Lập trình và điều khiển mô hình máy taro tự động

Đồ án lập trình và điều khiển mô hình máy taro tự động tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Hồ Nguyên Thanh Long
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử
• Đề tài: Lập trình và điều khiển mô hình máy taro tự động
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về lập trình máy taro tự động tại HCMUTE

Máy taro tự động là thiết bị gia công cơ khí hiện đại. Thiết bị thực hiện taro ren lỗ với độ chính xác cao mà không cần thao tác thủ công. Đồ án tốt nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) năm 2022 do sinh viên Hồ Nguyễn Thanh Long và Nguyễn Đức Huy thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm đã xây dựng thành công mô hình máy taro điều khiển tự động. Đồ án thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Khoa Đào tạo Chất lượng Cao. Hệ thống tích hợp PLC, động cơ servo và bộ điều khiển servo để vận hành chính xác. Máy CNC taro không còn xa lạ trên thị trường quốc tế. Tuy nhiên, tại Việt Nam, ứng dụng thực tiễn trong giáo dục kỹ thuật vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong việc nội địa hóa công nghệ và đào tạo kỹ sư trẻ có khả năng thiết kế, lập trình hệ thống điều khiển tự động trong sản xuất công nghiệp.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu và mục tiêu đồ án

Đồ án được thực hiện tại HCMUTE năm 2022. Mục tiêu chính là thiết kế và lập trình mô hình máy taro tự động phục vụ học tập và nghiên cứu. Sinh viên hai người thực hiện toàn bộ quy trình từ nghiên cứu lý thuyết đến chế tạo mô hình thực tế. Định hướng nghiên cứu bám sát xu hướng tự động hóa sản xuất. Kết quả đồ án được hội đồng nghiệm thu và phê duyệt bảo vệ. Đây là minh chứng cho năng lực thực tiễn của sinh viên kỹ thuật Việt Nam.

1.2. Phạm vi ứng dụng của máy taro CNC trong công nghiệp

Máy taro CNC được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế tạo cơ khí chính xác. Thiết bị có khả năng gia công nhiều loại vật liệu từ gỗ đến kim loại cứng. Trong công nghiệp, máy thực hiện taro ren, khoan lỗ, phay và cắt plasma. Độ chính xác cao giúp giảm phế phẩm và tăng năng suất. Nhiều nhà máy cơ khí tại Việt Nam đang đầu tư vào công nghệ này. Việc đào tạo kỹ sư vận hành và lập trình máy CNC taro là nhu cầu cấp thiết của thị trường lao động hiện nay.

II. Phân tích hệ thống điều khiển và thách thức kỹ thuật

Hệ thống điều khiển máy taro tự động bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp. PLC đóng vai trò trung tâm xử lý tín hiệu và điều phối hoạt động toàn hệ thống. Bộ điều khiển servo nhận lệnh xung từ PLC và truyền tới động cơ servo. Phản hồi vị trí từ encoder giúp hệ thống duy trì độ chính xác ở mức micromet. Thách thức lớn nhất là đồng bộ hóa tốc độ quay của trục taro với chuyển động tịnh tiến. Sai lệch nhỏ trong đồng bộ dẫn đến ren bị hỏng hoặc gãy mũi taro. Ngoài ra, việc lựa chọn thông số gia công phù hợp với từng loại vật liệu đòi hỏi kinh nghiệm thực tế. Lập trình PLC cần xử lý đồng thời nhiều vòng lặp điều khiển với thời gian đáp ứng tính bằng mili-giây. Tích hợp giao diện HMI giúp người vận hành giám sát và điều chỉnh thông số một cách trực quan. Các thách thức kỹ thuật này đòi hỏi sinh viên phải nắm vững lý thuyết điều khiển tự động và thực hành lập trình nhúng.

2.1. Vai trò của động cơ servo trong hệ thống taro tự động

Động cơ servo AC từ Mitsubishi Electric được sử dụng trong mô hình này. Đây là bộ chấp hành quay cho phép kiểm soát chính xác vị trí góc, vận tốc và gia tốc. Cấu tạo gồm rotor, stator và cảm biến phản hồi vị trí encoder. Servo controller nhận lệnh xung từ PLC và điều chỉnh động cơ hoạt động đúng yêu cầu. Hệ thống servo đáp ứng tức thời các lệnh điều khiển tốc độ và hướng chuyển động. Khả năng dừng chính xác tại vị trí micromet là ưu điểm vượt trội so với động cơ thông thường.

2.2. Những khó khăn trong lập trình và đồng bộ hóa hệ thống

Lập trình PLC cho máy taro yêu cầu xử lý đa nhiệm trong thời gian thực. Đồng bộ trục quay và trục tịnh tiến là bài toán kỹ thuật quan trọng nhất. Bất kỳ sai lệch pha nào đều có thể gây hỏng mũi taro hoặc ren không đạt tiêu chuẩn. Cài đặt thông số PID cho servo controller cần được tinh chỉnh cho từng loại vật liệu. Lập trình ladder diagram trong PLC đòi hỏi logic chặt chẽ và kiểm thử kỹ lưỡng. Kinh nghiệm thực tế từ đồ án giúp sinh viên hiểu sâu về tự động hóa công nghiệp.

III. Giải pháp lập trình và phương pháp điều khiển máy taro

Nhóm nghiên cứu áp dụng hệ thống điều khiển vòng kín để đảm bảo độ chính xác gia công. PLC tiếp nhận lệnh từ người dùng thông qua giao diện, sau đó phát xung điều khiển đến servo driver. Servo driver tính toán và truyền tín hiệu điện phù hợp đến cuộn dây động cơ. Encoder gắn trên trục động cơ liên tục gửi phản hồi vị trí và tốc độ về servo controller. Bộ điều khiển so sánh giá trị phản hồi với lệnh đặt và hiệu chỉnh sai lệch trong thời gian thực. Phương pháp điều khiển này cho phép máy dừng chính xác ở vị trí cài đặt với dung sai rất nhỏ. Về phần mềm, chương trình PLC được viết theo ngôn ngữ ladder diagram với cấu trúc module hóa rõ ràng. Mỗi module xử lý một chức năng cụ thể như khởi động, dừng khẩn cấp, điều khiển tốc độ và cảnh báo lỗi. Giao diện vận hành được thiết kế trực quan giúp rút ngắn thời gian đào tạo người dùng.

3.1. Cấu trúc phần cứng và sơ đồ kết nối hệ thống

Phần cứng hệ thống gồm PLC trung tâm, servo driver, động cơ servo AC và encoder phản hồi. Các thành phần được kết nối theo sơ đồ vòng kín đảm bảo phản hồi liên tục. Nguồn điện được phân phối qua aptomat bảo vệ và biến áp cách ly. Cảm biến giới hạn hành trình bảo vệ cơ cấu khỏi va chạm quá mức. Bảng điện điều khiển được bố trí khoa học, dễ bảo trì và kiểm tra. Toàn bộ dây dẫn được đánh số và ghi chú theo tiêu chuẩn kỹ thuật công nghiệp Việt Nam.

3.2. Quy trình lập trình PLC và kiểm thử mô hình thực tế

Quy trình lập trình bắt đầu từ phân tích yêu cầu kỹ thuật và xây dựng lưu đồ giải thuật. Tiếp theo, viết chương trình ladder trên phần mềm chuyên dụng và mô phỏng trước khi nạp vào PLC thực. Giai đoạn kiểm thử chạy không tải để xác minh logic điều khiển hoạt động đúng. Sau đó thử nghiệm với tải thực trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Kết quả kiểm thử được ghi chép và so sánh với thông số thiết kế. Các lỗi phát sinh được phân tích và khắc phục trước khi nghiệm thu đồ án.

IV. Kết quả đạt được và ứng dụng thực tiễn trong giáo dục

Mô hình máy taro tự động được hoàn thiện và bảo vệ thành công tại HCMUTE tháng 12 năm 2022. Hệ thống vận hành ổn định, đạt độ chính xác taro ren theo yêu cầu thiết kế. Đây là minh chứng thực tế cho năng lực tích hợp kiến thức điện – điện tử và tự động hóa của sinh viên kỹ thuật Việt Nam. Kết quả đồ án có giá trị tham khảo cao cho các khóa học tiếp theo tại khoa. Về mặt giáo dục, mô hình trở thành thiết bị thực hành trực quan cho sinh viên nghiên cứu về hệ thống servo và PLC. Về tiềm năng ứng dụng, công nghệ này có thể mở rộng sang thiết kế máy khoan CNC, máy phay nhỏ và hệ thống gia công tự động trong xưởng thực hành. Nghiên cứu còn đặt nền tảng để phát triển phần mềm CAM tích hợp trong tương lai. Việc nội địa hóa thiết kế giúp giảm chi phí và tăng khả năng tiếp cận công nghệ CNC cho các cơ sở giáo dục nghề nghiệp tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả và mức độ hoàn thành mô hình

Hội đồng giám khảo đánh giá đồ án đạt yêu cầu về nội dung và khối lượng công việc. Mô hình vận hành đúng các chế độ: chạy thủ công, tự động và dừng khẩn cấp. Độ lặp lại của vị trí taro đáp ứng tiêu chuẩn gia công cơ khí thông thường. Giao diện vận hành thân thiện, rõ ràng và dễ sử dụng. Hệ thống bảo vệ an toàn hoạt động tin cậy khi có sự cố. Toàn bộ tài liệu kỹ thuật được hoàn thiện và lưu trữ theo quy định của nhà trường.

4.2. Hướng phát triển và đóng góp cho ngành kỹ thuật điện tử

Hướng phát triển tiếp theo là tích hợp bộ đọc mã G-code để nhận lệnh trực tiếp từ phần mềm CAD/CAM. Bổ sung thêm trục chuyển động để nâng cấp thành máy phay CNC 3 trục mini. Ứng dụng IoT để giám sát từ xa qua mạng internet là tiềm năng phát triển lớn. Kết quả nghiên cứu đóng góp tài liệu kỹ thuật bằng tiếng Việt cho lĩnh vực CNC còn thiếu. Mô hình tạo cơ hội cho sinh viên thực hành trực tiếp trên thiết bị tự xây dựng, tăng hiệu quả học tập.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đang phát triển mạnh mẽ trên toàn cầu, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật và công nghệ tự động hóa vào sản xuất công nghiệp là xu thế tất yếu nhằm thúc đẩy công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tại Việt Nam, công tác đào tạo kỹ sư kỹ thuật nhằm sáng tạo và làm chủ các dây chuyền tự động hóa đang được đẩy mạnh để đáp ứng yêu cầu hội nhập và cạnh tranh quốc tế.

Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, nhu cầu gia công các chi tiết đòi hỏi tính thẩm mỹ, độ chính xác cao, chi phí hợp lý và vận hành tiện lợi ngày càng gia tăng. Trước khi máy taro CNC ra đời, việc tạo ren lỗ trên chi tiết gia công chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp taro thủ công hoặc các thiết bị cơ khí thông thường. Phương thức truyền thống này phụ thuộc lớn vào thể lực và tay nghề của công nhân, năng suất thấp và độ chuẩn xác không đồng đều giữa các sản phẩm, dễ dẫn đến hiện tượng lệch tâm hoặc hỏng bước ren. Sự xuất hiện của máy taro tự động điều khiển số (CNC Tapping Machine) là bước chuyển kỹ thuật quan trọng, giúp tối ưu hóa chi phí nhân công, đảm bảo độ chính xác lặp lại tới từng phần nghìn và duy trì sự ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Máy có khả năng taro chính xác trên nhiều loại vật liệu khác nhau như gỗ, sắt, nhôm, mica.

Từ thực tiễn đó, đề tài "Programming and controlling automatic tapping machine model" (Lập trình và điều khiển mô hình máy taro tự động) được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lam.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định theo 11 nhiệm vụ cụ thể:

1. Thi công phần cứng để xây dựng mô hình máy taro CNC 3 trục theo đúng chỉ dẫn của nhà sản xuất.
2. Thiết lập giao tiếp đồng bộ giữa các thiết bị trên mô hình gồm: CPU Q03UDV, driver servo MR-J2S-10A, động cơ AC servo, module định vị QD75D4, module master QJ61BT11N, driver BLED6C-CC và động cơ Brushless DC BLEM46-GFS.
3. Kết nối mạng truyền thông công nghiệp CC-Link giữa module master QJ61BT11N với driver BLED6C-CC.
4. Ứng dụng các phần mềm lập trình GX Works2 và GT Designer3 để điều khiển hệ thống máy taro CNC.
5. Thực hiện toàn bộ thao tác vận hành điều khiển thông qua màn hình HMI.
6. Thiết kế giao diện điều khiển HMI đơn giản, trực quan và dễ sử dụng.
7. Điều chỉnh linh hoạt tốc độ quay taro phù hợp với bề mặt từng loại phôi.
8. Giảm thiểu tối đa tỷ lệ sai số khi taro ren trong các lỗ.
9. Đảm bảo hệ thống đạt các tiêu chí về tính linh hoạt, thuận tiện trong vận hành và tối ưu hóa thời gian gia công taro.
10. Điều khiển máy taro CNC vận hành ở cả hai chế độ: chế độ thủ công (manual mode) và chế độ tự động (auto mode) theo tọa độ đã cài đặt trước.
11. Đảm bảo tính mở, giúp hệ thống dễ dàng nâng cấp theo cấu trúc module hóa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Đối tượng cơ khí (phần cứng): Kết cấu trục vít me của 3 trục X, Y, Z; các chi tiết cơ khí bằng nhôm trên trục X và Y; bàn gá và kẹp giữ phôi; giá đỡ vật liệu; ke góc chữ L; kết cấu khung bệ mô hình và các vị trí gá lắp thiết bị.
• Đối tượng điều khiển (phần điện): Tủ điện điều khiển; bộ điều khiển lập trình Mitsubishi MELSEC-Q (CPU Q03UDV); module định vị thông minh QD75D4; module truyền thông mạng Master CC-Link QJ61BT11N; các bộ khuếch đại Driver Servo MR-J2S-10A; động cơ AC Servo dòng HC-KFS; driver động cơ DC không chổi than BLED6C-CC; động cơ DC không chổi than BLEM46-GFS; hệ thống rơ le Omron MY4N; các cảm biến tiệm cận giới hạn hành trình (Yamatake-Honeywell FL2-4A6QS-F, Yamatake APM-D3B1, BAKS DA-1805NO); bộ nguồn tổ ong 24VDC Omron S82J-6524 và aptomat bảo vệ mạch.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài giới hạn ở việc điều khiển mô hình máy taro CNC 3 trục thông qua phần mềm GX Works2 và GT Designer3 để gia công chi tiết theo yêu cầu; điều khiển trực tiếp bằng các lệnh chuyển động cơ bản; hệ thống không thể tạm dừng khi đang vận hành ở chế độ tự động (auto mode); hệ thống chưa tích hợp khả năng tự động thay mũi taro bằng đầu vát mép (countersink). Đề tài được triển khai và hoàn thành trong thời gian gần 3 tháng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (nghiệm thu vào tháng 12 năm 2022).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng từ các lĩnh vực kỹ thuật cốt lõi:

• Lý thuyết điều khiển số máy công cụ (CNC): Nguyên lý vận hành của hệ thống máy CNC điều khiển chuyển động các trục dựa trên chương trình lập trình theo chuẩn mã lệnh hình học EIA-247-D (G-code); phân loại máy công cụ CNC (phay, tiện, khoan, taro, cắt dây EDM, cắt laser, cắt plasma).
• Bộ điều khiển logic khả trình (PLC): Cấu trúc phần cứng cơ bản của PLC gồm CPU, bộ nguồn, bộ nhớ (RAM, ROM, EPROM, EEPROM), hệ thống bus (Address Bus, Data Bus, Control Bus, System Bus), các loại ngõ vào/ngõ ra (Relay, Transistor, Triac); nguyên lý chu trình quét vòng lặp (Scan loop) gồm đọc dữ liệu ngõ vào, thực thi chương trình người dùng, cập nhật ngõ ra và kiểm tra lỗi nội bộ.
• Dòng PLC Mitsubishi MELSEC-Q: Kiến trúc điều khiển đa bộ xử lý (Multi-Processor) cho phép tối đa 4 CPU phối hợp hoạt động; tốc độ xử lý lệnh cơ bản đạt 34 ns/LD; quản lý chương trình theo cấu trúc dự án (Project); hỗ trợ cấu hình module linh hoạt trên đế gắn (Base Unit).
• Động cơ AC Servo và hệ thống điều khiển vị trí vòng kín (Closed-loop): Cấu tạo rotor, stator của động cơ servo; chức năng của encoder phản hồi vị trí và tốc độ (dạng tương đối Incremental và tuyệt đối Absolute); nguyên lý so sánh xung điều khiển và xung hồi tiếp trong bộ khuếch đại servo driver; ưu điểm triệt tiêu trượt bước của AC Servo so với động cơ bước (Step motor).
• Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC Motor - BLDC): Cấu tạo không sử dụng chổi than cơ học, hiệu suất cao, tiếng ồn thấp và khả năng điều khiển dải tốc độ rộng.
• Module định vị QD75D4: Nguyên lý phát xung điều khiển vị trí độc lập hoặc đồng bộ 4 trục; cơ chế trao đổi tín hiệu điều khiển và dữ liệu bộ đệm (Buffer Memory) với PLC CPU.
• Mạng truyền thông công nghiệp: Mạng trường CC-Link (Control & Communication Link) dùng để kết nối trao đổi dữ liệu tốc độ cao giữa trạm chủ (Master Station) với các trạm thiết bị thông minh; tiêu chuẩn truyền thông Ethernet/IP.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được nhóm tác giả áp dụng bao gồm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập, đọc hiểu và hệ thống hóa các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng từ Mitsubishi Electric và Oriental Motor về PLC dòng Q, module định vị QD75, servo MR-J2S, mạng CC-Link và driver BLDC.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật: Sử dụng phần mềm AutoCAD để xây dựng bản vẽ kết cấu cơ khí 3 trục X, Y, Z, bố trí không gian giá đỡ phôi và sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển.
• Phương pháp lập trình và cấu hình tham số: Lập trình logic điều khiển bằng ngôn ngữ sơ đồ hình thang (Ladder Diagram) trên phần mềm GX Works2; tính toán và cài đặt tham số điện tử, tham số hành trình trên module QD75D4; sử dụng phần mềm MEXE02 để cấu hình thông số vận hành cho driver BLED6C-CC; thiết kế giao diện vận hành và giám sát trên màn hình HMI thông qua phần mềm GT Designer3.
• Phương pháp toán học ứng dụng: Áp dụng thuật toán nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) để phối hợp chuyển động đồng bộ giữa hai trục X và Y, đưa mũi taro đến chính xác các tọa độ điểm theo yêu cầu.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp hoàn chỉnh mô hình phần cứng, kết nối dây dẫn tín hiệu và động lực, kiểm tra từng khối chức năng; chạy thử nghiệm đơn động ở chế độ manual và chạy liên động tự động ở chế độ auto trên các phôi mẫu (mẫu bố trí theo logo Mitsubishi và mẫu bố trí theo đường tròn).

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu hoàn toàn dựa trên các thông số kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn sử dụng (User Manual) của các dòng thiết bị công nghiệp Mitsubishi Electric, Oriental Motor, Omron, Yamatake và các kết quả đo đạc, tọa độ gia công ghi nhận trực tiếp trên mô hình thực nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy taro CNC 3 trục được thiết kế thành hai phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí 3 trục chuyển động và hệ thống điều khiển điện - tự động hóa.

Hệ thống cơ khí sử dụng 3 bộ trục vít me dẫn hướng chuyển động cho các trục X, Y và Z. Trục X và trục Y mang bàn gá phôi chuyển động trên mặt phẳng ngang để định vị tọa độ gia công. Trục Z được lắp thẳng đứng, giữ cụm động cơ taro chuyển động tịnh tiến lên xuống dọc trục để thực hiện chu trình đưa mũi taro đi vào và rút ra khỏi lỗ ren.

Phần điều khiển điện được tích hợp trong tủ điện công nghiệp, bao gồm các thiết bị chính được thống kê trong bảng sau:

Tên thiết bị / Module	Mã hiệu	Nhà sản xuất	Vai trò và thông số kỹ thuật chính
Bộ điều khiển lập trình (CPU)	Q03UDV	Mitsubishi Electric	Xử lý logic chương trình, tích hợp cổng Ethernet, tốc độ xử lý lệnh cơ bản 34 ns/LD
Khung đế cắm (Base Unit)	Q35B	Mitsubishi Electric	Khung đế 5 khe cắm I/O dùng để gắn module nguồn, CPU và các module mở rộng
Module nguồn cấp PLC	Q61P	Mitsubishi Electric	Điện áp vào 100-240VAC, điện áp ra 5VDC dòng định mức 6A cấp cho các module trên base
Module định vị thông minh	QD75D4	Mitsubishi Electric	Điều khiển vị trí 4 trục, phát chuỗi xung điều khiển vị trí tốc độ cao đến các driver servo
Module mạng CC-Link Master	QJ61BT11N	Mitsubishi Electric	Đóng vai trò Master Station mạng CC-Link, quản lý truyền thông với trạm tớ driver BLED6C-CC
Bộ khuếch đại Servo (3 bộ)	MR-J2S-10A	Mitsubishi Electric	Điều khiển động cơ servo các trục X, Y, Z bằng tín hiệu xung/hướng, công suất 100W
Động cơ AC Servo (Trục X, Y)	HC-KFS13	Mitsubishi Electric	Động cơ servo quán tính thấp, công suất 100W, tích hợp encoder vị trí
Động cơ AC Servo (Trục Z)	HC-KFS13B	Mitsubishi Electric	Động cơ servo công suất 100W, tích hợp phanh điện từ (Electromagnetic Brake) chống rơi trục Z
Driver động cơ không chổi than	BLED6C-CC	Oriental Motor	Trạm tớ mạng CC-Link, nhận lệnh điều khiển chiều quay và tốc độ cho động cơ trục chính
Động cơ DC không chổi than	BLEM46-GFS	Oriental Motor	Động cơ trục chính mang mũi taro, điều khiển dải tốc độ linh hoạt
Rơ le trung gian	MY4N	Omron	Đóng cắt mạch điều khiển trung gian, cách ly tín hiệu an toàn
Cảm biến tiệm cận giới hạn	FL2-4A6QS-F	Yamatake-Honeywell	Cảm biến phát hiện kim loại, giới hạn hành trình các trục
Cảm biến tiệm cận vị trí gốc	APM-D3B1	Yamatake	Xác định điểm chuẩn gốc máy (Home position)
Cảm biến tiệm cận phụ trợ	DA-1805NO	BAKS	Cảm biến phát hiện hành trình bổ trợ
Nguồn công nghiệp một chiều	S82J-6524	Omron	Điện áp ra 24VDC, công suất cấp nguồn cho cảm biến và cuộn hút rơ le
Khí cụ đóng cắt bảo vệ	Circuit Breaker	—	Bảo vệ ngắn mạch và quá tải cho toàn bộ hệ thống nguồn cấp

Quy trình cấu hình và cài đặt thông số hệ thống trên phần mềm:

• Trên phần mềm GX Works2: Người dùng thực hiện khai báo cấu hình phần cứng trên khung Base Unit Q35B; thiết lập các thông số tham số mạng CC-Link cho module QJ61BT11N (chỉ định số trạm, tốc độ truyền thông, vùng nhớ trao đổi bit RX/RY và word RWw/RWr với driver BLED6C-CC); thiết lập tham số điều khiển cho module định vị QD75D4 (đơn vị điều khiển là xung - pulse, tốc độ giới hạn, thời gian tăng giảm tốc, phương pháp về gốc Home OPR, tỷ số truyền bánh răng điện tử để đồng bộ với bước trục vít me).
• Trên phần mềm MEXE02: Cấu hình các thông số nội bộ của driver Oriental Motor BLED6C-CC, thiết lập các dải tốc độ quay định mức cho động cơ taro BLEM46-GFS tương thích với tín hiệu điều khiển gửi qua trạm mạng CC-Link.
• Trên phần mềm GT Designer3: Xây dựng hệ thống giao diện điều khiển và giám sát vận hành HMI, bao gồm:
  • Giao diện đăng nhập (Login screen / popup): Quản lý quyền truy cập của người vận hành.
  • Giao diện chế độ bằng tay (Manual page): Cho phép kích hoạt chạy nhấp từng trục (Jog X, Y, Z), thực hiện lệnh đưa các trục về gốc chuẩn (Home return), kích hoạt động cơ taro quay thuận/nghịch độc lập để thử nghiệm.
  • Giao diện chế độ tự động (Auto page): Hiển thị tọa độ các điểm taro định trước, phím khởi động/dừng chu trình taro tự động.
  • Giao diện giám sát (Monitor page): Giám sát tọa độ hiện thời, giá trị tốc độ và sai số vị trí thực tế của từng trục trong quá trình chạy.
  • Giao diện cảnh báo (Alarm page): Tiếp nhận và hiển thị các cảnh báo sự cố từ cảm biến hành trình, trạng thái quá tải driver servo, tín hiệu dừng khẩn cấp (Emergency Stop) theo lưu đồ xử lý lỗi định sẵn.

Quy trình điều khiển chu trình taro: Hệ thống vận hành theo lưu đồ logic khép kín:

1. Phôi gia công được cố định chắc chắn trên bàn kẹp phôi.
2. Hệ thống kiểm tra điều kiện an toàn ban đầu và đưa cả 3 trục X, Y, Z về vị trí điểm gốc chuẩn (Origin return).
3. Người vận hành chọn chế độ vận hành (Manual hoặc Auto), thiết lập tốc độ quay taro phù hợp với vật liệu.
4. Khi lệnh Auto được kích hoạt, bàn máy X-Y thực hiện thuật toán nội suy tuyến tính, di chuyển phôi đến đúng tọa độ lỗ cần gia công.
5. Động cơ không chổi than BLEM46-GFS khởi động quay thuận theo tốc độ đã định; động cơ servo trục Z điều khiển mũi taro tịnh tiến đi xuống với tốc độ bước tiến đồng bộ.
6. Khi đạt tới độ sâu ren theo giới hạn cảm biến hoặc thông số xung đã cài đặt, trục Z dừng tịnh tiến xuống; driver BLED6C-CC đảo chiều quay động cơ taro sang chiều nghịch, đồng thời trục Z tịnh tiến đi lên để rút mũi taro ra khỏi lỗ ren hoàn toàn.
7. Trục Z về vị trí an toàn, bàn máy X-Y tiếp tục nội suy dịch chuyển đưa phôi sang vị trí lỗ tiếp theo cho đến khi hoàn thành toàn bộ chu trình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Project overview

Chương này trình bày tổng quan về đề tài máy taro tự động 3 trục. Tác giả nêu bật lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của công nghiệp cơ khí và xu hướng tự động hóa 4.0, chỉ rõ những hạn chế của phương pháp taro thủ công về độ chính xác và hao phí sức lao động. Chương 1 xác định rõ ràng 11 mục tiêu kỹ thuật cần đạt được, phương pháp tiếp cận đề tài, các giới hạn kỹ thuật của phạm vi nghiên cứu (không tạm dừng được trong chế độ auto, chưa tích hợp vát mép countersink, hoàn thành trong gần 3 tháng tại HCMUTE) cùng danh mục đối tượng nghiên cứu chi tiết về phần cứng cơ khí và phần điện - điều khiển.

Chương 2: Theoretical basis

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện cho việc thiết kế mô hình máy taro CNC:

• Tổng quan về máy công cụ CNC: Lịch sử hình thành từ phòng thí nghiệm MIT Servomechanism (thập niên 1950), nguyên lý hoạt động bằng mã G-code theo chuẩn EIA-247-D; phân tích chi tiết ứng dụng và nguyên lý của 7 dòng máy CNC thông dụng (taro, khoan, phay, xung điện EDM, cắt laser, tiện, cắt plasma).
• Bộ điều khiển lập trình PLC: Định nghĩa, lịch sử, cấu trúc phần cứng (nguồn, CPU, bộ nhớ RAM/ROM/EPROM/EEPROM, các cổng I/O dạng relay/transistor/triac, hệ thống bus), nguyên lý chu trình quét scan loop; phân tích chi tiết dòng PLC Mitsubishi MELSEC-Q với công nghệ đa vi xử lý (Multi-Processor), tốc độ 34 ns/LD, dung lượng bộ nhớ và các bảng mã sản phẩm CPU, module I/O, module nguồn (Q61P, Q62P, Q63P, Q64P).
• Động cơ AC Servo: Cấu tạo rotor, stator; nguyên lý điều khiển vòng kín; cấu tạo chi tiết của bộ mã hóa vòng quay Encoder (dạng quang học, cấu trúc đĩa mã hóa tương đối Incremental và tuyệt đối Absolute); so sánh chi tiết ưu nhược điểm kỹ thuật giữa động cơ bước và động cơ AC Servo; khảo sát các dòng động cơ servo Mitsubishi (HC-KFS, HC-MFS, HC-JR, HC-SFS) và driver MR-J2S-10A.
• Module định vị thông minh QD75D4: Cấu trúc chân kết nối, các bảng dữ liệu truyền thông trao đổi tín hiệu điều khiển với CPU và các thiết bị ngoại vi, cơ chế đệm dữ liệu.
• Mạng truyền thông CC-Link: Cấu trúc liên kết mạng trường, các loại trạm mạng (Master station, Remote I/O station, Remote device station, Intelligent device station) và sự khác biệt giữa các chuẩn trong họ CC-Link; cơ chế trao đổi dữ liệu với PLC CPU.
• Phần mềm hỗ trợ: Tổng quan chức năng của GX Works2, GT Designer3 và AutoCAD.

Chương 3: Design and model construction

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình thiết kế, thi công cơ khí và lắp ráp hệ thống điều khiển:

• Trình bày tổng thể mô hình cơ khí máy taro CNC 3 trục; các bước gia công cơ khí trục vít me, gá nhôm mặt bàn trục X, Y và giá đỡ trục Z mang động cơ taro.
• Thuyết minh sơ đồ khối kết nối toàn hệ thống và sơ đồ đi dây thực tế giữa tủ điện điều khiển với các cơ cấu chấp hành.
• Thống kê chi tiết thông số kỹ thuật, sơ đồ chân và chức năng của từng thiết bị được tích hợp: khung đế Base Unit Q35B, module nguồn Q61P, module CPU Q03UDV, module định vị QD75D4, module mạng QJ61BT11N, 3 bộ servo driver MR-J2S-10A kết hợp động cơ servo HC-KFS13 (trục X, Y) và HC-KFS13B có phanh (trục Z), driver BLED6C-CC cùng động cơ BLDC BLEM46-GFS, bộ nguồn 24VDC Omron S82J-6524, rơ le Omron MY4N, các cảm biến tiệm cận Yamatake FL2-4A6QS-F, APM-D3B1 và BAKS DA-1805NO.

Chương 4: Controller process

Chương 4 tập trung vào quy trình thiết lập điều khiển và hiện thực hóa quá trình gia công sản phẩm:

• Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể toàn bộ chu trình taro tự động.
• Hướng dẫn chi tiết các bước khai báo cấu hình phần cứng trên phần mềm GX Works2: thêm mới module thông minh QD75D4 và module mạng QJ61BT11N.
• Tính toán và cài đặt các tham số điều khiển cho các trục: cài đặt tham số cho driver servo, tham số điều khiển trục X, tham số điều khiển trục Y, theo dõi giá trị tốc độ và sai số tức thời trong hệ thống.
• Cấu hình thông tin trạm mạng CC-Link và thiết lập thông số vận hành động cơ taro trên phần mềm MEXE02.
• Thiết kế chi tiết hệ thống giao diện điều khiển trên phần mềm GT Designer3: cấu hình kích thước màn hình hiển thị GOT, khai báo loại PLC kết nối, thiết lập các trang giao diện (Đăng nhập, Popup đăng nhập, Chế độ Manual, Chế độ Auto, Giám sát Monitor, Cảnh báo lỗi Alarm kèm lưu đồ trạng thái báo động).
• Tiến hành thực nghiệm gia công: gá đặt phôi vật liệu, lựa chọn tốc độ taro, vận hành thử nghiệm chế độ bằng tay, nạp tọa độ và thực hiện gia công taro tự động tạo ren theo hai mẫu biên dạng định trước (mẫu biên dạng logo Mitsubishi và mẫu biên dạng hình tròn).

Chương 5: Results, conclusions and thesis development

Chương 5 đánh giá tổng kết toàn bộ kết quả thực tế đạt được sau quá trình thi công và thử nghiệm mô hình; phân tích các sai sót, sự cố kỹ thuật ghi nhận trong quá trình vận hành; đồng thời đề xuất các định hướng phát triển, hoàn thiện mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm của đề tài được thể hiện cụ thể qua các sản phẩm và số liệu sau:

• Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng mô hình máy taro CNC 3 trục hoạt động ổn định, khung bệ cơ khí vững chắc, các trục vít me X, Y, Z chuyển động êm ái, định vị chính xác vị trí phôi gia công.
• Tủ điều khiển được đấu nối dây hoàn chỉnh, bố trí khoa học, tích hợp đầy đủ hệ thống bảo vệ gồm aptomat, rơ le trung gian Omron MY4N, nguồn DC 24V Omron S82J-6524 và hệ thống cảm biến tiệm cận hành trình.
• Thiết lập thành công kết nối mạng truyền thông công nghiệp CC-Link giữa module master QJ61BT11N với driver BLED6C-CC, điều khiển chính xác các chế độ chạy, dừng, đảo chiều quay và tốc độ của động cơ DC không chổi than BLEM46-GFS mang mũi taro.
• Ứng dụng thành công thuật toán nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) trên phần mềm GX Works2 phối hợp với module định vị QD75D4 để điều khiển đồng bộ hai trục X và Y mang phôi đến đúng tọa độ lập trình.
• Thiết kế hệ thống giao diện điều khiển HMI toàn diện trên GT Designer3 gồm đầy đủ các trang chức năng: trang đăng nhập bảo mật, trang vận hành bằng tay Manual, trang chạy tự động Auto, trang giám sát Monitor theo thời gian thực (giám sát giá trị tốc độ và sai số vị trí), trang cảnh báo lỗi Alarm liên kết với cảm biến hành trình và dừng khẩn cấp.
• Gia công thực nghiệm thành công hai mẫu sản phẩm taro ren thực tế:
  • Mẫu gia công sắp xếp các điểm taro theo hình logo Mitsubishi, các lỗ taro đạt độ sâu ren đồng đều và đúng tọa độ cài đặt.
  • Mẫu gia công sắp xếp các điểm taro phân bố theo đường tròn khép kín, chứng minh khả năng định vị chính xác và độ lặp lại của thuật toán điều khiển.

Về mặt đóng góp khoa học và kỹ thuật, đề tài tự xây dựng thành công một giải pháp điều khiển tự động hóa khép kín tích hợp toàn diện các thiết bị chuyên dụng của Mitsubishi Electric (PLC Q-Series Q03UDV, module định vị QD75D4, mạng CC-Link QJ61BT11N, hệ thống AC Servo MR-J2S-10A) kết hợp với công nghệ động cơ không chổi than của Oriental Motor. Mô hình là tài liệu kỹ thuật thực tế cho việc ứng dụng mạng truyền thông trường và điều khiển vị trí nhiều trục trong các ứng dụng máy công cụ chuyên dụng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả nêu rõ trong báo cáo:

• Trong chế độ vận hành tự động (Auto mode), hệ thống máy taro CNC 3 trục chưa được tích hợp chức năng tạm dừng (pause); người dùng chỉ có thể thực hiện dừng khẩn cấp ngắt chu trình.
• Đầu gia công của mô hình chưa có cơ chế tự động chuyển đổi giữa dao taro ren và mũi vát mép (countersink) để xử lý hoàn thiện miệng lỗ trước khi taro.
• Do quỹ thời gian thực hiện ngắn (gần 3 tháng) cùng kiến thức còn giới hạn của nhóm sinh viên, mô hình chỉ mới dừng lại ở mức giải quyết các yêu cầu điều khiển cơ bản của máy CNC taro, chưa tối ưu hóa toàn diện các chức năng công nghiệp phức tạp.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được đề xuất:

• Bổ sung chức năng tạm dừng (Pause) và tiếp tục chu trình (Resume) ngay tại tọa độ dừng trong chế độ tự động nhằm nâng cao tính an toàn và tiện lợi khi vận hành.
• Nghiên cứu cơ cấu thay dao tự động (Automatic Tool Changer - ATC) hoặc thiết kế cơ cấu tích hợp đầu vát mép đồng trục để hoàn thiện chu trình gia công lỗ ren tự động hoàn toàn.
• Nâng cấp phần cứng và thuật toán điều khiển để mở rộng thêm trục chuyển động, phát triển mô hình lên hệ thống CNC 4 trục hoặc 5 trục nhằm gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Cơ khí chế tạo đang thực hiện các đồ án tốt nghiệp hoặc đề tài nghiên cứu liên quan đến máy công cụ điều khiển số CNC và hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục.
• Kỹ sư tự động hóa cần tài liệu ứng dụng thực tế về cách thức tích hợp, cấu hình phần cứng dòng PLC Mitsubishi MELSEC-Q kết hợp với module định vị QD75D4 và servo amplifier MR-J2S-10A.

Những nội dung có giá trị tham khảo chuyên môn cao trong đồ án:

• Bảng tham số chi tiết và sơ đồ kết nối tín hiệu giữa module định vị thông minh QD75D4 với bộ khuếch đại servo MR-J2S-10A.
• Quy trình cài đặt cấu hình mạng truyền thông công nghiệp CC-Link giữa PLC Mitsubishi (module QJ61BT11N) với thiết bị chấp hành của bên thứ ba (driver Oriental Motor BLED6C-CC).
• Phương pháp cấu hình tham số chuyển động, tham số về gốc Home và thuật toán nội suy tuyến tính trong phần mềm GX Works2.
• Phương pháp xây dựng giao diện điều khiển HMI trực quan, phân quyền đăng nhập, thiết kế trang giám sát thông số thời gian thực và quản lý lưu đồ trạng thái cảnh báo Alarm trên phần mềm GT Designer3.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình và module định vị cụ thể nào để điều khiển chuyển động các trục? Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi MELSEC-Q với module CPU Q03UDV (xử lý logic chương trình tốc độ cao và tích hợp sẵn cổng Ethernet) gắn trên khung đế Base Unit Q35B cùng module nguồn Q61P. Chức năng điều khiển vị trí được đảm nhiệm bởi module định vị thông minh 4 trục QD75D4 phát chuỗi xung điều khiển đến các bộ khuếch đại servo driver.

Mạng truyền thông CC-Link trong mô hình đảm nhận nhiệm vụ gì và liên kết các thiết bị nào? Mạng truyền thông công nghiệp CC-Link trong hệ thống được cấu hình giữa module Master QJ61BT11N (gắn trên rack PLC) với trạm tớ là bộ khuếch đại driver BLED6C-CC của Oriental Motor. Mạng này đảm nhận nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu điều khiển hai chiều, cho phép PLC đọc/ghi trạng thái bật/tắt, chiều quay thuận/nghịch và thiết lập linh hoạt tốc độ quay của động cơ DC không chổi than BLEM46-GFS dùng làm trục chính taro.

Các loại động cơ nào được trang bị cho từng trục chuyển động và trục taro trong mô hình? Trục X và trục Y sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS13 (công suất 100W, quán tính thấp, có encoder phản hồi vị trí). Trục Z sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS13B (công suất 100W, tích hợp sẵn phanh điện từ để giữ vị trí chống rơi khi mất điện). Trục chính mang dao taro sử dụng động cơ DC không chổi than BLEM46-GFS của Oriental Motor.

Giao diện vận hành HMI trên phần mềm GT Designer3 bao gồm những trang chức năng chính nào? Hệ thống giao diện HMI gồm 5 trang chính:

1. Trang đăng nhập (Login interface page kèm popup): Bảo mật quyền truy cập cho người vận hành.
2. Trang chế độ bằng tay (Manual interface page): Thực hiện chạy nhấp (Jog) các trục X, Y, Z, đưa trục về gốc (Home) và chạy thử động cơ taro.
3. Trang chế độ tự động (Auto interface page): Hiển thị tọa độ gia công và kích hoạt chu trình taro tự động.
4. Trang giám sát (Monitor interface page): Giám sát tọa độ hiện thời, tốc độ và sai số vị trí theo thời gian thực.
5. Trang cảnh báo (Alarm interface page): Hiển thị cảnh báo sự cố từ cảm biến hành trình, quá tải và nút dừng khẩn cấp.

Khóa luận chỉ ra những hạn chế kỹ thuật cụ thể nào khi vận hành mô hình? Tác giả chỉ rõ hai hạn chế kỹ thuật chính trong văn bản: máy không thể thực hiện lệnh tạm dừng (pause) khi đang hoạt động trong chế độ tự động (Auto mode), và hệ thống chưa thể tự động thay thế mũi taro bằng đầu vát mép (countersink) để gia công vát miệng lỗ trước khi tạo ren.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Programming and controlling automatic tapping machine model" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy taro CNC 3 trục vận hành tự động. Hệ thống tích hợp đồng bộ bộ điều khiển PLC Mitsubishi Q03UDV, module định vị QD75D4, mạng truyền thông công nghiệp CC-Link, hệ thống AC Servo MR-J2S và động cơ taro không chổi than. Kết quả thực nghiệm gia công chính xác các chi tiết mẫu theo biên dạng logo Mitsubishi và đường tròn đã khẳng định tính đúng đắn của thuật toán nội suy và quy trình điều khiển. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác đào tạo và nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển số trong tự động hóa công nghiệp.