THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

Họ và tên sinh viên: ĐỖ ANH NGỌC
Ngành: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khoá: 2008-2012

Tháng 05/2012


THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC
TƯƠNG THÍCH PHẦN MỀM MACH3

Tác giả

ĐỖ ANH NGỌC

Khoá luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành
Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:
Ths. Lê Văn Bạn

Tháng 05 năm 2012
i

LỜI CẢM ƠN
Chân thành biết ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM, Ban
chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Công Nghệ Trường Đại Học Nông Lâm Tp.HCM đã tạo
điều khiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian theo học tại trường và hoàn thành
luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn và thầy Lê Quang Hiền đã tận tình
hướng dẫn và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Em chân thành gửi lời cảm ơn đến toàn thể thầy cô trong bộ môn Điều Khiển
Tự Động cùng tập thể thầy cô khoa Cơ Khí – Công Nghệ đã tận tình dạy dỗ truyền đạt
kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm chuyên môn cũng như kinh nghiệm sống trong 4 năm
học vừa qua.
Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình, người thân và bạn bè đã giúp đỡ và động
viên em những lúc khó khăn để có thể hoàn thành luận văn đúng thời hạn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2012
Sinh viên thực hiện:
Đỗ Anh Ngọc

ii


TÓM TẮT
Trong nền kinh tế hội nhập ngày nay, sự xuất hiện của các máy móc hiện đại
ngày càng nhiều trong đó có các máy CNC. Máy CNC có ưu điểm là khả năng sản
xuất hàng loạt với độ chính xác cao nhưng hầu hết đây là những máy nhập từ nước
ngoài và có giá thành rất đắt. Đi kèm với các máy CNC là phần mềm điều khiển và
phần mềm Mach3 do hãng ArtSoft thiết kế ra để có thể điều khiển được các loại máy
CNC khác nhau. Đó là nguyên nhân em thực hiện đề tài: “Thiết kế chế tạo bộ điều

khiển động cơ bước tương thích phần mềm Mach3” nhằm mục đích tạo điều kiện cho
việc thực hành điều khiển máy CNC tại trường. Quá trình thực hiện đề tài được tiến
hành tại phòng thực tập bộ môn Điều Khiển Tự Động và theo trình tự sau:
 Nghiên cứu, tìm hiểu phần mềm Mach3.
 Khảo sát mạch driver điều khiển động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M
 Thiết kế mạch điều khiển máy CNC 3 trục sử dụng động cơ bước giao tiếp
máy tính bằng phần mềm Mach3.
 Lập trình cho vi điều khiển PIC16F887 tương thích với phần mềm để điều
khiển động cơ bước, động cơ DC.
Kết quả: Hoàn thành được những mục tiêu đã đề ra:
-

Thiết kế được mạch điều khiển máy CNC 3 trục bằng vi xử lý PIC16F887

và IC L298 tương thích với phần mềm Mach3 qua cổng LPT.
-

Chương trình lập trình viết trên MPLAB cho vi xử lý đã hoạt động và điều

khiển phần cứng đúng với phần điều khiển của phần mềm Mach3 trên máy tính.
-

Mạch điều khiển giao tiếp Mach3 điều khiển mô hình máy CNC thực hiện

khoan mạch in, phay hình, khắc chữ đúng với kích thước bản vẽ.
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Ths. Lê Văn Bạn

Đỗ Anh Ngọc

iii


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa ..........................................................................................................................i
Lời cảm ơn ..................................................................................................................... ii
Tóm tắt .......................................................................................................................... iii
Mục lục ..........................................................................................................................iv
Danh sách cách hình .................................................................................................... vii
Danh sách các bảng .......................................................................................................ix
Chương 1. MỞ ĐẦU ......................................................................................................1
1.1.

Đặt vấn đề .........................................................................................................1

1.2.

Tầm quan trọng của đề tài ................................................................................2

1.3.

Mục đích của đề tài ...........................................................................................2

1.3.1.

Mục đích chung .........................................................................................2

1.3.2.

Mục đích cụ thể .........................................................................................2

1.4.

Giới hạn của đề tài ........................................................................................3

Chương 2. TỔNG QUAN..............................................................................................4
2.1.

Tổng quan công nghệ CNC ..............................................................................4

2.2.

Một số máy CNC tiêu biểu ...............................................................................6

2.3.

Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC ............................................7

2.3.1.

Động cơ bước ............................................................................................7

2.3.2.

Động cơ DC.............................................................................................10

2.3.3.

Bộ truyền vít me ......................................................................................10

2.3.4.

Công tắc hành trình .................................................................................12

2.4.

Tìm hiểu về phần mềm Mach3 .......................................................................12

2.4.1.

Giới thiệu .................................................................................................12

2.4.2.

Giao diện phần mềm Mach3 ...................................................................13

2.5.

Tham khảo một số mạch driver điều khiển động cơ bước .............................15

2.6.

Tra cứu các linh kiện điện tử ..........................................................................17

2.6.1.

IC L298....................................................................................................17
iv


2.6.2.

Cổng LPT ................................................................................................18

2.6.3.

Nghiên cứu vi điều khiển ........................................................................20

2.7.

2.6.3.1.

Định nghĩa ........................................................................................20

2.6.3.2.

Sơ lược về PIC16F887 .....................................................................20

Tìm hiểu chương trình MPLAB lập trình cho vi điều khiển ..........................23

Chương 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...............................25
3.1.

Địa điểm và thời gian thực hiện đề tài ............................................................25

3.1.1.

Địa điểm ..................................................................................................25

3.1.2.

Thời gian .................................................................................................25

3.2.

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................25

3.2.1.

Chọn phương pháp thiết kế .....................................................................25

3.2.2.

Chọn phương pháp thiết kế phần mạch điện tử.......................................26

3.3.

Phương tiện thực hiện .....................................................................................26

Chương 4. THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ..............................................................................27
4.1.

Mô hình máy CNC..........................................................................................27

4.2.

Cài đặt một số thông số cần thiết trên Mach3 ................................................28

4.3.

Khảo sát thông số điều khiển của phần mềm Mach3 với mạch

driver HY-TB3DV-M điều khiển mô hình máy CNC ...............................................30
4.4.

Lưu đồ hoạt động chung của mô hình máy CNC ...........................................32

4.5.

Khảo sát sơ bộ tín hiệu xung điều khiển của Mach3 ......................................33

4.6.

Thực hiện điều khiển động cơ bước ...............................................................35

4.6.1.

Điều khiển đủ bước với mosfet ...............................................................35

4.6.2.

Điều khiển vi bước ..................................................................................36

4.6.3.

Dùng thuật ngắt để xử lý tín hiệu từ máy tính ........................................38

4.7.

Thiết kế mạch điều khiển................................................................................38

4.7.1.

Mạch nguồn 5V .......................................................................................38

4.7.2.

Thiết kế mạch điều khiển dùng PIC16F887 ............................................38

4.7.3.

Mạch công suất điều khiển động cơ bước ...............................................40

4.7.4.

Thiết kế mạch giao tiếp máy tính ............................................................41

4.7.5.

Mạch điều khiển tổng hợp .......................................................................42

4.8.

Thực hiện phần mềm ......................................................................................44
v

4.8.1.

Lưu đồ giải thuật .....................................................................................44

4.8.2.

Chương trình cho vi điều khiển ...............................................................46

Chương 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................................47
5.1.

Kiểm tra chạy thử ...........................................................................................47

5.1.1.

Kiểm tra mô hình và mạch điều khiển ....................................................47

5.1.2.

Chạy thử nghiệm máy .............................................................................49

5.2.

Khảo nghiệm ...................................................................................................52

5.2.1.

Mục đích khảo nghiệm ............................................................................52

5.2.2.

Phương pháp bố trí khảo nghiệm ............................................................52

5.3.

Kết quả ............................................................................................................53

5.4.

Thảo luận ........................................................................................................57

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ......................................................................58
6.1.

Kết luận ...........................................................................................................58

6.2.

Đề nghị ............................................................................................................58

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vi


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Máy phay CNC Hàn Quốc hiệu FANUC 0i-MC .......................................... 6
Hình 2.2 Máy khoan mạch in LPKF ProtoMat S42 ..................................................... 6

Hình 2.3 Máy tiện CNC hiệu CK6166 ......................................................................... 7
Hình 2.4 Máy khắc CNC RJ-1325 ............................................................................... 7
Hình 2.5 Cấu tạo động cơ bước .................................................................................... 8
Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ........................................................ 8
Hình 2.7 Động cơ bước PK264A2-SG3.6 .................................................................... 9
Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây động cơ bước đơn cực ......................................................... 9
Hình 2.9 Các loại động cơ DC ...................................................................................10
Hình 2.10 Cấu tạo động cơ DC ..................................................................................10
Hình 2.11 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc của vít me đai ốc thường
và vít me đai ốc bi ........................................................................................................11
Hình 2.12 Bộ truyền vít me đai ốc bi .........................................................................11
Hình 2.13 Các loại công tắc hành trình ......................................................................12
Hình 2.14 Giao diện chính của Mach3 .......................................................................14
Hình 2.15 Bảng lựa chọn chương trình Wizard..........................................................15
Hình 2.16 Driver động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M .............................................15
Hình 2.17 Driver động cơ bước 4 trục hiệu CNC5AIXS4 .........................................16
Hình 2.18 Sơ đồ chân L298 ........................................................................................17
Hình 2.19 Sơ đồ chân cổng LPT ................................................................................18
Hình 2.20 Chức năng địa chỉ thanh ghi của cổng LPT ..............................................19
Hình 2.21 Sơ đồ chân PIC16F887 ..............................................................................21
Hình 2.22 Sơ khồi khối PIC16F887 ...........................................................................21
Hình 2.23 Giao diện chương trình MPLAB ...............................................................23
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển với Mach3 .........................................................25
Hình 4.1 Sơ đồ chung của toàn bộ hệ thống máy CNC .............................................27
Hình 4.2 Bảng chọn đơn vị .........................................................................................28
Hình 4.3 Bảng cài đặt tín hiệu vào/ra của Mach3 ......................................................29
vii


Hình 4.4 Bảng thiết lập số liệu động cơ .....................................................................30

Hình 4.5 Lưu đồ hoạt động của hệ thống ...................................................................33
Hình 4.6 Biểu đồ xung................................................................................................33
Hình 4.7 Bảng thiết lập chân tín hiệu ngõ ra ..............................................................34
Hình 4.8 Sơ đồ đấu dây và trình tự pha từng bước ....................................................35
Hình 4.9 Sơ đồ mạch điều khiển đủ bước ..................................................................35
Hình 4.10 Nguyên lý hoạt động của chế độ điều khiển nữa, vi bước ........................36
Hình 4.11 Biểu đồ xung điều khiển 1/16 bước...........................................................37
Hình 4.12 Sơ đồ nguyên lý mạch tạo nguồn +5V ......................................................38
Hình 4.13 Mạch điều khiển tín hiệu ...........................................................................39
Hình 4.14 Sơ đồ mạch công suất ................................................................................40
Hình 4.15 Sơ đồ mạch giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển ...............................41
Hình 4.16 Sơ đồ mạch điều khiển ..............................................................................42
Hình 4.17 Sơ đồ mạch công suất ................................................................................43
Hình 4.18 Lưu đồ giải thuật .......................................................................................45
Hình 4.19 Chương trình MPLAB cho vi điều khiển ..................................................46
Hình 4.20 Mô phỏng bằng phần mềm Proteus ...........................................................46
Hình 5.1 Mô hình máy CNC ......................................................................................47
Hình 5.2 Mạch driver điều khiển 3 trục động cơ bước sau khi hoàn thành ...............48
Hình 5.3 Đèn led báo hiệu chiều quay động cơ .........................................................48
Hình 5.4 Kết nối hệ thống hoàn chỉnh........................................................................49
Hình 5.5 Chạy thử nghiệm các trục máy CNC...........................................................50
Hình 5.6 Kết quả khoan chân PIC16F887 ..................................................................53
Hình 5.7 Kết quả khoan mạch in ................................................................................54
Hình 5.8 Khắc chữ “HELLO” nổi ..............................................................................55
Hình 5.9 Khắc chữ “NGỌC” chìm .............................................................................56
Hình 5.10 Khoan lỗ thành hình  .............................................................. 56

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1. Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC .......................................................... 6
Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy LPKF ProtoMat S42.................................................. 6
Bảng 3. Thông số kỹ thuật máy tiện CK6166 .............................................................. 7
Bảng 4. Thông số kỹ thuật máy khắc RJ-1325............................................................. 7
Bảng 5. Các chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt của driver HY-TB3DV-M ..............16
Bảng 6. Chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt của driver CNC5AIXS4........................16
Bảng 7. Chức năng các chân của L298 ......................................................................17
Bảng 8. Chức năng các chân cổng máy in..................................................................18
Bảng 9. Các địa chỉ thanh ghi của cổng song song trên máy tính PC ........................19
Bảng 10. Bảng khảo sát thiết lập số bước và vận tốc của Mach3 ..............................31
Bảng 11. Bảng giá trị xung ngõ ra cổng LPT .............................................................34
Bảng 12. Các chế độ điều chỉnh công tắc cài đặt .......................................................45
Bảng 13. Bảng kết quả thu được trong quá trình chạy thử.........................................52
Bảng 14. Kết quả mẫu 3 .............................................................................................55
Bảng 15. Kết quả mẫu 4 .............................................................................................56
Bảng 16. Kết quả mẫu 5 .............................................................................................57

ix


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề

Việt Nam đang trên đà phát triển thực hiện quá trình công nghiệp hoá, hiện đại
hoá đất nước, chính vì vậy những năm gần đây ngành cơ khí ở nước ta rất được coi
trọng và đầu tư phát triển. Ngành cơ khí chế tạo máy bao gồm nhiều công đoạn, nhiều

ngành trong đó ngành gia công cơ khí giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực chế tạo chi
tiết máy đặc biệt trong sản xuất chế tạo hàng loạt.
Máy CNC ra đời là một bước ngoặt lớn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong sản
xuất chế tạo máy với đặc điểm ưu việt hơn các dòng máy khác là khả năng sản xuất
hàng loạt với độ chính xác cao và giảm thiểu được lượng nhân công đáng kể. Thêm
vào đó máy CNC là một công cụ rất cần thiết cho quá trình thực tập tại các trường đại
học đào tạo các ngành cơ khí, kỹ sư nhưng chi phí cho một máy CNC khá đắt nên máy
CNC chưa đến gần được các sinh viên, kỹ sư tương lai.
Cũng từ đó mà hãng ArtSoft đã thiết kế ra phần mềm Mach3 chuyên để điều
khiển máy CNC. Phần mềm Mach3 rất gần gũi với người sử dụng, có thể giao tiếp
điều khiển các loại động cơ bước, động cơ servo giúp cho việc tự chế tạo và điều khiển
máy CNC tại nhà dễ dàng hơn.
Vì những lí do trên em đã tiến hành nghiên cứu về phần mềm Mach3, thiết kế
mạch với mục tiêu là dùng phần mềm Mach3Mill điều khiển máy CNC phục vụ cho
yêu cầu thực tập.

1


1.2.

Tầm quan trọng của đề tài

Trong quá trình nghiên cứu, tìm hiểu em đã nhận ra các ưu nhược điểm của
phần mềm Mach3 và các loại driver cho động cơ bước. Em cho rằng việc thiết kế
mạch driver điều khiển động cơ bước tương thích với phần mềm Mach3 có thể tiết
kiệm giá thành cũng như giúp dễ làm quen với việc sử dụng máy CNC đối với các kỹ
sư đặc biệt là sinh viên bước đầu tìm hiểu về CNC. Đề tài giúp quá trình thực hành với
máy CNC dễ dàng hơn và góp phần đưa mọi người hiểu thêm về ngành Điều Khiển Tự
Động.

1.3.

Mục đích của đề tài

1.3.1.

Mục đích chung

 Nghiên cứu chương trình Mach3 của hãng ArtSoft.
 Khảo sát mạch driver HY-TB3DV-M của Trung Quốc giao tiếp với phần
mềm Mach3.
 Tìm hiểu cách điều khiển động cơ bước nhiều chế độ của mạch driver
HY-TB3DV-M tương thích tín hiệu điều khiển của Mach3.
 Từ đó tiến hành thiết kế mạch driver động cơ bước 3 trục điều khiển nhiều
chế độ tương thích phần mềm Mach3.
1.3.2.

Mục đích cụ thể

 Khảo sát các loại động cơ bước, các cách điều khiển động cơ bước.
 Tìm hiểu chế động xung điều khiển xuất ra từ cổng LPT trên máy tính của
phần mềm Mach3.
 Khảo sát phần mạch điều khiển và mạch công suất của mạch driver
HY-TB3DV-M đặc biệt là cơ chế điều khiển của IC chuyên điều khiển động
cơ bước TB6560AHQ được sử dụng trên mạch.
 Từ đó bước đầu tìm hiểu kết cấu mạch điều khiển, thuật toán, chương trình
điều khiển.
 Thiết kế mạch điều khiển động cơ bước 3 trục điều khiển ở nhiều chế độ,
giao tiếp máy tính qua cổng LPT tương thích với phần mềm Mach3.
 Viết bằng chương trình MPLAB lập trình cho vi xử lý PIC16F887 giao

tiếp với phần mềm Mach3Mill, xử lý tín hiệu xung máy tính đầu vào để điều
khiển động cơ bước.
2


1.4.

Giới hạn của đề tài
 Mạch điều khiển tối đa được 3 động cơ bước tương ứng 3 trục máy CNC.
 Mạch chỉ điều khiển động cơ trục chính quay một chiều, không có đảo
chiều trục chính.
 Mạch giao tiếp với máy tính không dùng các nút điều khiển ngoài nên quá
trình điều khiển hoàn toàn phụ thuộc vào máy tính.
 Tốc độ làm việc mỗi trục máy CNC: 1 mm/s, mạch đọc được chu kì xung
máy tính tối thiểu: 0.3 ms, công suất động cơ trục chính là 7W nên chỉ gia
công trên các vật liệu mềm như gỗ, mica,…

3


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1.

Tổng quan công nghệ CNC

Khi gia công những chi tiết lớn có biên dạng phức tạp với kỹ thuật thông
thường thì tốn thời gian và chi phí sản xuất cao. Do đó sau một thời gian nghiên cứu,
biên dạng gia công của những chi tiết lớn có thể dễ dàng thay thế bởi các chức năng
toán học và người ta đã quyết định chế tạo một bộ điều khiển số, từ đó ngành điều

khiển số NC (Numberical control) ra đời. Trên cơ bản, đây là một quá trình tự động
điều khiển các hoạt động của máy (như máy cắt kim loại, robot,…) trên cơ sở các dữ
liệu ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái đặc biệt
tạo nên một chương trình làm việc được gọi là G-code.
Sự phát triển nhanh chóng của các linh kiện vi điện tử như các bộ vi xử lý và
máy tính đã tạo điều kiện cho hệ điều khiển NC phát triển thành hệ điều khiển số bằng
máy tính CNC (Computerizal numberial control). Đặc điểm quan trọng của việc tự
động hoá quá trình gia công trên các máy CNC là đảm bảo cho máy có tính vạn năng
cao. Điều đó cho phép gia công nhiều loại chi tiết với dạng sản xuất hàng loạt.
Đặc trưng cơ bản của máy CNC:
a. Tính năng tự động cao
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm tối đa thời gian phụ, do đó mức độ
tự động được nâng cao vượt bậc. Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện
nhiều chuyển động khác nhau cùng một lúc, có thể tự thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng
cụ, tự động tưới nguội.
b. Tính linh hoạt cao
Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại
chi tiết khác nhau. Do đó rút ngắn được thời gian sản xuất tạo điều khiện thuận lợi cho
việc tự động hoá sản xuất hàng loạt.

4


c. Tính chính xác, đảm bảo chất lượng cao
Giảm được hư hỏng do sai sót của con người đồng thời giảm được cường độ
làm việc của người đứng máy. Có khả năng gia công chính xác hàng loạt. Độ chính
xác lập lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt
tuyệt đối của máy CNC.
Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia năng được những
chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước. Những đặc điểm này thuận lợi cho

việc lắp dẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất.
d. Gia công biên dạng phức tạp
Máy CNC là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có
hình dáng phức tạp như các bề mặt ba chiều.
e. Tính năng hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao
-

Cải thiện tuổi bền dao nhờ điều kiện cắt tối ưu. Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt,

đồ gá và các phụ tùng khác.
-

Giảm lượng phế phẩm.

-

Giảm thời gian sản xuất.

-

Có thể sử dụng lại chương trình gia công.

-

Tiết kiệm được chi phí lao động.

-

Giảm thời gian kiểm tra vì máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất.

-

CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại

khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất.
Tuy nhiên máy CNC không phải không có những hạn chế. Dưới đây là một số
hạn chế của máy:
-

Sự đầu tư ban đầu cao: Nhược điểm lớn nhất khi sử dụng máy CNC là tiền

vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt.
-

Yêu cầu bảo dưỡng cao: Máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ

khí, điện rất phức tạp. Để máy gia công chính xác cần thường xuyên bảo dưỡng.
Người bảo trì phải thông thạo cả về cơ và điện.
-

Hiệu quả thấp với những chi tiết đơn giản.

5


2.2.

Một số máy CNC tiêu biểu
Bảng 1. Thông số kỹ thuật máy FANUC 0i-MC
Hành trình trục X

800 mm

Hành trình trục Y

460 mm

Hành trình trục Z

520 mm

Tốc độ làm việc tối đa

32 m/phút

Sai số tối đa

+/-0.01 mm

Kích thước

3050x2100x2833 mm

Khối lượng

5100 kg

Nguồn điện

220V/50Hz

Hình 2.1 Máy phay CNC Hàn Quốc
hiệu FANUC 0i-MC
Máy phay CNC Hàn Quốc làm việc công suất cao, có bàn thay dao tự động
gồm 24 hoặc 30 chiếc. Khung máy được thiết kế chắn chắc, bền bĩ, chịu lực tốt. Máy
có thể phay nhiều loại vật liệu từ gỗ, mica đến nhôm, thép.
Hình 2.2 Máy khoan mạch in
LPKF ProtoMat S42

Bảng 2. Thông số kỹ thuật máy
LPKF ProtoMat S42
Hành trình trục X/Y/Z
229/305/120 mm
Tốc độ khoan

90 điểm/phút

Tốc độ làm việc tối đa

50 mm/s

Sai số tối đa

+/-0.02 mm

Kích thước

580x480x620 mm

Khối lượng

43 kg

Nguồn điện

115/230V; 50-60Hz;
200W

Máy LPKF ProtoMat S42 là dạng máy khoan - phay tự động được điều khiển
bằng máy tính với độ chính xác cao, với chức năng thay đổi dụng cụ (mũi cắt, khoan
và phay) bằng tay. Máy có thể khoan, phay và tạo các đường mạch trên plastic, nhôm
hoặc những chất liệu kim loại khác.

6


Hình 2.3 Máy tiện CNC

Bảng 3. Thông số kỹ thuật

hiệu CK6166

máy tiện CK6166
Hành trình trục X/Z

330/700 mm

Tốc độ tối đa

8 mm/s

Độ chính xác lặp lại
trục X/Z
Kích thước

0.0075/0.01 mm
2060x1180x1500
mm

Trọng lượng

2380 kg

Máy tiện CK6166 đạt tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng có hệ thống khung máy
được thiết kế chắc chắn, chịu lực tốt. Máy có độ chính xác cao khi gia công rất đa
dụng khi gia công sản phẩm có hình dạng phức tạp.
Hình 2.4 Máy khắc CNC RJ-1325

Bảng 4. Thông số kỹ thuật máy khắc RJ-1325
Hành trình trục X/Y/Z

1300/2500/180 mm

Tốc độ tối đa

28 mm/s

Độ chính xác lặp lại
trục X/Z
Kích thước

0.01/0.005 mm
2180x3100x1600

Trọng lượng

mm
980 kg

Thân máy khắc RJ-1325 được đúc thành một khối thống nhất, kiên cố không bị
biến dạng qua thời gian sử dụng. Phần cơ học sử dụng loại dây xích và bánh răng nhập
khẩu, làm việc tốc độ nhanh, độ chính xác cao, chuyển động ổn định. Tiếng ồn nhỏ,
lực cắt khắc mạnh, đảm bảo cho máy hoạt động dưới cường độ mạnh.
2.3.
2.3.1.

Tra cứu các bộ phận cần thiết của một máy CNC
Động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với
đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ không đồng bộ
dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau
thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rotor, có khả năng cố định
rotor vào các vị trí cần thiết.
7


Hình 2.5 Cấu tạo động cơ bước
Động cơ bước không quay theo cơ chế
thông thường, chúng quay theo từng bước nên có

độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng
làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các
tín hiệu điều khiển vào stator theo thứ tự và một tần
số nhất định. Tổng số góc quay của rotor tương ứng
với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và
tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần
số chuyển đổi.

Hình 2.6 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
Động cơ bước phong phú về góc quay. Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗi
bước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay 1.8 độ đến
0.72 độ mỗi bước. Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơ nam châm vĩnh
cửu và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài bộ điều khiển có thể
điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước.
Ta có thể phân loại động cơ bước theo:
 Cấu tạo: căn bản có 3 loại động cơ bước; loại từ trở biến đổi (variable
reluctance), loại nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và loại lai (hybrid).
Chúng khác nhau ở cấu tạo trong việc dùng các rotor nam châm vĩnh cửu hoặc
lõi sắt với các lá thép stator.
8


 Số bước/vòng (góc bước): động cơ bước phong phú về góc quay. Các động
cơ kém nhất quay 90 độ mỗi bước (động cơ 4 bước), trong khi đó các động cơ
xử lý cao có thể quay 1.8 độ (200 bước) đến 0.72 độ mỗi bước (500 bước).
 Số đầu dây (số pha): động cơ bước có nhiều đầu dây ra thường là 4, 5, 6, 8
đầu dây từ đó có thể phân ra thành động cơ bước 2 pha, 3 pha, 5pha.

Hình 2.7 Động cơ bước PK264A2-SG3.6
Động cơ bước PK264A2-SG3.6 là loại động cơ bước đơn cực. Động cơ bước

đơn cực cả nam châm vĩnh cửu và động cơ hỗn hợp, với 5, 6 hoặc 8 dây ra thường
được quấn như sơ đồ hình 2.8, với một đầu nối trung tâm trên các cuộn. Khi dùng, các
đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của
mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi cuộn đó.

Hình 2.8 Sơ đồ quấn dây động cơ bước đơn cực
Động cơ bước ứng dụng nhiều trong điều khiển vị trí như: Góc, vị trí (chiều
dài). Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp
hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng
số. Ví dụ: Điều khiển robot, điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt,
điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay...
9


2.3.2.

Động cơ DC

Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng
như công nghiệp, hoạt động với dòng điện một chiều.

Hình 2.9 Các loại động cơ DC
Động cơ DC có cấu tạo gồm stator thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu, hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một
chiều.

Hình 2.10 Cấu tạo động cơ DC
Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu
moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. Một phần quan
trọng của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ là đổi chiều dòng

điện trong cuộn rotor trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường
bộ phận gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp. Đây cũng
chính là nhược điểm chính của động cơ DC, làm cho cấu tạo phức tạp, đắt tiền, kém
tin cậy và nguy hiểm trong môi trường dễ nổ, khi sử dụng phải có nguồn điện một
chiều kèm theo hoặc bộ chỉnh lưu.
2.3.3.

Bộ truyền vít me

Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường dùng hai dạng vít me cơ bản:
vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.
10


Vít me đai ốc thường: vít me và đai ốc tiếp xúc mặt.
Vít me đai ốc bi: vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn.

Hình 2.11 Quan hệ giữa lực ma sát và vận tốc của
vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi
Vùng ma sát ướt là vùng tiếp xúc giữa vít me và đai ốc. Qua hình 2.11, vít me
đai ốc bi có dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi
trụ nên ma sát có thể coi như không đáng kể. Vì vít me bi có ma sát nhỏ và hoạt động
êm nên được dùng trong máy có độ chính xác cao, được ứng dụng rất rộng rãi cho
ngành Tự động hoá như máy CNC, máy lắp chíp bo mạch, robot, máy đóng gói, thiết
bị đo lường, máy in, khắc laser, máy ép nhựa...

Hình 2.12 Bộ truyền vít me đai ốc bi
1-vít me

2-đai ốc

3-bi thép

4-ống hồi tiếp

 Ưu điểm bộ truyền vít me đai ốc bi:
Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0.9.
Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ.
Có thể loại trừ khe hở, sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
11


2.3.4.

Công tắc hành trình

Ngoài ra, một máy CNC cần có các công tắc hành trình để trục chính về vị trí
ban đầu cũng như giới hạn hành trình làm việc để không làm hỏng các trục.

Hình 2.13 Các loại công tắc hành trình
Công tắc hành trình được dùng nhiều trong các dây chuyền tự động làm chức
năng đóng mở mạch điện, và nó được đặt trên đường hoạt động của một cơ cấu nào đó
sao cho khi cơ cấu đến 1 vị trí nhất định sẽ tác động lên công tắc. Hành trình có thể là
tịnh tiến hoặc quay.
Khi công tắc hành trình được tác động thì nó sẽ làm đóng hoặc ngắt một mạch
điện do đó có thể ngắt hoặc khởi động cho một thiết bị khác. Người ta có thể dùng
công tắc hành trình vào các mục đích như:
 Giới hạn hành trình (khi cơ cấu đến vị trí giới hạn tác động vào công tắc sẽ
làm ngắt nguồn cung cấp cho cơ cấu để nó không thể vượt qua vị trí giới hạn).

 Hành trình tự động: Kết hợp với các rơle, PLC hay vi điều khiển để khi cơ
cấu đến vị trí định trước sẽ tác động cho các cơ cấu khác hoạt động (hoặc chính
cơ cấu đó).
2.4.
2.4.1.

Tìm hiểu về phần mềm Mach3
Giới thiệu

Mach3 là phần mềm của hãng ArtSoft, ban đầu được thiết kế dành cho những
người chế tạo máy cnc tại nhà theo sở thích nhưng đã nhanh chóng trở thành phần
mềm điều khiển linh hoạt trong công nghiệp. Là một phần mềm chạy trên PC (máy
tính cá nhân) và biến máy đó thành một bộ điều khiển rất hữu hiệu và kinh tế. Chương
trình có thể kết nối với một hoặc hai cổng song song LPT (cổng máy in) để thực hiện
quá trình điều khiển.
12


Mach3 chạy tốt trên hệ điều hành Window XP (hay Window 2000) nền bộ vi xử
lý tốc độ 1GHz với màn hình có độ phân giải 1024x768. Mach3 đã thành công trong
việc điều khiển máy: máy tiện (lathes), máy phay (mills), cắt laser (laser), cắt plasma
(plasma), máy khắc (engravers).
2.4.2.

Giao diện phần mềm Mach3

Mach3 có giao diện người dùng được thiết kế để dễ dàng và phù hợp với
phương thức của người làm việc nhất.
Giao diện chính của phần mềm Mach3 gồm các phần cơ bản sau:
-

Thanh menu: bao gồm nhiều chức năng như nhập file G-code, cài đặt chế độ

điều khiển, đơn vị,…
-

Thanh toolbar: gồm nhiều trang trong đó có trang giao diện chính (Program

Run), trang nhập G-code (MDI), trang offset dao (Offsets),…
-

Bảng hiển thị G-code: bảng sẽ hiển thị toàn bộ phần mã G-code người sử

dụng đưa vào và khi Mach3 thực hiện lệnh nào thì dòng trắng trong bảng sẽ chạy
tới hàng G-code đó.
-

Bảng hiển thị độ toạ trục XYZ: sẽ hiển thị toạ độ từng trục một giúp người

dùng biết vị trí chính xác của máy.
-

Bảng mô phỏng đường đi dao: sẽ vẽ ra đường dao mà người dùng viết bằng

G-code với hình vẽ 3D, từ đó người sử dụng sẽ biết được chi tiết sản phẩm để
điều chỉnh sửa chữa đúng ý trước khi cho chạy máy gia công.
-

Nút điều khiển: gồm 3 nút là:
 Cycle Start: bắt đầu thực hiện G-code. Phím tắt: Alt+R.

 Feed Hold: hoãn lệnh, Mach3 sẽ dừng tại dòng lệnh mà ta bấm Feed Hold
nếu muốn tiếp tục thì ta chọn Cycle Start. Phím tắt: Space.
 Stop: dừng thoát ra khỏi G-code, máy ngưng mọi hoạt động. Phím tắt:
Alt+S.

-

Nút EStop: dừng khẩn cấp, khi có sai phạm ta bấm EStop thì mọi hoạt động

sẽ dừng lại.
-

Bảng điều khiển trục chính: hiển thị tốc độ trục chính khi làm việc ngoài ra

ta có thể điều khiển trục chính khi bấm nút Spindle CW, phím tắt: F5.

13


-

Bảng điều khiển tay: với các phím X+,X-,Y+,… giúp người dùng di chuyển

nhanh đến vị trí mong muốn, ta có thể điều chỉnh tốc độ di chuyển của các trục
tại bảng Slow Jog Rate bằng cách tăng giảm phần trăm bước di chuyển.

Hình 2.14 Giao diện chính của Mach3
Giao diện của Mach3 rất dễ gần đối với người dùng lần đầu tiên sử dụng, với
giao diện chính thì người dùng đã hoàn toàn có thể điều khiển được một máy CNC
theo ý muốn, đây là một cách giúp người sử dụng làm quen với việc điều khiển một

máy CNC sau này.
Thêm vào đó Mach3 còn có các chương trình nhỏ được viết sẵn gọi là Wizard.
Wizard được thiết kế để cho người sử dụng nhanh chóng thực hiện những thao tác
thường xuyên làm cho công việc trở nên thuận tiện mà không cần phải tạo file G-code
trước đó. Một số chương trình wizard được cấp miễn phí như:
-

Cắt bánh răng (Cut Gear)

-

Khắc chữ (Text Engraving)

-

Phay ren (Thread Milling)

-

Tạo lỗ (Cut Circle)
14


-

Khoan lỗ quanh vòng tròn (Circ. Hole Pattern)

Và nhiều chương trình wizard chức năng khác…

Hình 2.15 Bảng lựa chọn chương trình Wizard

2.5.

Tham khảo một số mạch driver điều khiển động cơ bước

Hình 2.16 Driver động cơ bước 3 trục HY-TB3DV-M
1-cổng LPT giao tiếp máy tính

6-cổng động cơ bước 3 trục XYZ

2-cổng tín hiệu điều khiển tay

7-cổng động cơ trục chính

3-tín hiệu đầu vào (công tắc hành trình, nút stop,…)
4-đèn led báo tín hiệu

8-rơle

5-công tắc cài đặt chế độ
15