Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa quy trình sản xuất đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Phương thức sản xuất linh hoạt đòi hỏi sự tham gia của các thiết bị điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC) để giảm thiểu khối lượng gia công thủ công, tăng cường độ chính xác gia công, rút ngắn chu kỳ sản xuất và nâng cao hiệu quả kinh tế. Tại Việt Nam, máy CNC được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí chính xác, gia công khuôn mẫu và các chi tiết phức tạp, đồng thời là phương tiện quan trọng trong công tác đào tạo thực hành tại các cơ sở giáo dục kỹ thuật.

Xuất phát từ yêu cầu trang bị thiết bị phục vụ học tập và nghiên cứu thực tế tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên, tác giả Hoàng Đình Đức (dưới sự hướng dẫn của Th.S Nguyễn Đình Hùng) đã thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa với đề tài: "Nghiên cứu, lắp ráp mô hình thử nghiệm nguyên lý máy khoan ba trục tự động sử dụng PLC FX3G hãng Mitsubishi".

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo ba nhiệm vụ:

  1. Nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển lập trình PLC trong lĩnh vực điều khiển máy CNC, tạo cơ sở khoa học và thực nghiệm để thiết kế chế tạo hoàn chỉnh máy CNC phục vụ đào tạo và nghiên cứu trong nhà trường.
  2. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và phương pháp tích hợp các thiết bị điều khiển công nghiệp chuyên dụng, bao gồm PLC, màn hình giao diện người - máy (HMI) và biến tần.
  3. Xây dựng mô hình vật lý và giải quyết bài toán điều khiển máy gia công/khắc 3 trục ứng dụng các thiết bị điều khiển tự động hóa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển lập trình PLC FX3G của hãng Mitsubishi và nguyên lý hoạt động, cấu trúc điều khiển của hệ thống máy CNC 3 trục.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết qua tài liệu chuyên ngành và mạng Internet; ứng dụng các học phần chuyên môn trong chương trình đào tạo; triển khai phần cứng với PLC FX3G và màn hình HMI Weintek MT-6070iH; thử nghiệm và đánh giá hoạt động thực tế tại phòng 403-B5, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và công nghệ nền tảng

Tác giả hệ thống hóa các khái niệm và cơ sở khoa học liên quan đến cấu tạo cơ khí, nguyên lý truyền động và giải pháp điều khiển máy CNC:

  • Khái niệm và phân loại máy CNC: Khảo sát các dòng máy công cụ CNC theo phương pháp cắt gọt (máy CNC Router, máy cắt Plasma CNC, máy cắt Laser CO2/Nd-YAG/Fiber, máy in 3D, máy CNC nhiều trục X-Y-Z).
  • Cấu trúc cơ khí máy CNC:
    • Phần chấp hành: Thân máy, đế máy bằng gang; bàn máy gá đặt chi tiết; cụm trục chính (Spindle); băng dẫn hướng ray trượt tuyến tính (LM); hệ thống truyền động vít me bi (Ball Screw) và truyền động đai.
    • Phần điều khiển: Cụm điều khiển trung tâm (MCU), cụm dẫn động (Driving Unit), các loại động cơ truyền động và cảm biến hồi tiếp.
  • Phân loại hệ thống điều khiển vòng lặp: Khảo sát 4 cấu trúc điều khiển gồm vòng hở (Open-loop), vòng bán kín (Semi-closed loop), vòng kín (Closed-loop) và vòng điều khiển lai (Hybrid loop).
  • Các dạng điều khiển chuyển động cơ bản: Điều khiển điểm - điểm (Point-to-point), điều khiển theo đường thẳng (Straight cut) và điều khiển theo biên dạng (Contour) từ 2D, 3D đến 4D/5D.
  • Động cơ dẫn động trục tọa độ: Phân tích đặc tính động cơ bước (Step Motor) với các chế độ điều khiển (Wave, Full step, Half step, Microstep) và động cơ Servo (DC Servo, AC Servo, Hybrid Servo) kết hợp bộ mã hóa xung (Encoder).
  • Giải pháp điều khiển CNC: Đánh giá bộ điều khiển chuyên dụng (bo mạch nhúng DDCS V3.1 đọc G-code) so với giải pháp điều khiển sử dụng PLC công nghiệp.
  • Cấu trúc phần cứng và nguyên lý hoạt động của PLC: Phân tích cấu trúc khối xử lý trung tâm (CPU), hệ thống BUS (BUS địa chỉ, BUS dữ liệu, BUS điều khiển 8-bit), các loại bộ nhớ (RAM, CMOSRAM, EPROM) và cấu trúc ghép nối module ngõ vào/ngõ ra (I/O).

Phương pháp nghiên cứu

Đồ án kết hợp các phương pháp nghiên cứu kỹ thuật:

  • Phương pháp thu thập và phân tích tài liệu: Tổng hợp lý thuyết từ giáo trình tự động hóa, tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất thiết bị (Mitsubishi, LS, Weintek, SMC).
  • Phương pháp trao đổi chuyên gia: Tiếp thu hướng dẫn từ giảng viên chuyên ngành và trao đổi học thuật.
  • Phương pháp thiết kế và tính toán kỹ thuật: Lựa chọn cấu hình thiết bị phần cứng tối ưu theo thông số công nghệ và dự toán kinh phí; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện và giao diện module.
  • Phương pháp lập trình và thực nghiệm: Lập bảng địa chỉ Symbol, xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển logic/phát xung, thiết kế giao diện HMI và tiến hành khảo sát vận hành mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Đồ án triển khai thiết kế phần cứng và phần mềm cho mô hình thử nghiệm máy khoan 3 trục với cấu hình thiết bị đồng bộ:

Cấu hình thiết bị phần cứng

Thiết bị Ký hiệu / Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3G-40MT/DS Nguồn 24VDC (hoạt động 20.8VDC), 24 Input / 16 Output Transistor, bộ nhớ 32 Kb, cổng USB/RS422/RS485 Điều khiển trung tâm, phát xung điều khiển vị trí các trục và xuất lệnh logic
Biến tần LS iC5 Series (SV008iC5-1F) Nguồn vào 1 pha 200~230VAC (50/60Hz), ngõ ra 3 pha 220V công suất 0.75kW (5A), dải tần 0–400Hz Điều khiển tốc độ và đảo chiều quay động cơ trục chính (Spindle)
Màn hình HMI Weintek MT-6070iH Màn hình cảm ứng màu, kết nối truyền thông công nghiệp Giám sát trạng thái, chọn chế độ Manual/Auto, nhập tọa độ X-Y-Z
Động cơ trục chính Spindle GDZ-65P Công suất 800W, giải nhiệt bằng nước/không khí Dẫn động đầu mũi khoan/khắc chi tiết
Van điều áp điện tử SMC ITV2010-012BL2 Điều khiển áp suất khí nén theo tín hiệu điện Cấp và điều áp cho các cơ cấu chấp hành khí nén
Cơ cấu cơ khí Module 3 trục tọa độ Vít me bi, ray trượt tuyến tính LM, động cơ dẫn động các trục X, Y, Z Dịch chuyển bàn máy và đầu gia công theo không gian 3 chiều

Thiết kế điều khiển và giao diện vận hành

  1. Thiết kế phần cứng: Thiết kế và gia công mặt phay module PLC FX3G-40MT, bố trí giao diện module I/O kết nối trung gian giữa PLC, Driver động cơ, biến tần và các thiết bị ngoại vi.
  2. Xây dựng chương trình điều khiển:
    • Lập bảng phân bổ địa chỉ Symbol cho toàn bộ ngõ vào/ngõ ra, các bit nhớ nội và thanh ghi dữ liệu.
    • Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng thể, lưu đồ điều khiển phát xung định vị tọa độ và thuật toán xử lý an toàn/dừng khẩn cấp.
  3. Thiết kế giao diện HMI Weintek:
    • Màn hình chính: Hiển thị trạng thái kết nối và tổng quan hệ thống.
    • Giao diện chế độ Manual (Bằng tay): Cho phép người vận hành điều khiển nhắp từng trục (JOG), chạy/dừng Spindle và kích hoạt cơ cấu phụ trợ.
    • Giao diện chế độ Auto (Tự động): Tích hợp bảng nhập thông số tọa độ điểm làm việc cho các trục X, Y, Z và hiển thị tiến trình gia công.
  4. Cài đặt biến tần LS iC5: Thiết lập nhóm thông số điều khiển tần số qua tín hiệu Analog (0–10V), cài đặt thời gian tăng tốc/giảm tốc và các chế độ bảo vệ quá tải, quá nhiệt, chạm đất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng Quan Về Cơ Sở Lý Thuyết

Chương 1 tập trung khảo sát tổng thể nền tảng lý thuyết về công nghệ CNC, cơ cấu cơ khí và các hệ thống điều khiển:

  • Phân loại máy CNC theo dạng máy công cụ (tiện, phay, khoan, mài, doa...) và theo nguyên lý gia công (Router, Plasma, Laser, máy in 3D, CNC đa trục).
  • Phân tích chi tiết các cụm cơ cấu chấp hành cơ khí: thân đế gang hấp thụ rung động; bàn máy gá chi tiết; cụm trục chính; cụm vít me - đai ốc trượt và vít me bi với đặc tính hiệu suất truyền động đạt 90–95%, khử khe hở hướng trục bằng đai ốc kép; ray trượt dẫn hướng tuyến tính LM và truyền động đai.
  • So sánh các hệ thống điều khiển vòng hở, bán kín, kín và lai; làm rõ 4 phương pháp điều khiển đường chuyển động gồm điều khiển điểm - điểm, đường thẳng, biên dạng 2D và 3D.
  • Khảo sát đặc tính kỹ thuật của động cơ bước (các góc bước tiêu chuẩn 0.72°, 1.8°, 2.5°; 4 chế độ cấp xung Wave, Full step, Half step, Microstep) và động cơ Servo (DC Servo, AC Servo, Hybrid Servo tích hợp Encoder).
  • Giới thiệu bộ điều khiển CNC chuyên dụng DDCS V3.1 (nội suy 4 trục, xung 500 kHz, giao tiếp USB đọc G-code) và phân tích cấu trúc phần cứng của hệ thống điều khiển PLC (CPU, hệ thống BUS truyền thông, bộ nhớ RAM/EPROM, module ngõ vào/ra I/O).

Chương 2: Tính Toán Chế Tạo Sản Phẩm

Chương 2 trình bày quy trình lựa chọn thiết bị phần cứng, thiết kế giao diện module và lắp ráp hoàn thiện mô hình:

  • Phân tích lý do lựa chọn PLC Mitsubishi FX3G-40MT/DS (24 In / 16 Out Transistor phù hợp phát xung tốc độ cao cho Driver điều khiển trục) và biến tần LS iC5 Series 0.75kW (dải tần số 0–400Hz, bảo vệ toàn diện).
  • Lựa chọn màn hình cảm ứng HMI Weintek MT-6070iH, động cơ Spindle GDZ-65P 800W và van điều áp SMC ITV2010-012BL2.
  • Thiết kế bố trí giao diện Module I/O cho máy CNC và bản vẽ mặt phay module gá lắp PLC FX3G-40MT nhằm bảo đảm tính thẩm mỹ, chống nhiễu và thuận tiện khi đấu nối dây.
  • Lập bảng dự toán kinh phí tổng thể cho các thiết bị, linh kiện cơ khí và điện tử phục vụ chế tạo sản phẩm.
  • Lắp ráp hoàn thiện mô hình cơ điện tử 3 trục kết nối đồng bộ với tủ điều khiển.

Chương 3: Khảo Sát Thử Nghiệm Đánh Giá Sản Phẩm

Chương 3 trình bày việc xây dựng thuật toán, viết chương trình và kiểm thử hoạt động của mô hình:

  • Xác định yêu cầu công nghệ của bài toán điều khiển khoan/khắc 3 trục theo tọa độ định trước.
  • Thiết kế sơ đồ khối và sơ đồ nguyên lý kết nối toàn hệ thống (HMI ↔ PLC ↔ Driver/Biến tần ↔ Động cơ các trục/Spindle).
  • Lập bảng gán biến địa chỉ Symbol và xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển chương trình cho hệ thống PLC.
  • Thiết kế giao diện vận hành trên HMI Weintek bao gồm: màn hình chính, màn hình điều khiển bằng tay (Manual), màn hình chạy tự động (Auto) và bảng giao diện nhập dữ liệu tọa độ các trục X, Y, Z.
  • Cài đặt tham số vận hành cho biến tần LS điều khiển Spindle.
  • Tiến hành chạy thử nghiệm, khảo sát độ ổn định và đánh giá sai số vị trí của sản phẩm thực nghiệm tại phòng 403-B5.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu và thực nghiệm

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng: Hoàn thiện mô hình máy khoan/khắc 3 trục tự động với đầy đủ cơ cấu cơ khí (khung máy, vít me bi, ray trượt LM) và hệ thống tủ điện điều khiển tích hợp.
  • Tích hợp hệ thống điều khiển hoàn chỉnh: Kết nối vận hành ổn định giữa bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-40MT, biến tần LS 0.75kW, HMI Weintek MT-6070iH, van điều áp SMC và động cơ Spindle GDZ-65P 800W.
  • Xây dựng chương trình điều khiển và giám sát: Lập trình điều khiển logic và phát xung định vị chính xác vị trí 3 trục tọa độ; thiết kế giao diện HMI trực quan cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ điều khiển bằng tay và chế độ tự động theo bảng tọa độ X-Y-Z nhập vào.
  • Kiểm chứng thực tế: Mô hình đã được thử nghiệm vận hành trực tiếp tại phòng 403-B5, đáp ứng yêu cầu công nghệ gia công thử nghiệm nguyên lý máy công cụ điều khiển số.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về phương pháp ứng dụng PLC dòng FX3G kết hợp HMI và biến tần trong điều khiển chuyển động đa trục thay vì sử dụng bo mạch điều khiển CNC chuyên dụng.
  • Đóng góp một mô hình thiết bị dạy học trực quan phục vụ công tác giảng dạy, thực hành và nghiên cứu khoa học cho sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa và Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình được xây dựng chủ yếu nhằm mục đích thử nghiệm nguyên lý và phục vụ đào tạo, do đó kết cấu cơ khí và công suất động cơ trục chính (800W) chỉ phù hợp cho gia công vật liệu mềm hoặc chi tiết mẫu nhỏ.
  • Thuật toán điều khiển trên PLC FX3G tập trung vào điều khiển định vị điểm - điểm và điều khiển đường thẳng theo tọa độ đặt trước, chưa tích hợp bộ thông dịch mã lệnh G-code tiêu chuẩn quốc tế và các thuật toán nội suy biên dạng cong 3D/4D/5D phức tạp như các hệ CNC công nghiệp chuyên dụng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu phát triển thuật toán nội suy đường cong (nội suy tròn, xoắn ốc) và xây dựng khối phần mềm trung gian cho phép đọc trực tiếp file G-code từ máy tính truyền xuống PLC qua giao thức truyền thông công nghiệp.
  • Nâng cấp phần cứng cơ khí, sử dụng động cơ AC Servo cho các trục dẫn động và tăng công suất trục chính Spindle để nâng cao độ cứng vững, tốc độ gia công và mở rộng khả năng cắt gọt trên các vật liệu kim loại có độ cứng cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Công nghệ Chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo về phương pháp kết nối phần cứng, lập trình phát xung điều khiển vị trí trên PLC Mitsubishi FX3G và thiết kế giao diện HMI Weintek.
  • Người nghiên cứu và kỹ sư chế tạo máy tự động: Tham khảo các bảng thông số kỹ thuật của biến tần LS iC5, van điều áp khí nén SMC, động cơ Spindle, cơ cấu vít me bi và ray trượt tuyến tính trong các ứng dụng máy cắt, khoan, khắc mini phục vụ nghiên cứu và sản xuất quy mô nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng bộ điều khiển PLC nào và cấu hình ngõ vào/ra phần cứng ra sao?

Tác giả sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi FX3G-40MT/DS. Thiết bị sử dụng nguồn 24VDC (điện áp làm việc 20.8VDC), tích hợp 24 ngõ vào số (Digital Inputs) và 16 ngõ ra dạng Transistor (phù hợp cho việc phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ các trục tọa độ), bộ nhớ chương trình 32 Kb cùng các cổng kết nối USB, RS232, RS485.

2. Biến tần được lựa chọn trong đề tài có thông số và vai trò kỹ thuật như thế nào?

Hệ thống sử dụng biến tần LS iC5 Series (mã hiệu SV008iC5-1F / LS ITV SV008) với điện áp ngõ vào 1 pha 200~230VAC (50/60Hz), ngõ ra 3 pha 220V công suất 0.75kW (dòng định mức 5A) và dải tần số điều chỉnh từ 0 đến 400Hz. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ điều khiển tốc độ và giám sát an toàn cho động cơ trục chính Spindle GDZ-65P 800W.

3. Hệ thống cơ khí truyền động của mô hình máy khoan 3 trục gồm những phần tử cơ bản nào?

Cơ cấu truyền động của mô hình gồm: hệ thống vít me đai ốc bi (hiệu suất truyền động 90–95%, có khả năng khử khe hở hướng trục), hệ thống thanh ray trượt dẫn hướng tuyến tính (ray trượt LM), bộ truyền động đai và các động cơ dẫn động độc lập cho 3 trục tọa độ X, Y, Z.

4. Giao diện điều khiển trên màn hình HMI Weintek MT-6070iH gồm những phân hệ chức năng nào?

Giao diện HMI được thiết kế gồm các phân hệ chính: màn hình tổng quan hệ thống, màn hình điều khiển chế độ bằng tay (Manual - điều khiển nhắp từng trục và bật tắt dao), màn hình điều khiển chế độ tự động (Auto) và bảng giao diện nhập thông số tọa độ điểm làm việc cho các trục X, Y, Z.

5. Quá trình chạy thử nghiệm và đánh giá hoạt động của mô hình được thực hiện tại đâu?

Quá trình viết chương trình, nạp phần mềm, khảo sát và thử nghiệm nguyên lý hoạt động của mô hình sản phẩm được tác giả thực hiện trực tiếp tại phòng 403-B5, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hoàng Đình Đức đã nghiên cứu, thiết kế và lắp ráp thành công mô hình thử nghiệm nguyên lý máy khoan ba trục tự động sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3G-40MT kết hợp biến tần LS và HMI Weintek. Hệ thống giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp cơ điện tử từ tính toán cơ cấu truyền động vít me bi, ray trượt LM đến lập trình điều khiển định vị đa trục và thiết kế giao diện vận hành trực quan. Kết quả thử nghiệm tại phòng 403-B5 khẳng định tính đúng đắn của giải pháp điều khiển, tạo ra mô hình học cụ có giá trị thực tiễn cao phục vụ nghiên cứu và giảng dạy chuyên ngành tự động hóa công nghiệp.