước: 1,8º; Số pha: 2 pha; Dòng lớn nhất: 4.0 A; Độ chính xác góc
bước: 5 % trên toàn bộ chiều dài chuyển động.
Các bộ phận chính của Card Mach 3 bao gồm: IC đệm 74HC245 có chức năng chính là
đệm dữ liệu 2 chiều, có nhiệm vụ tăng “Công suất” hoặc tăng “Cường độ đòng điện cho tải”;
IC 7805 với mục đích tạo ra ngồn 5V; Tụ điện đảm bảo ổn định nguồn 5V; Opto là bộ phận
cách ly quang; Đèn led và điện trở 330 Ω có tác dụng hiển thị tín hiệu đầu ra. Hình 4 mô tả
cấu trúc card điều khiển Mach 3 được thiết kế trên phần mềm Proteus.
168

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN

CÁCH LY QUANG

NGUỒN

DRIVER ĐỘNG CƠ
BƯỚC

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ

ĐỘNG CƠ
BƯỚC

Hình 3. Sơ đồ khối Driver TB6560

Hình 4. Card Mach 3 được thiết kế trong phần mềm Proteus

Hình 5. Hệ thống máy phay CNC Festo với bộ điều khiển tích hợp phần mềm Mach 3
Ngoài ra, để điều khiển máy thực hiện chính xác các yêu cầu gia công, bộ điều khiển
còn được tích hợp các bộ phận quản lý hành trình dịch chuyển bàn máy; quản lý đóng/mở
động cơ trục chính; dừng khẩn cấp; các bộ phận cảnh báo an toàn,… Thực vậy, bộ điều khiển
máy phay CNC Festo đã được thiết kế, chế tạo, lắp đặt với các yêu cầu nói trên. Tác giả cũng
169


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

tiến hành thử nghiệm vận hành điều khiển máy thực hiện gia công trên một số loại vật liệu
thông dụng như gỗ thông tự nhiên, gỗ công nghiệp,… Các chương trình NC được tạo ra với
sự hỗ trợ của các phần mềm hỗ trợ chuyên dụng. Kết quả thử nghiệm cho thấy, máy phay
CNC Festo đã hoạt động ổn định với bộ điều khiển mới. Tuy nhiên, để nâng cao khả năng gia
công của máy, các chế độ gia công và vật liệu gia công khác nhau đang được thử nghiệm
nhằm tìm ra bộ thông số phù hợp. Hệ thống máy phay CNC Festo với bộ điều khiển tích hợp
phần mềm Mach 3 được mô tả trên Hình 5.
2.3 Thiết lập điều khiển máy phay CNC FESTO
Phần mềm điều khiển Mach 3 thể hiện tính linh hoạt khi cho phép người sử dụng thiết
lập các thông số điều khiển như hệ đơn vị, tần số xung cấp cho các động cơ. Lựa chọn đơn vị
phải phù hợp với việc tính toán thông số của các phần tử lắp đặt thiết bị, thông thường nên
chọn cùng với hệ đơn vị với vít me - đai ốc bi được sử dụng trong việc dẫn động các trục chạy
dao. Thông số của cổng giao tiếp LPT cũng dễ dàng được thiết lập trên phần mềm điều khiển.
Các thông số về địa chị Pin/Port ban đầu cần được cài đặt phù hợp với mạch điều khiển được
thiết kế. Mach 3 có thể làm việc với tần số 25.000 Hz, 35.000 Hz, 45.000 Hz tùy thuộc vào
tốc độ vi xử lý của máy tính. Tần số 25.000 Hz thích hợp đối với hệ thống điều khiển động cơ
bước. Ngoài ra, số xung trên một mm S (bước cơ sở) được tính toán và thiết lập trên phần
mềm điều khiển thông qua các thông số: góc bước nhỏ nhất của động cơ (a), điều khiển vi
bước (b), bước ren của vít me dẫn động (c), tỷ số truyền từ động cơ tới vít me (d). Trên máy
phay Festo, động cơ dẫn động trục X, Y và cụm trục chính có bước a =1,80; điều khiển vi
bước b =1/8; bước của vít me là 5 mm; tỷ số truyền d =1. Do đó số xung trên một mm (S)
được tính như sau:
S

360.d

a.b.c

360.1
 320 (bước/mm)

1
1,8.   .5
8

(1)

Vận tốc chạy không lớn nhất:

V0  f .

a.b.c  60 

  4, 687 (m/ph)
360.d  1000 

(2)

Hình 6. Cài đặt thông số động cơ chạy dao trục X
Hình 6 minh họa việc cài đặt thông số động cơ chạy dao trục X trên phần mềm điều
khiển Mach 3; các trục chạy dao Y và Z được tính toán và thiết lập tương tự.
170


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.4 Kết quả thử nghiệm gia công trên máy phay CNC Festo
Với mục đích kiểm tra sự ổn định khi gia công trên máy phay Festo tích hợp hệ thống
điều khiển được thiết kế chế tạo, một số chương trình gia công với các vật liệu khác nhau đã
được xây dựng để tiến hành chạy thử nghiệm. Trong nghiên cứu này, gỗ thông tự nhiên được
lựa chọn làm vật liệu gia công thử nghiệm. Như đã phân tích ở trên, phần mềm Mach 3 cho
phép người vận hành có thể lập trình trực tiếp, tuy nhiên công việc này chỉ phù hợp khi gia

công các biên dạng đơn giản. Với sự hỗ trợ của các phần mềm CAM, các chương trình gia
công phức tạp bao gồm các bề mặt 3D dễ dàng được tạo ra. Khi đó, người vận hành có thể
tiến hành kiểm tra và điều chỉnh các thông số phù hợp với chế độ gia công trên máy. Trình tự
vận hành cũng phải tuân thủ nguyên tắc vận hành an toàn như trên các máy công nghiệp khác,
như: Kiểm tra máy, khởi động máy tính và hệ thống điều khiển; Chuẩn bị và gá lắp phôi và
dụng cụ gia công; Nạp dữ liệu Gcode vào máy; Load G-code; Thiết lập gốc tọa độ; Chạy và
theo dõi chương trình.

Hình 7. Giao diện Mach 3 khi thực hiện chương trình gia công

Hình 8. Thực hành gia công trên máy phay CNC Festo
Khi chương trình gia công được thực hiện, người vận hành có thể thay đổi các thông số
công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế. Việc quan sát các bộ phận cảnh báo và thao tác
171


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
dừng chương trình cũng dễ dàng thực hiện trên màn hình. Hình 7 mô tả giao diện phần mềm
Mach 3 khi thực hiện chương trình gia công. Hình ảnh mô tả quá trình gia công thử nghiệm
tranh gỗ trên gỗ thông tự nhiên được minh họa trên Hình 8. Chương trình gia công được thiết
lập với sự trợ giúp từ phần mềm ArtCam. Theo đó, quá trình gia công được thực hiện thông
qua hai bước: gia công thô và gia công tinh. Giai đoạn gia công thô được thực hiện với dao
phay ngón 6, tốc độ quay trục chính n = 10000 vòng/phút, lượng chạy dao F = 2000
mm/phút. Dao khắc nhọn 6, góc 300 được lựa chọn cho quá trình gia công tinh. Tốc độ quay
trục chính và lượng chạy dao được lựa chọn tương ứng là 15000 vòng/phút và 2700 mm/phút.
Lưu ý rằng, đây là các thông số công nghệ được tác giả chọn thử nghiệm để đánh giá các tính
năng điều khiển cơ bản của máy trên bộ điều khiển mới.
Kết quả ban đầu cho thấy, máy phay CNC Festo hoạt động ổn định với bộ điều khiển
mới. Chất lượng bề mặt gia công phù hợp với yêu cầu thiết kế. Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ
khả năng cũng như độ chính xác gia công trên máy, cần thiết phải tiến hành gia công thử

nghiệm nhiều loại vật liệu và chế độ cắt khác nhau. Tổng hợp, phân tích và đánh giá kết quả
để tìm bộ thông số công nghệ phù hợp với từng loại vật liệu. Đây cũng là công việc đang
được nhóm tác giả triển khai thực hiện.
3. KẾT LUẬN
Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển tích hợp phần mềm Mach 3 thay thế
bộ điều khiển tích hợp phần mềm TICAS đã giúp nâng cấp máy phay CNC Festo 2,5D trở
thành máy phay CNC 3D. Bộ điều khiển tích hợp phần mềm điều khiển TICAS được phát
triển trên môi trường DOS đã được thay thế bởi bộ điều khiển mới, linh hoạt, có khả năng
điều khiển đồng thời 3 trục chạy dao; quản lý hành trình; tạm dừng và dừng khẩn cấp; đóngmở động cơ trục chính.
Máy phay CNC Festo hoạt động ổn định khi thực hiện việc thử nghiệm gia công chi tiết
có biên dạng phức tạp trên vật liệu gỗ thông tự nhiên. Chất lượng gia công phù hợp với các
yêu cầu thiết kế đề ra. Quá trình thử nghiệm gia công để tìm các thông số công nghệ phù hợp
cho các vật liệu thông dụng cũng đang được triển khai.
Việc thiết kế, chế tạo thành công bộ điều khiển mới cho máy phay CNC Festo giúp ích
trong việc chủ động sửa chữa, thay thế bộ điều khiển của các máy phay tương tự trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH&KT, 2001.
[2] Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KH&KT, 2003.
[3] Đặng Xuân Phương, Máy công cụ và phương pháp lập trình gia công,NXB Đại học Nha
Trang, 2011.
[4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, and Ian Stroud, Theory and
Design of CNC Systems: Springer-Verlag London, 2008.
[5] />Available: />[6] .
Available: />THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Bùi Tuấn Anh. Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Điện thoại: 0977.535.066.

2.

Phạm Văn Hùng, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

172