Đặt vấn đề Ngành cơ khí nước ta trong những năm qua tuy đã có bước phát triển đáng kể nhưng vẫn còn khoảng cách khá xa so với các nước tiên tiến, đặc biệt là ở lĩnh vực cơ khí chính xác. Ngoài việc đầu tư nghiên cứu có tr ng điểm, ngành cơ khí cần đi tắt đón đầu, nhanh chóng nắm bắt công nghệ tiên tiến để tiết kiệm thời gian và chi phí nghiên cứu. ông nghệ D/ M/ N là một trong những hướng đi đó. Trên thế giới, công nghệ D/ M/ N phát triển m nh từ 20 năm cuối thế kỷ 20, nhưng ch bắt đầu phổ biến ở nước ta trong khoảng 10 năm trở l i đây.
Việc phải phụ thuộc hoàn toàn vào sản phẩm nhập ngo i với giá thành còn rất cao khiến t lệ ứng dụng công nghệ này còn thấp, chưa đ t hiệu quả kinh tế như mong đợi. Vì vậy nghiên cứu chế t o máy N thương hiệu Việt là vấn đề vô cùng cần thiết và đã thu hút nhiều công trình nghiên cứu. Từ những điều kiện khách quan và sự đam mê công nghệ D/ M/ N , nhóm sinh viên đã quyết định thực hiện đề tài “Sử dụng board nhúng Beaglebone điều khiển máy phay N 3 trục dùng động cơ servo”. Hi v ng rằng đây s là tài liệu bổ ích góp phần thúc đẩy hơn nữa việc tìm hiểu ứng dụng công nghệ D/ M/ N vào thực tiễn.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, giải thuật nội suy và ứng dụng hệ thống servo điều khiển vị trí nhằm t o ra mô hình máy phay N 3 trục phục vụ giảng d y. Phần mềm điều khiển ch y trực tiếp trên board nhúng và giao tiếp với người dùng không cần dùng máy tính P. Đối tƣợng nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo Nghiên cứu giải thuật nội suy Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm bộ điều khiển máy N và hiển thị tương tác với người dùng 1 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC 3 trục dùng AC servo 1. Giới hạn đề tài Máy N là sản phẩm phức t p đòi hỏi sự kết hợp của nhiều ngành k thuật cao: cơ khí-điện tử-điều khiển-tin h c.
Ở góc độ đồ án tốt nghiệp đ i h c và những h n chế về thời gian và kinh phí, nhóm sinh viên đề xuất thực hiện đề tài ở các nội dung: Tìm hiểu lý thuyết điều khiển chuyển động vị trí. Nghiên cứu và cài đặt hệ thống servo. Nghiên cứu giải thuật nội suy. Tìm hiểu và ứng dụng máy tính nhúng Beaglebone làm bộ điều khiển máy N và hiển thị tương tác với người dùng.
2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC 3 trục dùng AC servo CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC 2. Khái niệm omputer Numerical ontrol ( N ) là một công cụ máy có chức năng điều khiển vị trí bởi một chương trình vừa có chữ vừa có số (coded alphanumeric data) trên máy tính. N có thể điều khiển vị trí của phôi gia công hoặc dao, các tham số cung cấp như là chiều sâu cắt, vận tốc và các chức năng khác như là tắc/mở nước làm nguội hoặc là tắc/mở qu t làm mát. L ch sử phát triển Thiết kế máy N hiện đ i bắt nguồn từ tác phẩm của John T.
Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950. Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình d ng phức t p. Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể t o ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho Không quân để t o mặt cong cho cánh máy bay.
Sử dụng một đầu đ c thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế t o cực kì lớn, phức t p và đắt đỏ. Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. Đến những năm 1960, giá thành và tính phức t p của những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ.
ác động cơ này nhận ch dẫn điện từ một đầu đ c băng từ – đ c một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ. Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đ c sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. ác xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. húng thường được g i là N hay máy điều khiển số.
Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức t p ngày càng cao của hình d ng chi tiết và những vấn đề về toán h c và k thuật mà h gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí k thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của h để thực hiện một lo t các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới. uối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J.
Watson, chủ tịch huyền tho i của IBM, nhờ đó IBM s làm việc với tập đoàn Parsons để t o ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với ir Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC 3 trục dùng AC servo năng cắt các hình d ng đường mức giống như những hình trong cánh qu t và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện ông nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. ác nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án ir Force từ thời Thế chiến II.
Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển. Việc phát triển thành công các công cụ máy N đã được các nhà nghiên cứu của trường đ i h c đảm trách.1: áy CNC đ n gi n Trong những năm 60, thời gian đã chín mùi cho việc phát triển và ứng dụng các máy N. Rất nhiều thành viên của ngành công nghiệp hàng không M đã nhanh chóng ứng dụng, phát triển và đã sản sinh ra thế hệ máy mới ( N ) cho phép phay các biên d ng phức t p, t o hình với hai, ba hoặc bốn và năm trục (ba tịnh tiến và hai quay). ác nước châu u và Nhật Bản phát triển có chậm hơn một vài năm, nhưng cũng có những đặc điểm riêng, chẳng những về mặt k thuật, mà cả về kết cấu như kết cấu trục chính, cơ cấu chứa dao, hệ thống cấp dao.2: áy CNC hiện đại 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC 3 trục dùng AC servo ác máy N hiện đ i ho t động bằng cách đ c hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình.
Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình t o ra một lo t lệnh mà máy có thể hiểu được. Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản ch cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính s lựa ch n phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới d ng phôi. Thiết bị mới nhất có thể ch n một mẫu k thuật được t o ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản v hay một chương trình.
Đặc trƣng máy CNC a. Tính năng tự động cao Máy N có năng suất cắt g t cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc. Tùy từng mức độ tự động, máy N có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu ch nh sai số dao, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu ch nh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt… b. Tính năng linh hoạt cao hương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các lo i chi tiết khác nhau.
Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, t o điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng lo t. Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình. Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà ch giữ lấy chương trình của chi tiết đó. Máy N gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh ho t khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan tr ng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của k thuật tin h c thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý.
Tính năng tập trung nguyên công Đa số các máy N có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết. Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy N đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC. 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Máy phay CNC 3 trục dùng AC servo d. Tính năng chính xác, đ m b o chất lượng cao Giảm được hư hỏng do sai sót của con người.
Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc.