Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chi tiết giải thuật điều khiển máy tiện CNC

Toàn văn luận văn thạc sĩ nghiên cứu sâu về giải thuật điều khiển máy tiện CNC. Phân tích hệ thống, phần mềm Mach3 và sơ đồ thuật toán cụ thể.

• Tác giả: Trần Anh Hùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Văn Hạnh
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Luận Văn Giải Thuật Điều Khiển Máy Tiện CNC
• Loại tài liệu: Luận văn

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy tiện CNC và ứng dụng

Máy tiện CNC (Computer Numerical Control) là một thiết bị gia công hiện đại được điều khiển bởi máy tính số. Công nghệ này đã cách mạng hóa ngành công nghiệp chế tạo cơ khí, cho phép sản xuất các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Giải thuật điều khiển máy tiện CNC là yếu tố cốt lõi giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc, giảm thời gian gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Lịch sử phát triển của máy CNC bắt đầu từ những năm 1950 và đã trải qua nhiều bước tiến công nghệ. Ngày nay, máy tiện CNC được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: sản xuất linh kiện ô tô, máy bay, điện tử, và công nghiệp nặng. Các ưu điểm chính của máy CNC bao gồm: độ chính xác cao, khả năng lặp lại, tăng năng suất lao động, và giảm lãng phí nguyên vật liệu.

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ CNC

Máy tiện CNC ra đời vào thập niên 1950 tại các nước phát triển như Mỹ và Anh. Ban đầu, hệ thống điều khiển CNC sử dụng những bộ điều khiển cơ học phức tạp. Đến những năm 1970-1980, sự xuất hiện của máy tính cá nhân đã cho phép phát triển phần mềm điều khiển CNC như Mach3. Hiện nay, công nghệ CNC tiếp tục cải tiến với các hệ thống servo motor, cảm biến vị trí, và giao tiếp tự động hóa ngày càng tiên tiến.

1.2. Lợi ích và ứng dụng thực tiễn

Giải thuật điều khiển trên máy tiện CNC mang lại nhiều lợi ích vượt trội. Độ chính xác có thể đạt đến ±0.01mm, giúp sản xuất các chi tiết phức tạp không thể làm bằng tay. Thời gian gia công được giảm đáng kể nhờ tối ưu hóa quỹ đạo dao cắt. Áp dụng thuật toán nội suy giúp tạo các bề mặt cong mượt. Chi phí sản xuất giảm do tự động hóa, chính xác cao và giảm phế phẩm.

II. Cấu trúc hệ thống điều khiển máy tiện CNC

Hệ thống điều khiển máy tiện CNC bao gồm các thành phần chính: bộ điều khiển (Controller), động cơ servo AC/DC, driver điều khiển, và các cảm biến phản hồi. Bộ phần cứng giao tiếp như Bob Giao tiếp AKZ250 đóng vai trò cầu nối giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi. Phần mềm Mach3 là nền tảng phổ biến để lập trình và điều khiển các chuyển động. Trục toạ độ của máy tiện CNC thường bao gồm trục X (chuyển động ngang), trục Z (chuyển động dọc), và trục C (quay chi tiết). Hệ thống servo motor với feedback encoder đảm bảo độ chính xác vị trí. Giao diện Mach3 cung cấp các công cụ quản lý chương trình gia công, thiết lập thông số, và giám sát hoạt động thực time.

2.1. Cấu tạo cơ khí và hệ thống truyền động

Máy tiện CNC có cấu trúc gồm: giá đỡ chính (bed), bàn tiện (spindle), hệ trục toạ độ X-Z-C, và các cơ cấu định vị. Động cơ servo AC điều khiển tốc độ quay trục chính với thuật toán PID để đạt tốc độ mong muốn. Bộ truyền động sử dụng ball screw và linear guide cho chuyển động mượt. Cảm biến home xác định gốc tọa độ tham chiếu cho mỗi trục.

2.2. Hệ thống điều khiển và lập trình CNC

Chương trình CNC được viết bằng mã G-code và mã M-code. Mach3 đọc file chương trình và chuyển đổi thành tín hiệu xung (pulse) gửi đến stepper driver hoặc servo driver. Giải thuật điều khiển xử lý: nội suy chuyển động, kiểm tra giới hạn trục, điều khiển tốc độ quay, lượng chạy dao, và thay dao tự động. Các công tắc hạn chế (limit switch) bảo vệ hệ thống khỏi va chạm.

III. Giải thuật điều khiển toàn hệ thống máy tiện CNC

Giải thuật điều khiển máy tiện CNC là trái tim của hệ thống tự động hóa. Nó bao gồm nhiều thuật toán con để quản lý các chức năng khác nhau. Sơ đồ giải thuật toàn hệ thống định nghĩa luồng xử lý từ lúc khởi động máy đến khi gia công xong. Thuật toán điều khiển tốc độ quay trục chính sử dụng vòng phản hồi encoder để duy trì tốc độ ổn định. Thuật toán điều khiển lượng chạy dao tính toán thước ăn (feed rate) dựa trên loại dao, vật liệu, và bề mặt gia công. Giải thuật về vị trí home tìm điểm gốc tọa độ tham chiếu cho tất cả các trục. Thuật toán thay dao điều khiển tay máy robot hoặc bộ xoay dao tự động. Tất cả các sơ đồ khối được thiết kế để đảm bảo an toàn, hiệu quả và đúng trình tự gia công.

3.1. Thuật toán điều khiển tốc độ và vị trí trục

Thuật toán điều khiển bao gồm hai phần: điều khiển vòng kín (closed-loop) cho servo motor và điều khiển vòng hở (open-loop) cho stepper motor. Vòng phản hồi encoder trên động cơ servo so sánh vị trí thực tế với vị trí mong muốn. Thuật toán PID điều chỉnh dòng điện vào driver servo để giảm sai lệch. Để gia công chính xác, chương trình Mach3 phải nội suy quỹ đạo thành các bước nhỏ (microstep) trước khi gửi xung điều khiển tới motor driver.

3.2. Thuật toán thay dao và nhận biết chuyển động

Giải thuật thay dao bao gồm: xác định dao cụ gần nhất, chuyển trục chính tới vị trí trung lập, quay bộ xoay dao, lấy dao mới, và trở lại điểm gia công. Sơ đồ khối định rõ từng bước để tránh va chạm. Thuật toán nhận biết chuyển động giám sát cảm biến hạn chế và công tắc emergency để dừng ngay nếu có bất thường. Nội suy cung tròn được sử dụng cho gia công bề mặt cong bằng cách chia nhỏ cung tròn thành nhiều đoạn thẳng.

IV. Phần mềm Mach3 và cài đặt hệ thống CNC

Mach3 là phần mềm điều khiển CNC phổ biến nhất trên nền tảng Windows, cung cấp giao diện người dùng trực quan và dễ sử dụng. Phần mềm Mach3 hỗ trợ giao tiếp qua cổng LPT hoặc USB, kết nối với Bob giao tiếp AKZ250 để điều khiển động cơ servo và stepper motor. Cài đặt Mach3 bao gồm: cài đặt đơn vị đo lường (mm hoặc inch), xác định chân output cho mỗi trục, thiết lập tần số xung phát (pulse frequency), và calibration độ chính xác vị trí. Giao diện Mach3 có các chế độ: Manual (điều khiển bằng tay), Auto (chạy chương trình), và MDI (nhập lệnh trực tiếp). Các công tắc hạn chế, nút Home, và nút Estop phải được cài đặt chính xác trên tab Config để đảm bảo an toàn. Quá trình thiết lập hệ thống đòi hỏi kinh nghiệm lập trình CNC và kiến thức sâu về hệ thống điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất.

4.1. Cài đặt phần mềm Mach3 và giao diện

Bước đầu tiên là cài đặt Mach3 từ file cài đặt chính thức. Sau đó, cấu hình giao tiếp qua cổng LPT với tần số xung phát phù hợp (thường 25-50 kHz). Khai báo chân output (pin) trong tab Ports & Pins: chân 2, 3, 4 cho xung điều khiển trục X, Y, Z; chân 17, 1 cho chỉnh hướng (direction). Thiết lập đơn vị đo và vận tốc, gia tốc cho từng trục. Sử dụng Manual Data Input để test từng trục trước khi chạy chương trình.

4.2. Thiết lập an toàn và kiểm tra hệ thống

An toàn hệ thống CNC là ưu tiên hàng đầu. Công tắc Estop (Emergency Stop) phải được gán cho chân input để dừng toàn bộ hệ thống ngay lập tức. Công tắc Home xác định gốc tọa độ tham chiếu cho mỗi trục. Công tắc giới hạn hành trình (Limit Switch) ngăn chặn chuyển động quá giới hạn. Nút LimitOveride cho phép vượt qua giới hạn khi cần thiết. Trước khi chạy chương trình gia công, luôn Set gốc tọa độ (Home All) để đảm bảo hệ thống biết vị trí tuyệt đối của mỗi trục. Kiểm tra các nút điều khiển có phản ứng đúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TONG QUAN VE MAY TRAN €NC. Lịch sử phát triển. Lợi ích của máy CNC. Chương II : CÂU TẠO VÀ CHƯƠNG TRÌNH giết: os MAY TIEN CNC.

Câu tạo máy tiện CNC tệ 2. Cac dang néi suy gia công chi tiết trên máy Tiện 5ã Si dag chuyén dens cơ VỆ ohuaoanisie sapssaeusasssT) 24 đu điểm dhuẳn trng lập bình CNC. Nôi ki8i32028601uiLui8188-xgE2ia0cacau,lTÏ 2. Quan hệ giữa các hệ trục toạ độ.

Câu trúc thường gặp của một chương trình ƠNC. — Chuong III : KET NOI HE THONG AC SERVO. BOB Giao tiếp AKZ250. Driver va déng co AC Servo 7 43 3.

Kết nổi Bob Giao tiếp AKZ250 và Driver Servo. coc SI Chương IV : PHÂN MÊM ĐIỀU KHIỂN MACH 3 TURN. Tổng quan vẻ phần mêm Mach3. GVHD : PGSTS Bui Van Hanh Hùng 4.

Cai dat phan mem Mach3 43. Giao dién Mach3 va cac cau lệnh. Thiết lập câu hình Mach3. 60 ChươngV : SƠ ĐÔ GIẢI THUẬT PHIÊTEITEN VĂZ IrỂN GRPbs : .1, Khai niém so đỏ khỏi thuật toán 70 5.2 Sơ đồ giải thuật điều khiển toàn hệ thông 70 5.3 Thuật toán điều khiển tốc độ quay trục chính m 5.4 Thuật toán động cơ điều khiển lượng chạy dao.5 Giai thuật về vị trí home 74 5.

Giải thuật thay dao. Giải thuật nhận biết chuyển động của các trục KẾT LUẬN. " TÀI LIỆU THAM KHẢO. HỤ LÔ useaisAdaieaan GVHD : PGSTS Bui Van Hanh HVTH: Trân Anh Hùng LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan luận văn: *Nghiên cứu giải thuật điều khiển máy tiện.

ƠNC” là do chỉnh em thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của giảng viên hưởng dan khoa học PGS. Bùi Văn Hạnh và các tài liêu tham khảo. Nội dung trong luận văn hoản toàn thực tẻ, khách quan và chưa được sử dụng đẻ bão vệ ở một học vị nao. Tác giả luận văn TRAN ANH HÙNG ———ễễỄễễễ— GVHD : PGS.TS Bui Van Hanh HVTH: Trân Anh Hùng Hình 4.

Các thành phản chỉnh của hệ thông CNC 53 Hình 4. Sơ đồ nói dây mạch Mach3 CNC. Giao diện khởi động phan mém Mach 58 Hình 4. Manual Data Input.

Thiét lap don vi do 60 Hinh 4. Chọn công LPT vả tần số phát xung “ 61 Hình 4. Cài đặt các chân Ouput cho động cơ các trục. Cài đặt công tắc hảnh trình giới hạn các trục.

Cài đất công tắc Home. Cải đặt nút nhân dừng khẩn cấp Estop 64 Hình 4. Cài đặt nút nhan LimitOveride. Tín hiệu cho phép Enable.

Tin hiệu ra điều khiên Relay. Các thiết lập cho trục chính. Khai báo bước cơ sở, vận tốc, gia tốc cub oon 67 Hình 4. Trạng thải các nút khi chưa Set gốc tọa độ 67 Hình 4.

Trạng thái các nút khi đã Set gốc tọa đô. Khai báo chân Home. Điều chỉnh các thông só khi vẻHome trong Mach3 69 GVHD : PGSTS Bui Van Hanh HVTH: Trân Anh Hùng LOI CAM ON Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS. Bủi Văn Hạnh đã hướng dân và giúp đỡ tận tình tử định hướng Luận văn, hưởng dân mô phỏng đến quá trình viết và hoản chỉnh Luận văn Tác giả bảy tỏ lòng biết ơn các giảng viên bộ môn Han và CNKL da tao mọi điều kiên thuận lợi nhất đề tác giả hoàn thành Luận văn nảy.

Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu và Khoa Cơ khí Trường Đại Học Điện Lực đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập và nghiên cứu dé hoàn thành luận văn. Tuy nhiên, với nhiêu khỏ khăn về thời gian vả do năng lực bản thân còn nhiều hạn chẻ nên nội dung luận văn không tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến quý báu của cae thay cô đẻ luận văn này được hoàn thiện hơn. Tác giả TRAN ANH HUNG ————ễ GVHD : PGS.TS Bui Van Hanh HVTH : Trần Anh Hùng DANH MUC BANG Bảng 1 : Chức năng các chân trên CN1A. -44 Bảng2 : Chức năng các chân trên CNIB.

Bảng 3: Các chế độ Driver. — sẽ coven 46 Bảng4: Các đặc tính của động cơ HC-ME23B. TH nhe 4 Bảng 5; Biểu đồ momen của HC-MF23B.48 Bang 6 : Bang bien dau vao. 7 DANH MỤC SƠ ĐÔ Sơ để1 : Sơ đỏ điều khiển toàn hệ thống.

sere Sơ đỏ 2 : Sơ đồ động hoc may tién CNC nim ngang. t 72 Sơ đồ 3 : Mạch vòng điều.khiển tốc độ và chiều quay của động cơ to .72 Sơ đồ 4: Giải thuật kiểm tra về home máy các trục. „76 Sơ đồ 5 : Giải thuật về home của từng trục. 78 Sơ đỏ 6 : Sơ đồ khối thuật toán lây dao, trả dao .8I Sơ đồ7 : Định hướng trục chỉnh " „8l Sơ đỏ 8 : Trục đến điểm T chờ thay dao.

Sơ đồ 9: Tìm dao ( hốc dao) gan nhat va x _=”n. Sơ đồ 10 : Đài dao di chuyên từ điểm A tới „84 Sơ đỗ 11 : Thuật toản nhả dao.8S Sơ đồ 12 : Sơ đỏ thuật toán nhận biết chuyên động của các trục 90 Sơ đồ 13: Sơ đồ thuật toán chuyên đông trục X. 91 So dé 14: So dé thuat toan chuyền đông theo trục Z. BlotgtsttrtuaossreiỦ So dé 15 : Sơ đỏ thuật toản chuyển động theo 2 truc.

93 Sơ đề 15 : Sơ đồ thuật toán nội suy cung trỏn. ———ễễỄễễễ— GVHD : PGSTS Bui Van Hanh HVTH : Trân Anh Hùng Hình 4. Các thành phản chỉnh của hệ thông CNC 53 Hình 4. Sơ đồ nói dây mạch Mach3 CNC.

Giao diện khởi động phan mém Mach 58 Hình 4. Manual Data Input. Thiét lap don vi do 60 Hinh 4. Chọn công LPT vả tần số phát xung “ 61 Hình 4.

Cài đặt các chân Ouput cho động cơ các trục. Cài đặt công tắc hảnh trình giới hạn các trục. Cài đất công tắc Home. Cải đặt nút nhân dừng khẩn cấp Estop 64 Hình 4.

Cài đặt nút nhan LimitOveride. Tín hiệu cho phép Enable. Tin hiệu ra điều khiên Relay. Các thiết lập cho trục chính.

Khai báo bước cơ sở, vận tốc, gia tốc cub oon 67 Hình 4. Trạng thải các nút khi chưa Set gốc tọa độ 67 Hình 4. Trạng thái các nút khi đã Set gốc tọa đô. Khai báo chân Home.

Điều chỉnh các thông só khi vẻHome trong Mach3 69 GVHD : PGSTS Bui Van Hanh HVTH: Trân Anh Hùng DANH MUC CAC KY HIEU VA CHU VIET TAT 'Ký hiệu, chữ viết tắt ý nghĩa NC Numerical Control cNG Computer Numerical Control PC Personal Computer BOB Break Out Board LO In/Out Automatically Programmed Tools, DNC Direct Numerical Control FMS Flexible Manufacturing Systems Iso International Organisation for Standardisation PWM Pulse Width Modulation DROs Digital Readouts MDI Manual Data Input AC Alternating Current GVHD : PGSTS Bui Van Hanh HVTH: Trân Anh Hùng MG DAU 1. Lý do chọn luận văn Hiện nay ở nước ta, quy mô sản xuất hảng loạt vừa vả nhỏ đang kha phé bién. Tuy nhiên, củng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, nghành cơ khí đã và đang tập trung nghiên cứu đề giải quyết vấn đề tự động hóa trong các xỉ nghiệp cỏ quy mô sản xuất lớn ( hàng loạt lớn vả hàng khói ). Sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ cần nâng cao hiệu quả sản xuất là nhu cầu thiết yêu của các cơ sở sản xuat.Chinh vi vay van đẻ nghiên cứu và triển khai các hệ thống tự động hóa cỏ tính linh hoạt cao đỏng một vai trò vô cùng quan trọng Phương hướng của quá trình gia công sản phẩm đạt năng suất cao được nhỉn nhận tổng hợp bởi hai yêu tổ, đó là tính tự động hóa và tính linh hoạt đạt được của hệ thống.

Việt Nam dang phan đâu đến năm 2015 - 2020 ve cơ bản trở thành một nước Công nghiệp, bởi vây từ nay đến lúc đỏ ching ta can phải xây dựng cho được một nên cơ khí chế tạo đủ sức đáp ứng cả vẻ số lượng lẫn chất lượng của những sản phẩm cơ khí - cơ điện tử phục vụ cho các nghành kinh tẻ khác trong nước. Trong những năm gan day, NC va CNC da gia nhap vào Việt Nam vả hiện nay đang, hoạt động trong một số nhà máy, viên nghiên cứu và các công ty liên doanh. Sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chỉ tiết, nàng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tẻ, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất nên ngảy nay trên thể giới rất nhiều nước đã áp dụng rộng rãi máy công cụ số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Bên cạnh đó, sự phát triển về công nghệ thông tin đã gặt hái được rất nhiều thành tựu to lớn, các máy tỉnh số ngảy cảng được sản xuất nhiều với những tính năng tốc độ xử lý dữ liệu cao, sử dụng dễ dàng, kết câu nhỏ gọn, giá thành thấp Việc thiết kế bộ điều khiển nhỏ gọn, độ chính xác và tin cậy cao trong quá trình gia công chỉ tiết máy, nâng cao hiệu quả kinh tế trên co sở máy tính cá nhân PC là xu hướng phát triển của bộ điều khiển cho máy công cụ.

Chính vì thẻ, được sự giúp đỡ ““=—=———====——————————-—.TS Bùi Văn Hạnh 1 HVTH: Trân Anh Hùng của PGS.TS Bùi Văn Hạnh, tác giả đã quyết định lựa chọn đẻ tải " Nghiên cứu giải thuật điều khiển Máy Tiện CNC ". Lịch sử nghiên cửu Hiện nay trên thể giới cũng như trong nước, việc nghiên cứu vả chế tạo máy CNC đang rất được chủ trọng. Máy công cụ tự động CNC được coi là các loại “máy cái” mà công dụng chỉnh là dùng để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây chuyên sản xuất đề phục vụ tất cả các ngảnh. công nghiệp khác.

Có thể phân loại các máy CNC như sau: - Cac may CNC ding dé cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, cae trung tâm tiên và phay CNC, may mai CNC - Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tỉa lửa điện, máy cắt day tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh RP - Các may CNC dùng để gia công biển dạng bằng áp lực: máy đột tự động theo chương, trình, máy cản, máy ép, máy đập điều khiên số - Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hảng loạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng 6 tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc hại, 3. Mục địch nghiên cửu của luận văn, đổi tượng, phạm vi nghiên cửu ~ Mục địch nghiên cứu : Nghiên cứu, đưa ra giải thuật điều khiển cho máy tiện CNC. - Doi tượng nghiên cứu : Sơ dé thuat toan diéu khiến hoạt đông của các trục trên máy tiện CNC.