(Đồ án tốt nghiệp) thiết kế bộ điều khiển máy CNC mini 2 trục

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN - TỰ ĐỘNG HÓA

THIẾT KẾ BỘ ÐIỀU KHIỂN MÁY CNC MINI 2 TRỤC

GVHD: Th.S NGUYỄN PHƯƠNG QUANG
SVTH : TRẦN QUANG KHOA
12151037
NGUYỄN VĂN TRƯỜNG 12151092

SKL004505

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO 

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
MINI 2 TRỤC
SVTH : Trần Quang Khoa
Nguyễn Văn Trường

Khóa : 2012
Ngành : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐK & TĐH

GVHD: GVC. ThS Nguyễn Phương Quang

Tp.Hồ Chí Minh , tháng 7 năm 2016


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ
NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự
do – Hạnh phúc *******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2016

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC MINI 2
TRỤC

SVTH :

Trần Quang Khoa

MSSV :

12151037

SVTH :

Nguyễn Văn Trường

MSSV :

12151092

KHĨA :

2012

NGÀNH : CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐK & TĐH
GVHD :

GVC.Ths. Nguyễn Phương Quang


Tp.Hồ Chí Minh , tháng 7 năm 2016
CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ
NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự
do – Hạnh phúc *******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2016

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên Sinh viên:

Trần Quang Khoa
MSSV: 12151037
Nguyễn Văn Trường
MSSV: 12151092
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.

Lớp: 12151CLC
Họ và tên giáo viên hướng dẫn: GVC.ThS.Nguyễn Phương Quang
ĐT: 0901177151
Ngày nhận đề tài:
Ngày nộp đề tài:
Tên đề tài: Thiết kếbô đ ̣ iều khiển máy CNC mini 2 trục
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.
Các số liệu, tài liệu ban đầu:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
1.

Nội dung thực hiện đề tài:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4.
Sản phẩm
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
TRƯỞNG NGÀNH
GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
3.

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ
NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự
do – Hạnh phúc *******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng

năm 2016

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

MSSV: 12151037
Họ và tên Sinh viên: Trần Quang Khoa
Nguyễn Văn Trường
MSSV: 12151092
Ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển máy CNC mini 2 trục.
Họ và tên giáo viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Phương Quang
NHẬN XÉT
1. Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2. Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3. Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4. Đánh giá loại:

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5. Điểm:
.......................................................................................................................................
(Bằng chữ ..................................................................................................................... )
thán năm 2016
Tp. Hồ Chí Minh,
g
ngày


Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
*******
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
MSSV: 12151037
Họ và tên Sinh viên: Trần Quang Khoa
MSSV: 12151092
Nguyễn Văn Trường
Ngành: Cơng nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa.
Tên đề tài: Thiết kế bộ điều khiển máy CNC mini 2 trục.
Họ và tên giáo viên phản biện:
NHẬN XÉT
1.

Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
2.
Ưu điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
3.
Khuyết điểm:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
4.
Đánh giá loại:
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
5.
Điểm:
.......................................................................................................................................
(Bằng chữ ..................................................................................................................... )
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng năm 2016
Giáo viên phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)


LỜI CẢM ƠN

Lýdo thành cơng của con người đólàham hoc ̣ ham hỏi, không ngừng cải tiến
vàsáng tao, ̣ bên canḥ đócũng khơng thiếu đươc ̣ sư ̣quan tâm, diù dắt của các thếhê ̣
thầy cô đa ̃diù dắt mình trong quátrinhh̀ hoc ̣ tâp ̣. Qua bốn năm học ở trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh, nhóm khơng chỉ nhận được sự chỉ bảo
tận tình của các thầy cơ mà cịn được hướng dẫn tận tình về lối sống, cách giao tiếp
giữa con người với con người để sau này có thể sống tốt hơn cho bản thân, gia đình
và xã hội.
Nhóm rất chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Phương Quang đã tận tình hướng
dẫn, giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình học tập làm đồ án. Đề tài này là sự tổng
hợp nhiều kiến thức mà nhóm đã được học trong những năm học vừa qua, sự chỉ
dẫn và truyền đạt của Thầy không những là những kiến thức bổ ích giúp em hồn
thành luận văn, mà cịn giúp em rất nhiều trong công việc thiết kế sau này.
Qua đây, em cũng xin cám ơn các Thầy Cô trong khoa đào tạo Chất Lượng
Cao Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. Hồ Chí Minh và anh chị các khóa
trước đã chỉ bảo và truyền đạt những kiến thức về các mơn học khác nhau giúp cho
em có những cơ sở kiến thức để thực hiện đề tài. Tuy nhiên, với kiến thức đã học và
trình độ có hạn, kinh nghiệm bản thân chỉ mới bắt đầu chắc chắn khơng thể tránh
nhiều sai sót. Chúng em xin được sự góp ý của các thầy cơ và bạn bè để có thể tích
lũy được nhiều kiến thức hơn trên con đường sau này.
Sinh viên thực hiện
Trần Quang Khoa
NguyễnVănTrường


TĨM TẮT LUẬN VĂN
1. MỤC ĐÍCH LUẬN VĂN
Tìm hiểu và thiết kế bộ điều khiển máy CNC mini 2 trục.
Khảo sát nguyên tắc hoạt động của của máy CNC.
Kiểm tra đánh giá dạng sóng điện áp ngõ ra.
Nghiên cứu giải thuật và viết chương trình điều khiển.

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tham khảo và tổng hợp trong và ngoài nước.
Tiến hành thực nghiệm trên mô hình thực tế.
Theo dõi đánh giá và nhận xét các thông số thực hiện.
Xử lý số liệu tính tốn và viết báo cáo.
3. THỜI GIAN THỰC HIỆN

Thời gian thực hiện luận văn : 15 tuần
4. ĐỊA ĐIỂM THỰC HIỆN
Nghiên cứu này được thực hiện bằng các mơ hình ở phịng thí nghiệm ĐiệnĐiện tử đặt tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA NGHIÊN CỨU
Đề suất mô hình máy CNC sử dụng động cơ bước trong các hệ thống truyền
động với giá thành thấp đáp ứng được các yêu cầu cơ bản thực tế.
Do hạn chế về mặt thời gian, điều kiện kinh tế nên trong phạm vi luận văn tốt
nghiệp này chỉ dừng lại ở điều khiển động cơ bước và hi vọng đề tài sẽ được tiếp
tục phát triển trong tương lai.


LỜI NÓI ĐẦU
Trong khoảng thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải
quyết vấn đề tự động hóa của xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn( hàng loạt và hàng
khối), mặc dù quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ lại phổ biến. Địi hỏi
bức xúc trong quy mơ sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ về nâng cao hiệu quả
sản xuất đã dẫn tới với đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt
cao trong các dây chuyền sản xuất.
Ngày nay, người ta nhìn nhận quá trình gia công theo quan điểm tổng hợp
giữa tự động hóa và linh hoạt hóa sản xuất. Từ đó dẫn đến vấn đề nghiên cứu, xây
dựng và ứng dụng các hệ thơng gia cơng tích hợp điều khiển bằng máy tính CIM
( Computer Integrated Manufacturing) với chất lượng và năng suất gia công cao.
Máy công cụ, trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật

vi xử lý CNC được xử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo
điều kiện linh hoạt hóa và tự động hóa dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay đổi
phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất.
Trong những năm gần đây NC và CNC 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.
Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như làm quen với công việc thiết
kế của những cán bộ kỹ thuật trong ngành tự động hóa sau này. Nhóm em đã chọn
đề tài “ Thiết kế bộ điều khiển máy CNC mini 2 trục”. Vì lần đầu tiên làm quen với
việc thiết kế tổng thể, mặc dù được tận tình hướng dẫn của thầy Nguyễn Phương
Quang nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa, thời gian thực hiện đề
tại không nhiều, khả năng còn hạn chế nên trong quá trình thế kế sẽ khơng tránh
khỏi những thiếu sót. Nên rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô.
Sau hơn 3 tháng làm đề tài tốt nghiệp, được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn
Phương Quang, các thầy cô giá và sự giúp đỡ các bạn sinh viên trong khoa nhóm
em đã hồn thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng thời hạn qui định. Một lần nữa
cho phép nhóm chúng em gởi đến q thầy cơ cùng các bạn lịng biết ơn sâu sắc
nhất.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016
Sinh viên thực hiện
Trần Quang Khoa
Nguyễn Văn Trường


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP............................................................................................... i
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN...................................................... ii
PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN........................................................ iii
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................................... iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN…………….....……………………………………………………….v
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................................... vi

MỤC LỤC…………………………...........................……………………………………………....vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................................. xiii
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN..................................................................................... 1
1.1. Đăṭvấn đề.......................................................................................................... 1
1.2. Muc ̣ tiêu đềtài.................................................................................................... 1
1.3. Giới haṇ đềtài.................................................................................................... 2
1.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................... 2
1.5. Ý nghiã khoa hoc ̣ vàthưc ̣ tiễn của đềtài............................................................. 2
Chương II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT ………………………………………………….3
2.1. Giới Thiệu....................................................................................................... 3
2.1.1. Ứng dụng......................................................................................................... 4
2.1.2. Ưu điểm hệ thống............................................................................................ 5
2.1.3. Nhược điểm hệ thống...................................................................................... 5
2.2. Cấu tạo,nguyên lý làm việc của hệ thống và một số ứng dụng..........................5
2.2.1. Các thành phần cơ bản của hê ̣thống NC......................................................... 5
2.2.2. Điều khiển bằng bằng tay................................................................................ 5
2.2.3. Điều khiển bằng máy....................................................................................... 6
2.2.4. Đăc ̣ điểm của máy CNC.................................................................................. 6
2.2.5. Phân loaị.......................................................................................................... 7
2.2.6. Ưu điểm cơ bản của máy CNC........................................................................ 8
2.2.7. Một số ưu điểm khác của máy CNC................................................................ 8
2.2.8. Nhược điểm..................................................................................................... 8
2.2.9. Tầm quan trong ̣ của công nghê C
̣ NC đối với ngành gia công kim loaị...........8
2.2.10. Bước đôṭ phámới của công nghê ̣CNC....................................................... 10
2.2.11. Trình đô h ̣ iêṇ taịcủa máy CNC.................................................................. 11
CHƯƠNG III : KỸ THUẬT GHÉP NỐI MÁY TÍNH............................................ 12
3.1. Cổng nối tiếp (serial Port hay COM port)....................................................... 12

3.1.1.Ưu điểm:........................................................................................................ 12
3.1.2.Nhược điểm:................................................................................................... 12
3.2. Giao tiếp qua Slot Card................................................................................... 12
3.3. Cổng song song (LPT port hay parallel port).................................................. 13
CHƯƠNG IV: CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG MƠ HÌNH MÁY CNC.............16
4.1. CHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG........................................................................ 16
4.1.1. Động cơ dẫn động các trục tọa độ :............................................................... 16
4.1.1.1. Động cơ bước (stepping motor )................................................................. 16
4.1.1.2. Động cơ một chiều (DC motor).................................................................. 17
4.1.1.3. Động cơ SERVO:....................................................................................... 17
4.1.1.4. Kết luận :.................................................................................................... 17
4.1.2. Giới thiệu về động cơ bước :......................................................................... 17
4.1.2.1. Giới thiệu chung:........................................................................................ 17
4.1.2.2. Phân loại cấu tạo và nguyên lí hoạt động................................................... 18
4.1.2.2.1.Động cơ biến trở từ…………………………………………………….19
4.1.2.2.2. Động cơ bước đơn cực………………………………………………...21
4.1.2.2.4. Các thơng số chủ ́u của động cơ bước……………………………...22
4.1.2.3. Tính và chọn công suất động cơ điện......................................................... 23
4.2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN DI CHUYỂN CỦA CÁC TRỤC........................23
4.2.1. Phương án phôi cố định................................................................................. 23
4.2.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y, dụng cụ gia công di chuyển theo
trục X…………………........................................................................................... 24
4.2.3. Kết luận:........................................................................................................ 24
4.3. LỰA CHỌN CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG....................................................... 24
4.3.1. Vít me đai ốc................................................................................................. 24
4.3.1.1. Vít me đai ốc thường.................................................................................. 24
4.3.1.2. Vít me đai ốc bi.......................................................................................... 24
4.3.1.3. Phương án dùng đai.................................................................................... 25
5.1. Các linh kiêṇ chính trong các board mach: ̣...................................................... 26

5.1.1. BTS7960....................................................................................................... 26
5.1.2. KIT Launchpad Tiva C................................................................................. 27
5.1.3. HCPL2631 (opto cách ly).............................................................................. 28
5.1.4. LM2576......................................................................................................... 29
CHƯƠNG VI: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN.................................................. 31
6.1. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MACH3........................................................ 31
6.1.1. Giới thiệu..................................................................................................... 31


6.2. HƯỚNG ĐẪN SỬ DỤNG PHẦN MỀM MACH3 MILL..............................31
6.2.1. Các yêu cầu của mach3................................................................................ 31
6.2.2. Giao diện và một số chức năng của mach3................................................... 31
6.2.2.1. Trang Program Run (Alt-1)........................................................................ 32
6.2.2.2. Trang MDI Alt2 (Manual Data Input)......................................................... 35
6.2.2.3. Trang ToolPath (Alt4)................................................................................. 36
6.2.2.4. Trang Offset (Alt5)..................................................................................... 37
6.2.2.5. Trang Setting (Alt6).................................................................................... 37
6.2.2.6. Trang Diagnostics (Alt7)............................................................................ 38
6.3. Cách sử dụng các Mode trong Mach3............................................................. 38
6.3.1. Mode Jog...................................................................................................... 38
6.3.2. Mode Handle(MPG)..................................................................................... 39
6.3.3. Tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT........................................................ 42
6.4. Cách chuyển đổi file Autocad sang G-code..................................................... 44
6.4.1. Làm việc trong Autocad............................................................................... 44
6.4.2. Làm việc trong Mach 3................................................................................ 45
6.4.3. Code MACH3 MILL………............................................................................................ 47
CHƯƠNG VII : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM........................................................56
7.1. Kết qủa mô hình bộ điều khiển máy CNC.......................................................56
7.2. Kết quả giám sát và điều khiển trên máy tính..................................................56
Chương VIII: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.........................................58

8.1. Kết luận...........................................................................................................58
8.2. Hướng phát triển.............................................................................................58
PHỤ LỤC…………………………………………………………………………………………………………...
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................60


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾ T TẮT
N
C
C
N
C
E
P
P
E
C
P
S
P
P

Numerical
control
Computer
Numerical
Control
Enhanccd
parallel port
Extended

capapility
port
Standard
parallel port


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 2.3 Cấu tạo của trục chuyển động
Hình 2.4 Máy hàn điểm
Hình 2.5 Máy CNC kim loại
Hình 2.6 Sản phẩm của máy CNC kim loại
Hình 2.7 Máy CNC cắt Plasma
Hình 2.8 Một số máy CNC hiện nay
Hình 3.1 Đầu cắm port kết nối với driver điều khiển
Hình 3.2 Số chân cổng máy in
Hình 4.1 Sơ đồ đấu dây và mặt cắt ngang động cơ biến từ trở ba cuộn dây
Hình 5.1 Mạch cầu H - BTS7960
Hình 5.2 KIT Launchpad Tiva C
Hinhh̀ 5.3 : Sơ đồchân HCPL 2631
Hình 5.4 LM2576
Hình 5.5 Sơ đồ chân LM2576
Hình 6.1 Giao diện mach3
Hình 6.2 Trang màn hình Program Run
Hình 6.3Nhóm điều khiển chương trình
Hình 6.4 Đặt vị trí trục cần đến
Hình 6.5 Khung điều chình tốc độ các trục
Hình 6.6 Trang MDI
Hình 6.7 Trang Tool Path
Hình 6.8 Giao diện trang Offsets
Hình 6.9 Giao diện trang Diagnostics

Hình 6.10 Bảng điều khiển Mode Jog
Hình 6.11 Hộp thoại cho phép thiết lập ứng các chân điều khiển LPT
Hình 6.12 Cam Funtion Addon
Hình 6.13 Giao diện chương trình Cut a Circular pocket
Hình 6.14 Tiến hành chạy chương trình từ Circular pocket
Hình 6.15 Sơ đồ chân cổng máy in Hình 6.16 Bảng chân
máy in
Hình 6.17 Bảng chọn port máy in
Hình 6.18 Bảng chọn đơn vị trục
Hình 6.19 Giao diện thiết lập thông số các trục
Hình 6.20 Bảng chuyển đổi đuôi file


Hình 6.21 Hộp thoại Import dxf trong Mach 3
Hình 6.22 Các thiết lập trong hộp thoại
Hình 6.23 Hộp thoại thiết lập các lớp
Hình 6.24 Hộp thoại thiết lập hệ số
Hình 7.1 Mô hình sản phẩm
Hình 7.2 Kết quả giám sát trên máy tính


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN
1.1.
Đăṭ vấn đê
Hòa nhịp cùng với sự phát triển cơng nghiệp hóa hiện đại hóa của thế giới thì
ngành tự động hóa và máy móc của nước ta có rất nhiều bước phát triển đáng kể.
Việc nắm bắt, nghiên cứu và ứng dụng kịp thời các công nghệ kỹ thuật phát triển,
cũng như các thiết bị, linh kiện mới là một việc quan trọng góp phần đưa đất nước
ta bắt kịp với tiến độ phát triển với một số nước trên thế giới. Trong xu thế các
ngành cơ điện và tự động hóa ngày càng liên quan chặt chẽ với nhau đã tạo ra bước

tiến lớn khi phối hợp các cơng ghệ sẵn có để tạo ra nhiều loại máy móc phù hợp
trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Do đó nhóm đã chọn đề tài “Thiết Kế Bộ Điều Khiển Máy CNC Mini 2 trục”
sử dụng ARM COTEX M4để điều khiển.Nhằm hiểu rõ hơn về các hệ thống cũng
như cách thức hoạt động của các ứng dụng tương đương trong công nghiệp.
NC = Numerical control
CNC ( Computer Numerical Control ) là một dạng máy NC điều khiển tự động
có sự trợ giúp của máy tính , mà trong đó các bộ phận tự động được lập tình để hoạt
động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra
được mẫu vật với hình dạng và kích thuốc yêu cầu.
1.2.
Mucc̣ tiêu đêtài
Dựa vào các kiến thức đã học, các kiến thức liên quan và các yêu cầu từ thực
tếnhóm đã quyết định tiến hành thực hiện đề tài. Một phần để cũng cố lại kiến thức
đã học, mặt khác có thể thiết kế được một hệ thống thực tế hoàn chỉnh để kiểm
chứng các kiến thức đã học.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế, điều khiển, giám sát đầu công tác qua hai trục
vitme điều khiển bởi hai động cơ bước. Hệ thống đảm bảo hoạt động với độ chính
xác cao, sai số nhỏ và ổn định lâu dài. Tồn bộ các thơng số của hệ thống có thể đặt
và giám sát từ xa.
Mục tiêu cụ thể được đặt ra như sau:
Thiết kế được mô hình phần cứng dựa trên các thiết bị đã có.
Xây dựng được thuật toán và viết chương trình điều khiển ARM COTEX
M4.
Giám sát hệ thống hoạt động thơng qua màn hình máy tính qua ứng dụng

Mach3.

1

1.3.
Giới haṇ đêtài
Trong đềtài này , nhóm chỉthiết kếmơ hinhh̀ máy CNC mini , sử dung ̣ các thiết
bi đơṇ giản có sẵn ngồi thị trường.
Đềtài điều khiển chinhh́ xác các vi trịh́đa c
̃ hoṇ.
Mơ hinhh̀ cơ khícịn nhiều haṇ chếvềđơ c
̣ hính xác.
1.4.
Phương pháp nghiên cứu
Trong suốt thời gian làm đề tài, nhóm đã trải qua các giai đoạn đi từ đơn giản
đến phức tạp. Phương pháp nghiên cứu của nhóm như sau:

Tìm hiểu chung về đề tài nghiên cứu.

Tra tài liệu, dịch thuật tài liệu để hiểu.
 Khảo sát phần cứng hệ thống, từ đó đi tới phân tích, tổng hợp các vấn đề của

hệ thống với u cầu đặt ra.

Mơ phỏng trên máy tính và thử nghiệm hoạt động của hệ thống nhiều
lần.

Đánh giá kết quả đạt được dựa trên kết quả thực tế.
1.5.
Ý nghiã khoa hocc̣ vàthưcc̣ tiêñ của đêtài
Việc hoàn thành đề tài mang lại rất nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn, đó
là:
 Ứng dụng điều khiển các hệ thống cơng nghiệp hiện nay bằng CNC với độ

chính xác và ổn định cao.
 Phát triển mô hình và đưa vào ứng dụng cho các hệ thống trong cơng nghiệp
có sử dụng hệ thống tương đương.

2


Chương II :

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.
Giới Thiệu
Đất nước ta đang bước vào thời kỳ cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với
những cơ hội thuận lợi và những khó khăn thách thức lớn. Điều này đặt ra cho thế
hệ trẻ - những chủ nhân tương lai của đất nước những nhiệm vụ nặng nề. Sự phát
triển nhanh chóng của cách mạng khoa học kĩ thuật nói chung và trong lĩnh vực
điện – điện tử nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất nước biến đổi từng ngày.
Điều khiển Tự Động là một trong những ngành mới, đang có đà phát triển một cách
tích cực trong nền cơng nghiệp nước nhà, chính vì vậy chúng em những kỹ sư tương
lai của đất nước đang nghiên cứu trên ghế nhà trường, đều ý thức một cách rõ
ràng về Điều Khiển Tự Động. Để có thể hiểu sâu hơn về chuyên ngành cũng như
kiến
thức thực tế nhóm tác giả đã đăng ký làm đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Thiết kế bộ
điều khiển máy CNC mini 2 trục”, đây là một đề tài rất hay là một ví dụ điển hình
tổng hợp các kiến thức về kỹ thuật điều khiển và cơ khí.
Lịch sử hình thành
1808 - Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy dệt
(bìa đục lỗ là vật mang tin).1808 – Phiếu đuc ̣ lỗtrên lákim loaịđươc ̣ dùng để điều

khiển tư đ ̣ ông ̣ máy thiêu.
1938 – Claude Shannon bảo vệ luân án tiến sỹ ở Viện công nghệ MÍT (Mỹ)
với- nội dung tính tốn chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân.
1946 – tiến sỹ John W,Mauchly đã cung cấp máy tính số diên tử đầu tiên có tên
ENIAC cho quân đội Mỹ.
1954 – Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển NC
hoàn chỉnh đầu tiên có sử dựng các bóng điên tử.
1954 – Phát triển ngôn ngữ biểu trưng dược gọi là ngôn ngữ lập trình tư động
APT.
1957 – Không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng.
1960 – Kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn điện
tử.
1965 – Giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer).
1980s – Điều khiển sốphân phối đươc ̣ đưa vào sử dung ̣

3


Máy điều khiển sốcổđiển chủ yếu dưạ trên công trình của mơṭ người có tên
làJohn Parsons.
Từ những năm 1940 Parsons đãsáng chếra phương pháp dùng phiếu đuc ̣ lỗ
đểghi các dữliêụ vềvi ̣ trítoạ đơ ̣ đểđiều khiển máy công cu ̣ . Máy đươc ̣ điều khiển
đểchuyển đơng ̣ trên từng toạ đơ ̣, nhờđótaọ ra đươc ̣ bềmăṭcần thiết của cánh bay.
Năm 1948 J.Parsons giới thiêụ hiểu biết của mình cho không lưc ̣ hoa kỳ.
Cơ quan này sau đó đã tài trợ một loạt các đề tài nghiên cứu ởphòng thìnghiêm
Servomechanismcủa trường đaịhoc ̣ ky ̃thuâṭMassachusetts (MIT).
Công trình đầu tiên taịMIT làphát triển môṭ mấu máy phay NC bằng cách điều
khiển chuyển đông ̣ đầu dao của 3 truc ̣ toạ đô. ̣Mấu máy NC đầu tiên đươc ̣ triển lãm
vào năm 1952. Từ 1953 khảnăng máy NC đãđươc ̣ chứng minh.
Môṭ thời gian ngắn sau , các nhàchếtaọ bắt đầu chếtaọ máy NC đểbán , vàcác

nhàmáy công nghiêp ̣ , đăc ̣ biêṭlàcác nhàmáy chếtaọ máy bay đểdùng máy NC
đểchếtaọ các thiết bi c ̣ ần thiết của ho. ̣
Hoa kỳtiếp tuc ̣ cốgắng phát triển NC bằng cách tiếp tuc ̣ tài trơ ̣cho MIT nghiên
cứu ngôn ngữlâp ̣ trình đểđiều khiển máy NC. Kết quảcủa viêc ̣ này là sư ̣ra đời của
ngôn ngữAPT : Automatically Programmed Tools vào năm 1959.
Muc ̣ tiêu của viêc ̣ nghiên cứu APT làđảm bảo môṭ phương tiêṇ đểngười lâp ̣
trình gia cơng cóthểnhâp ̣ các câu lênḥ vào máy NC . Măc ̣ dùAPT làngơn ngữbi
̣chỉtrích làthứ ngơn ngữqđồsơ ̣đối với nhiều máy tính , nó vẫn là cơng cu ̣chính ́u
vàvẫn đươc ̣ dùng rơng ̣ rãi trong công nghiêp ̣ ngày nay và nhiều ngôn ngữlâp ̣ trình
mới làdưạ trên APT.
So sánh cấu trúc máy công cu tc̣ hông thường vàmáy CNC
Máy CNC đươc ̣ thiết kếcơ bản giống như máy công cu ̣ vaṇ năng . Sư ̣ khác
nhau thâṭsư l ̣ àởchỗcác bô p ̣ hâṇ liên quan đến tiến trinhh̀ gia công đươc ̣ điều khiển bới
máy tinh́ h.
Các chuyển đông ̣ của các bô p ̣ hâṇ máy công cu C
̣ NC đươc ̣ xác đinḥ bởi môṭ hê
̣truc ̣ toạ đô. ̣
Mỗichuyển đông ̣ của các bơ ̣phâṇ máy cómơṭhê ̣thống đo riêng đểtinhh́ tốn các
vi trịh́tương ứng vàphản hồi thơng tin này vềhê đ ̣ iều khiển.
2.1.1. Ứng dụng
Tùy theo từng lĩnh vực và mục đích sử dụng mà mơ hình cũng như nguyên lý
hoạt động của hệ thống có thể áp dụng trong các hệ thống máy móc khác như các
loại máy cắt, khắc lazer, khoan ….

4


2.1.2. Ưu điểm hệ thống
Có thể tiết kiệm tối đa thời gian nhờ vào việc di chuyển bằng con đường
ngắn nhất tới nơi đã chọn.

Làm việc với độ chính xác cao.
Người giám sát có thể tự do chọn vị trí mong muốn.
Ít phải dừng máy để kiểm tra kỹ thuật.
Dễ điều khiển thơng qua màn hình máy tính.
2.1.3. Nhược điểm hệ thống
Giá thành sản xuất và sửa chữa cao.
Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn.
2.2.
Cấu tạo,nguyên lý làm việc của hệ thống và một số ứng dụng
2.2.1. Các thành phần cơ bản của hê c̣thống NC

Hình 2.1 Thành phần cơ bản của hệ thống NC
Các phương pháp lâp ̣ trình :
2.2.2. Điêu khiển bằng bằng tay

5


2.2.3. Điêu khiển bằng máy
Chương trình đươc ̣ chuẩn bi ̣bởi lâp ̣ trình viên, trong đóngười lâp ̣ trình chỉ ra
từng bước theo trình tư c ̣ ông nghê. ̣Đối với máy công cu, ̣ các công nghê l ̣ àcác chuyển
đông ̣ tương đối giữa dung ̣ cu c ̣ ắt vàphơi.
2.2.4. Đăcc̣ điểm của máy CNC
Ngồi chuyển đông ̣ doc ̣ theo các truc ̣ X Y vàZ cịn cóthểđiều khiển các chuyển
đơng ̣ quay quan mỗi truc ̣. Các chuyển đơng ̣ quay này cóthểđươc ̣ điều khiển vàđươc ̣
đánh dấu bằng A,B,C.

Hình 2.2 Hương chuyển động của các trục của máy CNC.

Hình 2.3 Cấu tạo của trục chuyển động

Vì chuyển động trên máy tiện có ít bậc tự do hơn trên máy phay nên các giới
thiệu về CNC thường tập trung vào máy phay CNC như là trường hợp tổng quát. Có
hai dạng chuyển động khi vận hành máy CNC: chuyển động chạy bàn (thông
thường là các hướng X và Y) và chuyển động chạy dao (thường là hướng Z cho máy
phay đứng, hướng Y cho máy phay ngang). Với các máy CNC có hơn 3 trục

6


điều khiển, sẽ có thêm các chuyển động xoay quanh các hướng chính nêu ở trên.
Phân chia chuyển động chạy bàn và chạy dao khác nhau tùy theo kết cấu và chức
năng của máy công cụ.
Trên thực tế không bạn không cần xác định xem phải quay mô tơ bao nhiêu
vòng. Chuyển động của các trục được điều khiển đơn giản hơn và logic hơn qua các
tọa độ. Có hai hệ trục tọa độ hay được dùng nhất là hệ tọa độ vng góc (hệ tọa độ
Đề các) và hệ tọa độ cực (polar). Trong các máy gia công hệ tọa độ Đề các phổ biến
hơn.
Giống như hệ tọa độ toán học, mỗi trục trong hệ tọa độ của máy CNC đều có
điểm gốc. Ứng với các bài tốn kỹ thuật, chúng được gọi là điểm gốc (hay chuẩn,
hay điểm 0) của chương trình, của phôi hay của chi tiết. Thuật ngữ tiếng Anh tương
ứng là program zero (hay program origin), work zero, part zero.
Với kỹ thuật này, nếu muốn chạy dao sang phải 1 đơn vị đo (inch hay mm) so
với điểm gốc thì bạn dùng lệnh X1.0, nếu muốn chạy dao lên trên 1 đơn vị đo so với
điểm gốc thì bạn dùng Y1.0. Bộ điều khiển sẽ lập tức xem môtơ và trục vitme bi
phải quay bao nhiêu vòng để tới mục tiêu.
2.2.5. Phân loaị
Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:
Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống , chia ra các
loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC…và các trung tâm gia
cơng CNC. Các trung tâm CNC có khả năng thự hiện gia công nhiều loại bề mặt và

sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau.
Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại:
Các máy điều khiển điểm tới điểm.
Ví dụ: máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…

Hình 2.4 Máy hàn điểm

7


 Các máy điều khiển đoạn thẳng: đó là các máy có khả năng gia cơn g trong

qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục.
 Các máy điều khiển đường :
Máy 2D
Máy 3D
Điều khiển 2D1/2
Điều khiển 4D, 5D
2.2.6. Ưu điểm cơ bản của máy CNC
So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không
phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương
trình được đưa vào máy. Người điều khiển chỉ chú yếu theo dõi kiểm tra các chức
năng hoạt động của máy.
Độ chính xác lằm việc cao. Thơng thường các máy CNC 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 kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn.
Thời quan gia công ngắn hơn.
2.2.7. Một số ưu điểm khác của máy CNC
Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh

máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia cơng hàng loaṭcác sản phẩm nhỏ.
- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ.
- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm.
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ.
- Có thể gia công hàng loạt.

2.2.8. Nhược điểm
Giá thành chế tạo máy cao hơn.
Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn.
Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn.
2.2.9. Tầm quan trongc̣ của công nghê c̣ CNC đối với ngành gia công kim
loaị
Trước đây, máy cắt kim loaịchỉgiải quyết đươc ̣ những đường cắt theo quy luât: ̣
tròn đều, elip, đường thẳng, đường cong… Nhưng các chuyển đông ̣ không theo quy
luâṭ để cắt kim loaị theo đường cong bắt kỳ như đường gấp khúc, không gian 2D,
3D… thìmáy này không giải quyết đươc ̣.

8


Hình 2.5 Máy CNC kim loại

Hình 2.6 Sản phẩm của máy CNC kim loại

9