Phần i khảo sát động học máy phay CNC TSV2013 33

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (16.72 MB, 97 trang )

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Cần Thơ, ngày ……tháng ……năm 2014

…................................

2

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………

giải pháp tổng hợp ngằm nâng cao tính khả dụng cho máy, đồng thời áp dụng
những kiến thức đã học về cơ khí - điện tử - tự động hóa để khảo sát và nâng
cấp máy CNC lên một tầm cao mới.
Trong quá trình thực hiện đề tài, có thể còn nhiều thiếu sót do kiến thức
hạn chế nhưng những nội dung trình bày trong quyển báo cáo này là những
hiểu biết và thành quả em đạt được dưới sự hướng dẫn của TS. Võ Minh Trí.
Em xin cam đoan rằng: những nội dung trình bày trong quyển báo cáo
luận văn tốt nghiệp này là kiến thức và công trình nghiên cứu của bản thân.
Nếu không đúng sự thật, chúng em xin chịu trách nhiệm trước nhà trường.
Cần Thơ, ngày

tháng

năm 2014

Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Sơn

4

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện đề tài em gặp phải không ít khó khăn do

hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm cũng như tài chính hạn hẹp. Để vượt qua
tất cả, bên cạnh những nổ lực cá nhân là rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ, động
viên từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè.
Em chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Võ Minh Trí đã tận tình hướng
dẫn, chỉ dạy, giúp đỡ, hỗ trợ thiết bị và tạo điều kiện thuận lợi để em thực hiện
đề tài.
Cảm ơn hai thầy cố vấn học tập Nguyễn Văn Mướt và Nguyễn Huỳnh Anh
Duy đã giảng dạy, giúp đỡ và định hướng trong suốt quá trình học tập.
Cảm ơn thầy Nghiệm, thầy Khanh, thầy Chánh, thầy Hiếu, thầy Hải … các
thầy cô trong bộ môn Tự Động Hoá, bộ môn Kỹ Thuật Cơ Khí và các bộ môn
khác đã tận tình giảng dạy em trong thời gian học tập tại trường.
Cảm ơn các cô chú, anh em ở công ty cơ khí Tây Đô đã tận tình hỗ trợ và
giúp đỡ em trong quá trình thực hiện luận văn.
Cảm ơn anh Nguyễn Thanh Điền, bạn Bùi Thế Hiển, bạn Nguyễn Hồng
Phúc, bạn Đỗ Thanh Nam và các thành viên của phòng thực hành đồ án đã
góp những ý kiến quý báo cho đề tài hoàn thiện hơn.
Cảm ơn bạn bè trong lớp Cơ Điện Tử K36 đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ
trong quá trình học tập tại trường.
Cảm ơn gia đình đặc biệt là cha mẹ đã bỏ ra vô vàn công sức nuôi nấng,
dạy dỗ, giúp đỡ tài chính cho em học hành để em có được ngày hôm nay.
Sinh viên thực hiện đề tài

Trần Ngọc Sơn

5

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN___________________________i
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1___________________________ii
NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2__________________________iii
LỜI CAM ĐOAN_______________________________________________iv
LỜI CẢM ƠN___________________________________________________v
MỤC LỤC____________________________________________________vi
DANH MỤC HÌNH_____________________________________________ix
DANH MỤC BẢNG_____________________________________________xi
KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT_________________________________________xii
TÓM TẮT ____________________________________________________1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ______________________________________3

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ___________________________________________3
1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ_______________________________4
1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI__________________________5
1.3.1 Mục tiêu của đề tài:__________________________________________5
1.3.2 Phạm vi của đề tài:___________________________________________5

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ_______________________________5
1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO__________________________________6
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT__________________________________7

2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬN TỐC VÀ GIA TỐC__________________7
2.1.1 Khái niệm__________________________________________________7
2.1.2 Giả thuyết về tính tương đối của vận tốc và gia tốc__________________8
2.2 MÁY PHAY CNC MINI TSV2013-33__________________________10

2.2.1 Tổng quan hệ thống CNC_____________________________________10
2.2.2 Cấu hình Laptop IBM ThinkPad T42 cài đặt phần mềm Mach3_______11
2.2.3 Phần mềm điều khiển máy CNC - Mach3________________________11
2.2.4 Ngôn ngữ lập trình CNC ----- G-Code__________________________13
2.2.5 Driver động cơ bước_________________________________________13
2.2.6 Động cơ bước______________________________________________15
2.2.6.1 Cấu tạo cơ bản của động cơ bước_________________________15
2.2.6.2 Đặc tính giữa tốc độ và momen xoắn_______________________16
2.2.6.3 Đặc tính giữa lực quán tính với tần số khởi động______________19
2.2.6.4 Độ chính xác góc xoay động cơ bước_______________________20
2.2.6.5 Động cơ bước 5 pha số hiệu PH596A_______________________20
2.2.7 Trục vít___________________________________________________21
6

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

7

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

2.3 THIẾT BỊ VÀ PHẦN MỀM HỖ TRỢ THÍ NGHIỆM_________________21
2.3.1 Tổng quan và các phần cứng thu nhận dữ liệu của NI_______________21
2.3.1.1 Tổng quan các thiết bị của NI_____________________________21
2.3.1.2 Thiết bị thu nhận tín hiệu PCI-6229 của National Instruments___22
2.3.1.3 Thiết bị đệm tín hiệu SC-2345 của National Instruments________23
2.3.2 Cảm biến vị trí - Rotary encoder E50S8-1000-3-T-24 của Autonics____24
2.3.2.1 Nguyên lý cơ bản và phân loại____________________________24
2.3.2.2 Rotary encoder E50S8-1000-3-T-24 của Autonics_____________28
2.3.3 Phần mềm LabVIEW________________________________________29
2.3.4 Phần mềm Matlab___________________________________________30
2.3.5 Phần mềm thiết kế bản vẽ Autodesk Inventor 2013_________________30
2.3.6 Phần mềm thiết kế tạo G-Code gia công Mastercam_______________31
2.3.7 Phần mềm tạo chương trình gia công mạch in CopperCAM__________32

CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU_______________33

3.1 THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG PHẦN CƠ KHÍ VÀ MẠCH ĐIỆN__________33
3.1.1 Thiết kế và gia công bệ đỡ cảm biến đo vị trí - Rotary Encoder_______33
3.1.1.1 Thiết kế cơ cấu đỡ trục__________________________________33
3.1.1.2 Vật liệu gia công bệ đỡ cảm biến - PP (Polypropylen)__________34
3.1.1.3 Phương pháp và thiết bị gia công__________________________35
3.1.1 Thiết kế và gia công mạch chuyển đổi điện áp xung________________36
3.1.1.1 Mạch nguyên lý________________________________________36
3.1.1.2 Gia công mạch trên máy phay CNC TSV2013-33______________36

3.2 PHẦN MỀM____________________________________________37
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4

Thiết lập phần cứng thu nhận dữ liệu của National Instruments_______37
Mach3 điều khiển máy CNC__________________________________39
Chương trình thu dữ liệu dùng LabVIEW________________________40
Chương trình xử lý số liệu dùng Matlab_________________________42

3.3 THÍ NGHIỆM___________________________________________44
3.3.1 Tổng quan phần cứng trước và sau khi thiết lập thí nghiệm__________44
3.3.1.1 Phần cứng ban đầu của máy CNC TSV2013-33_______________44
3.3.1.2 Phần cứng sau khi thêm các thiết bị đo______________________44
3.3.2 Bài thí nghiệm tìm gia tốc phát động tối đa lý thuyết_______________45
3.3.2.1 Phương pháp thực hiện__________________________________45
3.3.2.2 Tiến hành thí nghiệm và kết quả đạt được___________________46
3.3.3 Bài thí nghiệm về sự ảnh hưởng do thiết lập gia tốc và giải thích______46
3.3.3.1 Phương pháp thực hiện__________________________________46
3.3.3.2 Tiến hành thí nghiệm và kết quả đạt được___________________47
3.3.4 Bài thí nghiệm khắc phục hiện tượng trễ do thiết lập gia tốc__________51
3.3.4.1 Phương pháp thực hiện__________________________________51
3.3.4.2 Tiến hành thí nghiệm và kết quả đạt được___________________51
3.3.5 Bài thí nghiệm tìm đường đặc tính gia tốc vận tốc_________________55
3.3.5.1 Phương pháp thực hiện__________________________________55
3.3.5.2 Tiến hành thí nghiệm và kết quả___________________________56

3.4 KẾT QUẢ_____________________________________________63
8

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ____________________________67

4.1 KẾT LUẬN____________________________________________67
4.2 ĐỀ NGHỊ______________________________________________67
TÀI LIỆU THAM KHẢO________________________________________68
PHỤ LỤC 1: CÁC THIẾT BỊ NI___________________________________69
PHỤ LỤC 2: M-FILE MATLAB___________________________________74
PHỤ LỤC 3: TÀI LIỆU KỸ THUẬT CẢM BIẾN_____________________77
PHỤ LỤC 4: THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ BƯỚC________________________78
PHỤ LỤC 5: BẢN VẼ KĨ THUẬT CHI TIẾT CƠ KHÍ_________________79

9

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Máy CNC đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên TSV2013-33______3
Hình 2.1 Lý thuyết về vận tốc_______________________________________7
Hình 2.2 Lý thuyết về gia tốc_______________________________________7
Hình 2.3 Vận tốc theo thời gian khi gia tốc rất lớn_______________________8
Hình 2.4 Quãng đường theo thời gian khi gia tốc rất lớn__________________8
Hình 2.5 Vận tốc theo thời gian khi gia tốc xác định_____________________9

Hình 2.6 Quãng đường theo thời gian khi gia tốc xác định_________________9
Hình 2.7 Tổng thể hoạt động của hệ thống CAD/CAM/CNC______________10
Hình 2.8 Laptop IBM ThinkPad T42_________________________________11
Hình 2.9 Giao diện phần mềm Mach3________________________________12
Hinh 2.10 Ngôn ngữ G-Code_______________________________________13
Hình 2.11 Đường đặc tính momen của driver động cơ bước_______________14
Hình 2.12 Mạch công suất RKD514L-A______________________________14
Hình 2.13 Cấu trúc động cơ bước 5 pha.______________________________15
Hình 2.14 Vị trí các pha của động cơ bước 5 pha._______________________16
Hình 2.15 Đường đặc tính giữa tốc độ và momen xoắn của động cơ bước____16
Hình 2.16 Đặc tuyến minh họa động cơ PKE245_______________________17
Hình 2.17 Đặc tuyến minh họa vùng hoạt động của động cơ bước__________18
Hình 2.18 Đặc tuyến giữa tần số khởi động và quán tính tải_______________19
Hình 2.19 Độ chính xác góc xoay động cơ bước________________________20
Hình 2.20 Đường đặc tuyến động cơ bước PH596A_____________________20
Hình 2.21 Trục vít_______________________________________________21
Hình 2.22 Các thiết bị của NI______________________________________22
Hình 2.23 Kết nối các thiết bị của NI________________________________22
Hình 2.24 Card NI PCI-6229_______________________________________23
Hình 2.25 Thiết bị đệm tín hiệu SC-2345_____________________________23
Hình 2.26 Ngõ ra vào kết nối trực tiếp trên SC-2345____________________24
Hình 2.27 Nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí góc xoay______________25
Hình 2.28 Nguyên lý hoạt động của mạch trong cảm biến góc_____________25
Hình 2.29 Mã nhị phân __________________________________________27
Hình 2.30 Mã gray_______________________________________________26
Hình 2.31 Đĩa xoay loại tuyệt đối___________________________________26
Hình 2.32 Nguyên lý cảm biến góc loại tương đối______________________27
Hình 2.33 Giải mã cảm biến góc theo chế độ 1X, 2X và 4X_______________27
Hình 2.34 Cảm biến góc rotary encoder E50S8-1000-3-T-24 của Autonics___28
Hình 2.35 Giải thích thông số cảm biến góc dòng E50S của Autonics_______28

Hình 2.36 Hướng dẫn kết nối ngõ ra totem pole của cảm biến góc__________29
Hình 2.37 Hướng dẫn đấu nối dây ngõ ra cảm biến góc__________________29
Hình 2.38 Phần mềm LabVIEW____________________________________29
Hình 2.39 Phần mềm Matlab_______________________________________30
Hình 2.40 Môi trường làm việc của Autodesk Inventor__________________31
Hình 2.41 Phần mềm Mastercam____________________________________31
Hình 2.42 Phần mềm CopperCAM__________________________________32
10

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

Hình 3.1 Vị trí đặt cảm biến________________________________________33
Hình 3.2 Thiết kế chi tiết bệ lắp cảm biến_____________________________33
Hình 3.3 Nhựa tấm PP - Polypropylen_______________________________34
Hình 3.4 Ứng dụng của nhựa PP được gia công bằng CNC_______________34
Hình 3.5 Bảng vẽ chi tiết trên phần mềm Mastercam____________________35
Hình 3.6 Gia công và lắp ráp chi tiết_________________________________35
Hình 3.7 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi điện áp xung________________36
Hình 3.8 Gia công mạch in trên máy CNC TSV2013-33_________________37
Hình 3.9 Cửa sổ NIMax___________________________________________37
Hình 3.10 Kiểm tra Driver PCI-6229________________________________37
Hình 3.11 Thiết lập SC-2345_______________________________________38
Hình 3.12 Hộp thoại tạo SC-2345___________________________________38
Hình 3.14 Thiết lập giá trị tần số hoạt động tối đa của Mach3_____________39
Hình 3.15 Thiết lập gia tốc và vận tốc phát động trên Mach3______________39

Hình 3.16 Tạo khối thu nhận tín hiệu di chuyển DAQ Assistant___________40
Hình 3.17 Thiết lập khối DAQ_____________________________________41
Hình 3.18 Giao diện chương trình LabVIEW__________________________41
Hình 3.19 Sơ đồ khối chương trình LabVIEW_________________________42
Hình 3.20 Giải pháp xử lý số liệu___________________________________42
Hình 3.21 Lưu đồ giải thuật xử lý số liệu trong Matlab__________________43
Hình 3.22 Sơ đồ tổng quát phần cứng máy CNC TSV2013-33_____________44
Hình 3.23 Sơ đồ tổng quát phần cứng của đề tài________________________44
Hình 3.24 Hai chế độ vận hành trên lý thuyết của động cơ bước___________47
Hình 3.25 Sai lệch góc cạnh xảy ra trên chi tiết gia công_________________48
Hình 3.26 Sai lệch do ảnh hưởng của gia tốc phát động trong Mach3_______48
Hình 3.27 Hai chế độ vận hành trên thực tế của động cơ bước_____________49
Hình 3.28 Ví dụ minh họa cho chế độ hoạt động của Mach3______________50
Hình 3.29 Sai số góc cạnh trên máy CNC TSV2013-33__________________50
Hình 3.30 Đồ thị giữa quãng đường theo thời gian khi gia tốc tăng dần______52
Hình 3.31 Quãng đường theo thời gian tại thời điểm khởi động của hệ thống_52
Hình 3.32 Đồ thị quãng đường theo thời gian tại thời điểm kết thúc________53
Hình 3.33 Đồ thị phóng to tại nơi kết thúc hành trình____________________53
Hình 3.34 Đồ thị phóng to phát hiện sai lệch vị trí di chuyển______________54
Hình 3.35 Đồ thị chế độ vận hành start/stop với vận tốc thấp______________56
Hình 3.36 Quá độ của quá trình vận hành start/stop với vận tốc thấp________57
Hình 3.37 Đồ thị chế độ vận hành start/stop với vận tốc cao______________57
Hình 3.40 Quá độ của quá trình vận hành start/stop với vận tốc cao________58
Hình 3.41 Đặc tuyến lỗi di chuyển khi vận tốc thay đổi__________________59
Hình 3.42 Đặc tuyến lỗi cận dưới___________________________________60
Hình 3.43 Đặc tuyến lỗi cạnh trên___________________________________60
Hình 3.44 Đặc tuyến vận tốc và momen xoắn động cơ bước PH596________61
Hình 3.45 Đặc tuyến thiết lập gia tốc vận tốc hợp lý_____________________62
Hình 3.46 Chế độ vận hành bình thường (trái) và vận hành Mach3 (phải)____64
Hình 3.47 Giải pháp khắc phục sai lệch góc cạnh_______________________64

Hình 3.48 Kết quả của thí nghiệm khắc phục sai lệch góc________________65
Hình 3.49 Đặc tuyến thiết lập gia tốc và vận tốc________________________65
11

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

Hình 3.50 Đồ thị phân vùng đặc tuyến thiết gia tốc và vận tốc_____________66

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Các độ phân giải (góc xoay) có thể chọn______________________15
Bảng 3.1 So sánh các giải pháp gia công chi tiết________________________35
Bảng 3.2 Kết quả thực nghiệm thiết lập gia tốc và vận tốc trên Mach3______46
Bảng 3.3 Bảng sai số trong quá trình di chuyển với các gia tốc khác nhau____54

12

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC TSV2013-33

KÍ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
TSV2013-33: Mã số của đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên “Chế tạo máy phay

CNC mini” năm 2013.
CNC: Computer Numerical Control - Điều khiển số bằng máy tính.
Mach3: Chương trình chính điều khiển máy phay CNC mini đề tài TSV2013-33.
PID: Proportional Integral Derivative - Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ.
G-Code: Ngôn ngữ lập trình cho máy CNC.
PC: Personal Computer - Máy tính cá nhân hay máy tính để bàn.
PCI: Peripheral Component Interconnect - Một chuẩn để truyền dữ liệu giữa các
thiết bị ngoại vi đến một bo mạch chủ trên máy tính bàn.

13

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

TÓM TẮT
TSV2013-33 là một đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên, nội dung chính của đề tài là
hoàn thành việc chế tạo ra một chiếc máy phay CNC mini. Mặc dù đã đạt được nhiều
thành tích đáng kể qua các sản phẩm phay thực tế, tuy nhiên với nguồn kinh phí có
giới hạn và sự hạn chế về mặt thời gian nghiên cứu nên đề tài TSV2013-33 chưa thật
sự đi sâu tìm hiểu về động học máy. Chính điều này đã dẫn đến những hạn chế như
chưa nghiên cứu sâu về thiết lập các thông số hoạt động và các mức giới hạn vận tốc,
gia tốc cho phép gia công của hệ thống máy. Do đó, người lập trình gia công và
người vận hành máy đã không thể vận dụng được hết khả năng của máy, cũng như
chưa giải thích và khắc phục một cách khoa học các hiện tượng lỗi hay sai lệch xảy
ra trên chi tiết gia công như sai số di chuyển, độ sắc cạnh các góc, trượt bước v.v…
Trong đề tài này, các giải pháp tổng hợp nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của máy

CNC TSV2013-33 được tiếp tục nghiên cứu. Cụ thể, động học của hệ thống máy sẽ
được khảo sát trên nền tảng lý thuyết và thực nghiệm bằng phương pháp “trial and
error”. Để thực hiện việc khảo sát, cảm biến vị trí Autonics E50S8-1000-3-T-24 được
dùng để đo vị trí dịch chuyển của trục bàn máy, board mạch PCI-6229 của National
Instruments được dùng để thu thập dữ liệu, phần mềm LabVIEW™ và Matlab® được
dùng trong quá trình chuyển đổi, lưu trữ và xử lý số liệu. Kết quả nghiên cứu cho
thấy, với thông số vận tốc cài đặt tối đa trên phần mềm Mach3 của máy CNC
TSV2013-33 là 2700 mm/phút thì giá trị cài đặt gia tốc phù hợp là 1400 mm/s 2 và khi
đó hệ thống hoạt động ổn định với sai số di chuyển là 0.015 mm, sai số độ sắc cạnh
góc vuông với báln kính là 0.2 mm. Thêm vào đó, nghiên cứu đã đề xuất được biên
dạng của đặc tuyến gia tốc và vùng vận tốc làm việc cho máy CNC TSV2013-33. Từ
đó tạo tiền đề cho việc nâng cao khả năng hoạt động và vận hành máy CNC mini của
đề tài TSV2013-33, đặt nền tảng cho qui trình thiết lập các thông số khi thiết kế các
máy CNC mới có sử dụng bộ điều khiển máy tính dùng PC và chương trình điều khiển
máy Mach3.
Từ khóa: động học máy CNC, trượt bước, cảm biến vị trí, phương pháp trial and
error, National Instruments, LabVIEW, Matlab.

1

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

ABSTRACT
TSV2013-33 is a student’s research project, which was assigned to create a completed
mini milling CNC machine. In spite of gaining plenty of remarkable achievements in

the actual milling products, the project has to deal with limited financial resources
and the time restriction in reseach. Therefore, the TSV2013-33 project has not focused
on the details of dynamic characteristics of the machine yet. This leads to some
drawbacks such as the lack of knowledge base about the operational parameters and
the maximum velocity as well as the acceleration of this machine. Therefore, the CNC
programmers and machine operators were not able to reach the maximum capacity of
machine, and not able to explain scientifically the error occurs on the workpiece such
as error in distance, error in right angle ,and synchronization, etc…
In this thesis, the integrated solutions in order to enhance the application of CNC
machine TSV2013-33 is proposed to study. In fact, the investigation of TSV2013-33
dynamics was done theoretically and experimentally by "trial and error" method. In
the investigation setup, Autonics’s position sensor E50S8-1000-3-T-24 was employed
to measure the axis motion, data acquisiton card PCI-6229 from National Instruments
was used to retrieve the measuring information, LabVIEW™ and Matlab® were used
for data processing. As a result, with the maximum 2700 mm/min velocity set in
Mach3 software for TSV2013-33, the reasonable acceleration setting will be 1400
mm/s2. These parameters will stabilize the machine with the error of ±0.015 mm in
distance and the error of 0.2 mm in right angle. In addition, the study also indicates
the dynamic characteristic curve of acceleration and velocity zone for TSV2013-33.
Those important findings lay a foundation of enhancing the performance and
operation of the mini CNC machine TSV2013-33, and well as providing the
improvements for designing new CNC machines whereas PC controller and Mach3
software are used.
Keyword: CNC machine tool dynamics, lose synchronous, position sensor, trial and
error method, National Instruments, LabVIEW, Matlab.

2

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Nằm trong 8 lĩnh vực để đào tạo về công nghệ, ngày nay lĩnh vực CNC đang phát
triển trong ngành công nghiệp, từ các công ty có quy mô nhỏ đến những công ty có
quy mô lớn [1]. Nhu cầu máy CNC Mini cho việc gia công các đồ thủ công mỹ nghệ,
vừa mang bản chất linh hoạt của một máy CNC nhưng vừa tiết kiệm chi phí, độ chính
xác cao, dễ sử dụng đang là một nhu cầu rất lớn hiện nay. Chính vì những ứng dụng đa
dạng và hữu ích mà máy CNC mang lại nên việc chế tạo, khảo sát và đào sâu nghiên
cứu một máy phay CNC Mini đơn giản, tiện lợi, có thiết kế tối ưu và độ chính xác cao
phần nào tạo nhiều động lực cho quá trình học tâp, nghiên cứu, tự động hóa trong sản
xuất công nghiệp phát triển.

Hình 1.1 Máy CNC đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên TSV2013-33

Máy CNC mini TSV2013-33 là sản phẩm của đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên
năm 2013 [2], nhóm sinh viên thực hiện đã rất thành công với việc tạo ra một chiếc
máy phay CNC mini có khả năng gia công chi tiết 3D trên gỗ với tổng kinh phí 23
triệu đồng. Tuy nhiên, một số lý do về mặt thời gian đề tài vẫn chưa được tìm hiểu và
nghiên cứu hết phần động học của máy dẫn đến hệ quả tất yếu là việc còn thiếu hiểu
biết trong việc thiết lập các thông số tốc độ và độ chính xác gia công nên chưa phát
huy năng lực làm việc của máy CNC TSV2013-33 dẫn đến hiệu suất hoạt động của
máy không cao.

3

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

1.2 LỊCH SỬ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Việc khảo sát động học máy CNC là lĩnh vực đã được đi sâu và tìm hiểu ở nhiều quốc
gia với nhiều phương pháp khác nhau.
Tình hình ngoài nước, đã có nhiều đề tài đào sâu tìm hiểu và nghiên cứu các quá trình
động học thuận, động học ngược, động học máy CNC, khảo sát phát hiện và tìm cách
khắc phục hoặc giảm thiểu tối đa các lỗi xuất hiện trên máy CNC. Vài ví dụ như đề tài
“Solution of inverse dynamics problems for contour error minimization in CNC
machines” của Charlie A. Ernesto· Rida T. Farouki năm 2009 khảo sát động lực học
ngược của hệ thống điều khiển máy CNC có hồi tiếp và áp dụng giải pháp PID để
giảm thiểu sai số khi di chuyển dọc theo đường biên dạng [3], đề tài “Sick Slip
Dynamic Errors in CNC Machine Tools” của Somnath Chattopadhyay khảo sát và
kiểm nghiệm một số lỗi như di chuyển theo đường tròn (sick-slip) và một số đáp ứng
bất thường trên máy CNC [4].
Tình hình trong nước, một số trường đại học trong nước đã bắt đầu tìm hiểu và nghiên
cứu về CNC, trong đó trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và trường đại học Bách
Khoa thành phố Hồ Chí Minh là hai đơn vị đi đầu trong quá trình nghiên cứu thể hiện
rõ qua các bài báo, các tài liệu nghiên cứu sâu về hệ thống máy CNC. Vài dẫn chứng
như đề tài “Ứng dụng Neural network hiệu chỉnh sai số tọa độ trong máy CNC” của
Ngô Kiều Nhi, Lê Dương Hùng Anh, Lê Bảo Quỳnh năm 2014 [5], đề tài “Phương
pháp mạng trí tuệ nhân tạo dự đoán quan hệ giữa độ nhấp nhô tế vi bề mặt với thông
số công nghệ khi phay CNC” của Trần Văn Địch, Nguyễn Ngọc Kiên năm 2011 [6]
tạo tiền đề cho quá trình đào sâu nghiên cứu máy CNC.
Cụ thể hơn ở trường Đại học Cần Thơ, một số đề tài luận văn của sinh viên như đề tài

luận văn của Huỳnh Bảo Kiên năm 2012 [7] đã khảo sát và nghiên cứu bộ điều khiển
Axis Controller SPC200 XY table; một đề tài luận văn của Phan Văn Tặng và Phan
Thị Cẩm Tú đã tạo ra một máy CNC Mini dùng Arduino [8] làm việc ở chế độ 2D; đề
tài nghiên cứu khoa học sinh viên chế tạo máy phay CNC TSV2013-33 [2].
Nhìn chung, các đề tài trong và ngoài nước đều thực hiện khảo sát trên các phần mềm
công nghiệp, các hệ thống máy CNC có hệ hồi tiếp vòng kín. Ở trường đại học Cần
Thơ, hiện tại lĩnh vực CNC chỉ dừng lại ở mức chế tạo và vận hành, chưa thực sự đi
sâu vào nghiên cứu tìm hiểu về động học, độ chính xác, giải thích khoa học các lỗi khi
gia công.

4

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

1.3 MỤC TIÊU VÀ PHẠM VI CỦA ĐỀ TÀI
1.3.1 Mục tiêu của đề tài:
Đề tài thiết lập và tiến hành các thí nghiệm với sự hỗ trợ của các thiết bị thu nhận dữ
liệu NI nhằm tìm hiểu chế độ vận hành của phần mềm điều khiển Mach3 trên máy
CNC TSV2013-33, giải thích các hiện tượng sai lệch về vị trí, về thời gian trên máy
CNC, khảo sát chuyển động bàn chạy máy, khảo sát động học máy để tìm ra các thông
số thiết lập phù hợp và đường biên dạng đặc tuyến gia tốc vận tốc cho máy tạo điều
kiện cho quá trình hoạt động ổn định của hệ thống.
1.3.2 Phạm vi của đề tài:
Do giới hạn về thời gian và khả năng của sinh viên có hạn nên đề tài luận văn chỉ
dừng lại ở việc khảo sát xem xét và phân tích trục Y bàn máy CNC.

1.4 HƯỚNG GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
Đề tài dựa vào cơ sở lý thuyết của hệ thống CNC, động cơ bước, quy tắc vận hành, lý
thuyết về động lực học gia tốc, kết hợp với phương pháp “Trial and error” để áp dụng
vào quá trình thực nghiệm. Cụ thể, mỗi vấn đề phát sinh sẽ được đề tài dùng lý thuyết
phân tích chứng minh, sau đó dùng phương pháp thực nghiệm “Trial and error” thông
qua các bài thí nghiệm để thực tế hóa, cụ thể hóa vấn đề. Sau quá trình thực nghiệm,
đề tài đã tạo ra một cơ sở lý thuyết để khẳng định vấn đề.
Hệ thống máy phay CNC mini của đề tài TSV2013-33 hoạt động trực tiếp dưới sự
điều khiển của phần mềm Mach3 trên máy tính. Tín hiệu điều khiển này thông qua
mạch đệm truyền xuống các Driver điều khiển động cơ bước. Đề tài này sẽ đo sự dịch
chuyển của bàn máy nhờ vào cảm biến vị trí được lắp đồng trục với trục vít bàn máy.
Tín hiệu từ cảm biến vị trí này được gửi đến thiết bị thu nhận dữ liệu lắp trên khe cắm
PCI của máy tính PC dùng cho thí nghiệm. Cuối dùng dữ liệu dịch chuyển bàn máy sẽ
được lưu trữ và xử lý trên máy tính.
 Để thực hiện các công việc nêu trên, đề tài sử dụng các thiết bị thí nghiệm và phần
mềm như sau:
Cảm biến E50S8-1000-3-T-24 của Autonics được dùng để đo chính xác độ dịch
chuyển của bàn máy với sai số nằm trong khoảng 0.0025 mm.
Board mạch PCI-6229 của National Instrument được sử dụng để thu nhận dữ liệu
dịch chuyển bàn máy.
Phần mềm LabVIEW và Matlab được sử dụng để lưu trữ và xử lý số liệu.
 Đề tài sẽ được thực hiện dưới dạng các bài thí nghiệm thực tế:
Bài thí nghiệm về mối liên quan giữa các thông số động lực thiết lập trên máy.
Bài thí nghiệm mô tả các hư hỏng, sai lệch, lỗi xảy ra trên chi tiết gia công.
Bài thí nghiệm giải thích các hư hỏng, sai lệch, lỗi xảy ra trên chi tiết gia công.
Bài thí nghiệm khắc phụ lỗi và lựa chọn thông số động lực hợp lý cho máy.
Bài thí nghiệm tìm ra biên dạng của đường đặc tuyến gia tốc và vận tốc máy.
5

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

1.5 CẤU TRÚC BÀI BÁO CÁO
Phần tiếp theo của bài báo cáo được trình bày như sau:
Chương 2: Trình bày cơ sở lý thuyết về động học, về máy CNC TSV2013-33, các thiết
bị và phần mềm dùng trong đề tài.
Chương 3: Trình bày phần cơ khí, mạch điện và phần mềm chuẩn bị thí nghiệm. Trình
bày nội dung và kết quả các phần thí nghiệm.
Chương 4: Trình bày những điểm rút ra từ các bài thí nghiệm, nhận xét ưu khuyết
điểm. Trình bày giải pháp, đề nghị phát triển.
Ngoài ra, các phần còn lại bao gồm tài liệu tham khảo và các phụ lục.

6

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ VẬN TỐC VÀ GIA TỐC
2.1.1 Khái niệm
Về cơ bản, chúng ta đều biết vận tốc là đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên của

quãng đường theo thời gian (Hình 2.1) và tương tự như thế gia tốc là đại lượng đặc
trưng cho sự biến thiên của vận tốc theo thời gian (Hình 2.2).

Hình 2.1 Lý thuyết về vận tốc [11]

Ta có công thức tính vận tốc như sau:
Trong đó,
v là vận tốc cần tìm.
X2 là điểm cuối của quãng đường cần di chuyển.
X1 là điểm đầu của quãng đường di chuyển.
dt là khoảng thời gian tức thì. dt tiến dần về 0.

Hình 2.2 Lý thuyết về gia tốc [12]
7

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

Ta có công thức tính gia tốc như sau:
Trong đó:
a là gia tốc của động cơ.
V2 là vận tốc mong muốn (hay vận tốc lúc sau).
V1 là vận tốc ban đầu (V1 thường cho bằng 0).
dt là khoảng thời gian tức thì cần gia tốc cho động cơ, dt tiến dần về 0.
2.1.2 Giả thuyết về tính tương đối của vận tốc và gia tốc
 Xét một cách tương đối, xem như gia tốc là vô cùng lớn khi vận tốc thay đổi từ V1

đến V2 và gia tốc sẽ bằng không khi vận tốc đã đạt giá trị V2. Nếu chấp nhận giả
thuyết đã nêu trên, chúng ta sẽ có hệ quả:
- Đồ thị biểu diễn vận tốc theo thời gian sẽ là một hàm nấc mong muốn (khoảng thời
gian thay đổi vận tốc từ V1 lên V2 là vô cùng nhỏ) (Hình 2.3).

Hình 2.3 Vận tốc theo thời gian khi gia tốc rất lớn

- Đồ thị biển diễn quãng đường theo thời gian sẽ là một hàm dốc (vận tốc đạt giá trị
V2 một cách tức thì và sau đó không thay đổi trong cả quá trình di chuyển) (Hình 2.4).

Hình 2.4 Quãng đường theo thời gian khi gia tốc rất lớn

8

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

Vậy, theo hệ quả trên thì vận tốc khởi động hay vận tốc tại thời điểm t=0 là vận tốc đặt
trước (bỏ qua khoảng thời gian gia giảm tốc), hay nói cách khác giá trị vận tốc sẽ tăng
lên tức thì và khoảng thời gian tăng đó xem như gần bằng không.
 Đối với trường hợp ngược lại, tức là gia tốc không phải là vô cùng lớn khi vận tốc
thay đổi từ V1 đến V2 thì:
- Đồ thị biểu diễn vận tốc theo thời gian sẽ là một hàm dốc mong muốn (vận tốc thay
đổi tăng dần đều theo thời gian với một giá trị gia tốc a bằng hằng số, và tăng cho đến
khi đạt giá trị mong muốn V2 thì a lại bằng 0) (Hình 2.5).

Hình 2.5 Vận tốc theo thời gian khi gia tốc xác định

- Đồ thị biển diễn quãng đường theo thời gian sẽ là một đáp ứng của hàm dốc (lúc đầu
vận tốc thấp quãng đường di chuyển ngắn, sau đó vận tốc mới tăng dần lên đến giá trị
mong muốn V2 với một giá trị gia tốc nhất định) (Hình 2.6).

Hình 2.6 Quãng đường theo thời gian khi gia tốc xác định
9

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

2.2 MÁY PHAY CNC MINI TSV2013-33
2.2.1 Tổng quan hệ thống CNC
CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy
tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các loại máy móc có tính lập lại cao.
Dùng gia công các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) mang tính chất phức tạp
thông qua việc sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn
EIA-274-D [9], thường gọi là mã G hay G-Code.
CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm
Servomechanism của trường MIT.

Hình 2.7 Tổng thể hoạt động của hệ thống CAD/CAM/CNC [13]

Một sơ đồ toàn diện của một hệ thống CAD/CAM/CNC (Hình 2.7) được thể hiện phía
trên; Nhìn vào sơ đồ chúng ta có 5 phần, mỗi phần đóng một vai trò quan trọng trong

hệ thống.
Phần 1: CAD/CAM có nghĩa là bản vẽ và phần mềm chuyển đổi từ bản vẽ thành
ngôn ngữ G-Code, trong đề tài TSV2013-33 chính là hình cần vẽ và chương trình
chuyển đổi (Image to G-Code hoặc Art-CAM).
Phần 2: Ngôn ngữ dùng cho hệ thống là G-Code sẽ được tải xuống Mach3.
Phần 3: Phần mềm điều khiển Mach3 sẽ gửi tín hiệu cho phần 4.
Phần 4: Các mạch đệm, mạch công suất điều khiển động cơ.
Phần 5: Hệ thống cơ khí máy phay CNC Mini sẽ gia công sản phẩm.
Phần 6: Người vận hành máy.

10

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

2.2.2 Cấu hình Laptop IBM ThinkPad T42 cài đặt phần mềm Mach3
CPU: 1.8Ghz Pentium M/2MB L2 Cache/400Mhz FSB
Hệ điều hành: Windows XP
1.5GB DDR PC2700 Memory
Dung lượng ổ cứng: 60GB Hitachi 7200RPM Hard Drive
Màn hình: 15″ SXGA+ FlexView Screen
Card màn hình: 64MB ATI Radeon 9600
2 USB 2.0/2 PCMCIA Slots/Parallel Port/Serial Port//VGA Out/PS2 Port
Hình thực tế Hình 2.8.

Hình 2.8 Laptop IBM ThinkPad T42

2.2.3 Phần mềm điều khiển máy CNC - Mach3
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 (Hình 2.9):
Máy tiện.
Máy phay.
Máy laser.
Máy cắt plasma.
Vài tính năng nổi trội:
Biến một máy tính cá nhân PC thành một bộ điều khiển máy CNC 6 trục.
Hiển thị video khi máy chạy.
Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle).
Hiển thị G-Code trực quan.
Giao diện có thể tùy biến hoàn toàn theo ý thích người sử dụng.
Điều khiển được nhiều rơle đóng cắt.
Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ.
11

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Luận văn tốt nghiệp

Phần I: Khảo sát động học máy phay CNC mini TSV2013-33

Có khả năng dùng được với màn hình cảm ứng.

Hình 2.9 Giao diện phần mềm Mach3

Một nút ấn dừng trong trường hợp khẩn cấp (ESTOP) phải được cung cấp trên mỗi
máy.
Một số công tắc để cho biết khi nào công cụ đang ở vị trí “Home” (vị trí ban đầu
trước khi chạy).
Một số công tắc hành trình để định nghĩa vùng hoạt động được cho phép của công
cụ.
“Spindle” (trục xoay) được điều khiển. Trục xoay có thể xoay công cụ (phay) hoặc
vật cần gia công (tiện).
Có thể thêm lên đến ba trục. Các trục này có thể xoay hoặc tịnh tiến. Một trong số
các trục tịnh tiến thêm vào có thể làm “slave” cho các trục X, Y và Z. Cả 2 (một
chính và một “slave”) sẽ luôn di chuyển cùng nhau theo các di chuyển từ chương
trình chính và theo “jogging” (chạy máy bằng tay dùng để test), tuy nhiên chúng sẽ
lấy vị trí tham khảo một cách độc lập.
Điều khiển cách làm mát nào sẽ được thực hiện.
Mach3 có thể bật tắt, đổi chiều quay trục xoay. Điều khiển được tỉ lệ mà sẽ làm
thay đổi số vòng quay trên phút (rpm – round per minute).
Hầu hết các kết nối giữa máy PC (máy tính bàn) chạy Mach3 sẽ được thực hiện thông
qua cổng song song (cổng máy in) của máy tính. Một máy đơn giản chỉ cần một cổng
song song, tuy nhiên nếu phức tạp sẽ cần 2 cổng.
Ngoài ra, còn các gói phần mềm hỗ trợ nhỏ đính kèm cùng Mach3 như:
LazyCam là phần mềm CAM thường dùng cho Mach3.
Text Engraving v4 của German Bravo dùng khắc chữ.
12

GVHD: TS. Võ Minh Trí

Phần i khảo sát động học máy phay CNC TSV2013 33

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về