Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu thuật toán nội suy cho máy CNC

Đồ án nghiên cứu hcmute study on interpolation algorithms for cnc machine, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Tân Tài
• Người hướng dẫn: Ths. Võ Lâm Chương
• Trường học: HCMC University of Technology and Education
• Chuyên ngành: Mechatronics Engineering Technology
• Đề tài: Nghiên cứu thuật toán nội suy cho máy CNC
• Loại tài liệu: bachelor thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Ho Chi Minh city

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. CHAPTER 1: OVERVIEW PROJECT
• 1.1. The urgency of the project
• 1.2. The scientific and practical significance of the project
• 1.3. Research objectives of the project
• 1.4. Object and scope of the study
• 1.4.1. Research scope of the project
• 1.4.2. Research subjects of the project
• 1.5. Methodological basis
• 1.6. Specific research methods
• 1.7. Thesis structure
• 2. CHAPTER 2: OVERVIEW TECHNOLOGY CNC
• 2.1. CNC technology overview
• 2.2. CNC machine structure
• 2.2.1. Ball screw
• 2.2.2. Timing belt
• 2.2.3. Guiding structure
• 2.2.4. Linear guide
• 2.2.5. Dovetail way
• 2.2.6. Servo motor
• 2.2.7. Step motor
• 2.3. CNC control loop
• 3. CHAPTER 3: MECHANICAL SECTION
• 3.1. CNC milling machine
• 3.2. CNC milling machine introduction
• 3.3. CNC milling technology
• 3.4. CNC milling machine design
• 3.5. Method of moving workpiece
• 3.6. Selecting the optimum solution
• 3.7. Selecting structure of motion
• 3.8. Selecting guiding method
• 3.9. Calculating, engines selection
• 3.10. General CNC machine model
• 4. CHAPTER 4: ELECTRIC DESIGN
• 4.1. Buffer circuit overview
• 4.2. Introduction common protocol
• 5. CHAPTER 5: INTERPOLATION ALGORITHMS
• 5.1. Interpolation algorithms introduction
• 5.2. Reference pulse method
• 5.3. Software DDA Interpolator
• 5.4. Stairs Approximation Interpolator
• 5.5. Direct Search algorithm
• 5.6. Theory of NURBS curve
• 5.7. Survey the NURBS curve characteristics
• 5.8. NURBS interpolation algorithm design
• 5.8.1. Calculating the parameters value
• 5.8.2. Calculating the knots vector
• 5.8.3. Calculating base function Spline
• 5.8.4. Calculating control points
• 5.8.5. Finding the equation for curve
• 5.8.6. Calculating the points of the NURBS curve
• 5.9. Interpolate the NURBS curve using DDA algorithm
• 5.10. Building diagram of NURBS interpolation algorithm
• 5.11. Simulating NURBS interpolation
• 5.12. General algorithm interpolation of system
• 6. CHAPTER 6: EXPERIMENTAL RESULTS
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES AND CHARTS

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dự án

Dự án 'Nghiên cứu thuật toán nội suy cho máy CNC tại HCMUTE' được thực hiện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về công nghệ gia công chính xác trong ngành cơ khí. Ngành cơ khí Việt Nam đã có những bước phát triển đáng kể, tuy nhiên, ngành gia công chính xác vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu. Việc nghiên cứu và áp dụng các thuật toán điều khiển, đặc biệt là thuật toán nội suy, là rất cần thiết để nâng cao chất lượng gia công. Dự án này tập trung vào việc phát triển các thuật toán nội suy như DDA, SA, DS và NURBS, nhằm cải thiện độ chính xác cho máy CNC. Sử dụng phần mềm hỗ trợ như Matlab và C#, nhóm nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng và đánh giá chất lượng của các thuật toán trên mô hình máy CNC 3 trục.

1.1. Tính cấp thiết của dự án

Ngành cơ khí Việt Nam đang đối mặt với thách thức lớn trong việc phát triển công nghệ gia công chính xác. Để đáp ứng nhu cầu thị trường, việc nghiên cứu và phát triển máy CNC với các thuật toán điều khiển tiên tiến là rất quan trọng. Dự án này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành cơ khí. Việc áp dụng công nghệ CAD/CAM/CNC sẽ giúp cải thiện quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và tăng năng suất lao động. Như vậy, nghiên cứu này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn lớn, mở ra hướng đi mới cho ngành cơ khí Việt Nam.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của dự án là thiết lập các tham số cho bộ điều khiển servo AC, thiết kế bảng điều khiển và giao diện cho các bộ điều khiển AC, và nghiên cứu các thuật toán nội suy dựa trên phương pháp tham chiếu xung, tập trung vào thuật toán NURBS. Dự án cũng hướng đến việc mô phỏng và thực hiện trên mô hình thực tế, đồng thời xây dựng bài học thực nghiệm cho môn học 'Thực hành trên hệ thống servo'. Việc nghiên cứu này không chỉ giúp sinh viên nắm vững lý thuyết mà còn có thể áp dụng vào thực tiễn, từ đó nâng cao kỹ năng và kiến thức trong lĩnh vực tự động hóa.

II. Tổng quan về công nghệ CNC

Công nghệ CNC (Computer Numerical Control) là một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong ngành gia công cơ khí. Các máy CNC được điều khiển tự động bằng máy tính, cho phép thực hiện các tác vụ công nghiệp mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. CNC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, từ chế tạo kim loại đến sản xuất ô tô. Sự phát triển của CNC bắt đầu từ những năm 1949 với việc phát triển máy phay có thể lập trình. Đến năm 1985, máy CNC đầu tiên mang tên 'Milwaukee Magic' đã ra đời, đánh dấu bước ngoặt trong công nghệ gia công. Ngày nay, máy CNC có thể đạt tốc độ trên 20,000 vòng/phút và độ chính xác cao đến mức gần như không có sai số.

2.1. Cấu trúc máy CNC

Máy CNC có nhiều loại khác nhau, trong đó máy phay CNC là phổ biến nhất. Cấu trúc của máy CNC bao gồm nhiều bộ phận như trục chính, động cơ servo, và các bộ phận điều khiển. Động cơ servo là một phần quan trọng, cho phép điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của máy. Các bộ phận dẫn hướng như ray dẫn hướng và bánh vít bi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và độ bền của máy. Việc lựa chọn cấu trúc và phương pháp dẫn hướng tối ưu sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất làm việc của máy CNC.

2.2. Vòng điều khiển CNC

Vòng điều khiển CNC là một phần không thể thiếu trong hệ thống máy CNC. Vòng điều khiển này giúp theo dõi và điều chỉnh vị trí và tốc độ của máy dựa trên tín hiệu phản hồi từ cảm biến. Có nhiều loại vòng điều khiển như vòng điều khiển kín và vòng điều khiển hở. Việc sử dụng vòng điều khiển kín giúp tăng độ chính xác và ổn định cho quá trình gia công. Các thuật toán điều khiển hiện đại, bao gồm cả thuật toán nội suy, được áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của máy CNC.

III. Nghiên cứu thuật toán nội suy

Nghiên cứu về thuật toán nội suy là một phần quan trọng trong dự án này. Các thuật toán như DDA, SA, DS và NURBS được phân tích và so sánh để tìm ra phương pháp tối ưu cho việc điều khiển máy CNC. Thuật toán NURBS được chú trọng nghiên cứu vì khả năng mô phỏng các đường cong phức tạp với độ chính xác cao. Việc áp dụng các thuật toán này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong gia công mà còn giảm thiểu thời gian gia công. Các mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab và C# cho thấy sự cải thiện rõ rệt về chất lượng gia công khi sử dụng các thuật toán nội suy tiên tiến.

3.1. Các thuật toán nội suy

Các thuật toán nội suy như DDA (Digital Differential Analyzer) và SA (Stairs Approximation) đã được nghiên cứu và áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. DDA là một thuật toán đơn giản nhưng hiệu quả trong việc nội suy các điểm trên đường thẳng. Trong khi đó, SA thường được sử dụng để nội suy các đường cong đơn giản. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, thuật toán NURBS đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho việc mô phỏng các đường cong phức tạp. NURBS cho phép điều chỉnh hình dạng của đường cong một cách linh hoạt và chính xác, từ đó nâng cao chất lượng gia công cho máy CNC.

3.2. Đánh giá và ứng dụng

Việc đánh giá các thuật toán nội suy được thực hiện thông qua các mô phỏng và thử nghiệm thực tế trên máy CNC. Kết quả cho thấy, thuật toán NURBS không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn giảm thiểu thời gian gia công. Điều này có ý nghĩa lớn trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành cơ khí. Các ứng dụng của thuật toán này không chỉ giới hạn trong gia công mà còn có thể mở rộng sang các lĩnh vực khác như thiết kế sản phẩm và chế tạo mẫu. Sự phát triển của các thuật toán nội suy sẽ góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành cơ khí chế tạo tại Việt Nam đã có những bước tiến đáng kể, tuy nhiên lĩnh vực gia công cơ khí chính xác vẫn chưa phát triển tương xứng để đáp ứng nhu cầu sản xuất các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Để nâng cao chất lượng gia công, việc làm chủ công nghệ tích hợp CAD/CAM/CNC và đặc biệt là các thuật toán điều khiển nội suy quỹ đạo đóng vai trò then chốt. Việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC và phát triển các giải thuật điều khiển chuyển động tiên tiến là yêu cầu thực tiễn cấp bách nhằm tiếp cận công nghệ gia công hiện đại.

Trước yêu cầu đó, đồ án tốt nghiệp kỹ sư ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (HCMUTE) đã thực hiện đề tài "Study on interpolation algorithms for CNC machine" (Nghiên cứu thuật toán nội suy cho máy CNC).

Đề tài xác định 5 mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Thiết lập các thông số vận hành cho các bộ điều khiển động cơ AC Servo (AC servo drivers).
2. Thiết kế bảng điều khiển trung tâm và các bo mạch giao tiếp trung gian cho driver AC Servo.
3. Nghiên cứu các thuật toán nội suy dựa trên phương pháp chuẩn xung (pulse reference method), tập trung chuyên sâu vào giải thuật nội suy đường cong NURBS (Non-Uniform Rational B-spline).
4. Mô phỏng thuật toán trên máy tính và triển khai kiểm nghiệm thực tế trên mô hình máy phay CNC 3 trục.
5. Xây dựng bài thí nghiệm thực hành phục vụ học phần "Thực tập Hệ thống Servo" (Practice on Servo Systems) tại trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các thuật toán nội suy chuyển động (DDA, SA, DS, NURBS) ứng dụng trên mô hình máy phay CNC 3 trục điều khiển 3 động cơ AC Servo.
• Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu lý thuyết thuật toán nội suy, mô phỏng số và thử nghiệm gia công trên các vật liệu mềm (nhựa, mica) tại Phòng thí nghiệm Servo (Servo Laboratory) thuộc Khoa Đào tạo Chất lượng cao - HCMUTE; sản phẩm chưa hướng đến thương mại hóa công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết toàn diện về kỹ thuật CNC và giải thuật điều khiển chuyển động:

• Cấu trúc vòng điều khiển CNC: Phân tích các mô hình điều khiển vòng hở (Open loop), vòng nửa kín (Semi-closed loop), vòng kín hoàn toàn (Closed loop) và vòng hỗn hợp (Hybrid loop). Trong đó, hệ thống tập trung phân tích cơ chế hồi tiếp vị trí từ encoder gắn trên trục động cơ servo kết hợp với bộ truyền vít me bi để bù sai số và ổn định hệ thống.
• Phương pháp nội suy chuẩn xung (Pulse Reference Method): Cơ chế tính toán và phát xung điều khiển theo từng chu kỳ lấy mẫu để phân phối xung tới từng trục tọa độ.
• Các thuật toán nội suy hình học:
  • Digital Differential Analyzer (DDA): Thuật toán vi phân số cho nội suy đường thẳng và cung tròn.
  • Stairs Approximation (SA): Thuật toán xấp xỉ bậc thang cho quỹ đạo cong.
  • Direct Search (DS): Thuật toán tìm kiếm trực tiếp để xác định bước di chuyển kế tiếp của dao.
  • Đường cong NURBS (Non-Uniform Rational Basis Spline): Cơ sở toán học đường cong Spline bậc 3, hàm cơ sở de Boor, vector nút (knot vector), điểm điều khiển (control points) và kỹ thuật nội suy NURBS kết hợp DDA.
• Mạch cách ly và truyền thông công nghiệp: Nguyên lý cách ly quang (Opto-isolator PC817) bảo vệ vi điều khiển khỏi điện áp cao từ mạch công suất và giao thức truyền thông nối tiếp RS-485 giữa các module điều khiển.

Phương pháp nghiên cứu:

• Phương pháp phân tích lý thuyết: Thu thập, tổng hợp tài liệu chuyên ngành từ sách, giáo trình, tạp chí khoa học và luận văn liên quan đến công nghệ CNC và giải thuật nội suy đường cong tham số.
• Phương pháp mô phỏng số: Lập trình giải thuật, mô phỏng và kiểm tra quỹ đạo chuyển động trên phần mềm MATLAB và ngôn ngữ C#.
• Phương pháp thiết kế và chế tạo thực nghiệm: Thiết kế cơ khí 3D trên phần mềm SolidWorks; thiết kế mạch điện tử ghép nối và lập trình vi điều khiển ARM; lắp ráp hoàn thiện mô hình máy phay 3 trục và chạy thực nghiệm cắt mẫu biên dạng thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Thiết kế cơ khí máy phay CNC 3 trục

Nhóm nghiên cứu đã phân tích 3 phương án dịch chuyển phôi và dao cắt:

1. Phương án phôi cố định: Trục Y trượt trên thân máy mang trục X và trục Z.
2. Phương án phôi dịch chuyển theo trục Y: Trục X và Z mang trục chính di chuyển độc lập.
3. Phương án phôi dịch chuyển theo 2 trục X-Y: Trục chính chỉ dịch chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng (trục Z).

Phương án 3 được lựa chọn vì tối ưu hóa trọng tâm của toàn bộ hệ thống ở vị trí thấp nhất, giữ ổn định độ cao của cụm trục X-Y trong quá trình vận hành, từ đó tăng độ cứng vững và giảm thiểu rung động khi gia công tốc độ cao.

Bộ phận	Thông số kỹ thuật chi tiết	Giải pháp kết cấu & Dẫn hướng
Trục X	Vít me bi: Dài 700 mm, Đường kính 25 mm, Bước 5 mm	Dẫn hướng rãnh mang cá (Dovetail ways) / Thanh trượt tuyến tính
Trục Y	Vít me bi: Dài 410 mm, Đường kính 25 mm, Bước 5 mm	Dẫn hướng rãnh mang cá (Dovetail ways) / Thanh trượt tuyến tính
Trục Z	Vít me bi: Chiều dài định mức, Đường kính 12 mm, Bước 6 mm	Dẫn hướng thanh trượt bi tuyến tính (Linear guide & bushing)
Bộ truyền X, Y	Đai răng (Timing belt) $P=2.7\text{ mm}$, $H=1.3\text{ mm}$; Puly $Z_1=40$, $Z_2=20$	Tỉ số truyền $i_{X,Y} = \frac{40}{20} = 2.0$
Bộ truyền Z	Đai răng đồng bộ; Puly $Z_1=24$, $Z_2=56$	Tỉ số truyền $i_Z = \frac{56}{24} \approx 2.33$

Thiết kế phần cứng và hệ thống điều khiển điện

Khối điều khiển trung tâm được thiết kế dựa trên kit vi điều khiển ARM 32-bit nhằm đáp ứng yêu cầu phát xung điều khiển tần số cao (>500 kHz) cho các driver AC Servo.

Thiết bị / Khối phần cứng	Mã hiệu & Nhà sản xuất	Thông số kỹ thuật chính	Chức năng trong hệ thống
Vi điều khiển chính	STM32F407VET6 (STMicroelectronics)	ARM Cortex-M4 32-bit, 168 MHz, Flash LQFP-100, 82 I/O, tích hợp UART, RTC, SD Card	Tính toán giải thuật nội suy, phát xung vị trí và điều hướng chuyển động
Hệ nhúng phụ trợ	Embedded BeagleBoard	Bo mạch nhúng điều khiển giao tiếp mở rộng	Điều khiển cấp cao và nhận lệnh quỹ đạo
Động cơ trục X, Y	Yaskawa SGM-02A312	Công suất 0.27 HP, Điện áp 200V (3 pha), Dòng 2A, Tốc độ 3000 RPM, Encoder 8192 xung/vòng	Dẫn động bàn máy 2 trục X và Y qua bộ truyền đai
Driver trục X, Y	Yaskawa SGDA Servopack	Bộ khuếch đại AC Servo chuyên dụng	Nhận xung điều khiển vị trí, điều khiển động cơ Yaskawa
Động cơ trục Z	Panasonic MSMA082A1A	Công suất 750W, Điện áp 116V (3 pha), Dòng 4.5A, Tốc độ 3000 RPM, Encoder 10000 xung/vòng	Nâng hạ đầu cắt trục Z với độ cứng vững cao
Driver trục Z	Panasonic MSDA083A1A	Bộ khuếch đại AC Servo Panasonic	Điều khiển chuyển động thẳng đứng trục Z
Động cơ trục chính	TS 1980 2N180E12 (DC Servo)	Điện áp 24VDC, Dòng định mức 5A, Công suất 0.27 HP, Encoder 500 xung/vòng	Quay đầu cắt phay gọt vật liệu
Mạch cách ly tín hiệu	Opto-isolator PC817	Cách ly quang học đa kênh	Ngăn cách xung điều khiển logic và nguồn nhiễu driver
Giao tiếp mạng	Chuẩn RS-485	Giao tiếp nối tiếp vi sai vi xử lý - slave	Truyền dữ liệu trạng thái và cấu hình hệ thống

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài (Overview Project)

Chương 1 phân tích bối cảnh công nghiệp cơ khí chính xác tại Việt Nam, sự cần thiết của việc nghiên cứu và làm chủ thuật toán điều khiển máy công cụ CNC. Tác giả xác lập rõ tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học - thực tiễn, xác định 5 mục tiêu nghiên cứu trọng tâm, đối tượng, phạm vi nghiên cứu tại xưởng thực hành và phương pháp luận tiếp cận đề tài.

Chương 2: Tổng quan công nghệ CNC (Overview Technology CNC)

Chương 2 trình bày lịch sử phát triển máy CNC từ các mốc 1949 (MIT), 1952 (máy Cincinnati Hydrotel), 1985 (trung tâm gia công Milwaukee Magic) đến nay. Phân loại chi tiết các dòng máy CNC (Router, Plasma, Laser, 3D Printer, Pick and Place, Lathe, Milling). Trình bày các thành phần cơ khí cốt lõi (vít me bi, đai răng, sống trượt dẫn hướng) và điện tử (động cơ bước, động cơ AC/DC Servo, mạch cách ly quang, bộ điều khiển PLC/MCU). Phân tích cấu trúc 4 mô hình vòng điều khiển: Open loop, Semi-closed loop, Closed loop và Hybrid loop.

Chương 3: Thiết kế phần cơ khí (Mechanical Section)

Chương 3 đi sâu vào thiết kế mô hình máy phay CNC: phân loại máy phay đứng và phay ngang, nguyên lý cắt gọt của dao phay. Đánh giá ưu nhược điểm của 3 phương án di chuyển phôi và kết luận chọn phương án bàn phôi di chuyển trên trục X-Y, đầu dao di chuyển trên trục Z để hạ thấp trọng tâm. Trình bày chi tiết tính toán chọn vít me bi cho 3 trục, bộ truyền đai răng đồng bộ, hệ thống dẫn hướng kết hợp giữa rãnh trượt mang cá (dovetail way) và thanh trượt bi tuyến tính (linear guide), lựa chọn động cơ Spindle DC Servo TS 1980 2N180E12 cùng hệ thống mô hình 3D trên SolidWorks.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điện (Electric Design)

Chương 4 thuyết minh giải pháp phần cứng điện tử điều khiển máy. Lựa chọn vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VET6 (168 MHz) do yêu cầu phát xung vượt trên tần số 500 kHz cho các driver AC Servo công nghiệp. Trình bày sơ đồ mạch đệm, mạch cách ly xung đầu vào sử dụng Opto PC817, sơ đồ kết nối giao tiếp mạng cục bộ RS-485 giữa các khối slave, cấu hình thông số driver Yaskawa SGDA (cho động cơ SGM-02A312 trục X, Y) và driver Panasonic MSDA083A1A (cho động cơ MSMA082A1A trục Z).

Chương 5: Thuật toán nội suy (Interpolation Algorithms)

Chương 5 là nội dung trọng tâm về mặt giải thuật toán học. Phân tích nguyên lý phương pháp chuẩn xung (Reference Pulse Method) so với phương pháp lấy mẫu (Sampling Method). Thiết lập lưu đồ và thuật toán chi tiết cho:

• Thuật toán DDA nội suy đường thẳng (Linear DDA) và cung tròn (Circular DDA).
• Thuật toán xấp xỉ bậc thang SA (Stairs Approximation).
• Thuật toán tìm kiếm trực tiếp DS (Direct Search).
• Thuật toán nội suy đường cong phức tạp NURBS: tính toán vector nút, tính hàm cơ sở B-Spline de Boor bậc 3, xác định điểm điều khiển, giải phương trình đường cong, tính tọa độ các điểm nút và áp dụng giải thuật DDA để phát xung nội suy NURBS trong không gian làm việc.

Chương 6: Kết quả thực nghiệm (Experimental Results)

Chương 6 trình bày kết quả mô phỏng số trên phần mềm MATLAB và C# cho các giải thuật DDA đường thẳng, DDA đường tròn, SA, DS và đường cong NURBS bậc 3. Thuyết minh kết quả tích hợp hệ thống trên mô hình máy CNC 3 trục thực tế, đối sánh chất lượng bề mặt và quỹ đạo chuyển động thực tế khi phay biên dạng thử nghiệm bằng thuật toán DDA và thuật toán NURBS.

Kết quả và đóng góp

Kết quả nghiên cứu chính

• Mô phỏng thành công các giải thuật nội suy: Đã xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng trên phần mềm MATLAB và giao diện C# kiểm tra các giải thuật DDA (đường thẳng, cung tròn), thuật toán SA, DS và thuật toán NURBS bậc 3 sử dụng thuật toán de Boor.
• Thiết kế và chế tạo phần cứng điều khiển: Hoàn thiện bảng mạch giao tiếp, mạch cách ly quang tốc độ cao sử dụng Opto PC817 và mạch điều khiển trung tâm sử dụng ARM STM32F407VET6 đáp ứng tần số phát xung trên 500 kHz.
• Tích hợp đồng bộ hệ thống truyền động AC Servo: Cấu hình và điều khiển thành công 2 động cơ AC Servo Yaskawa SGM-02A312 (kèm driver SGDA, encoder 8192 P/R) cho trục X, Y và 1 động cơ AC Servo Panasonic MSMA082A1A (kèm driver MSDA083A1A, encoder 10000 P/R) cho trục Z.
• Chạy thực nghiệm gia công quỹ đạo thực tế: Mô hình máy phay CNC 3 trục đã vận hành trơn tru, gia công cắt gọt chính xác các đường cong Spline/NURBS trên vật liệu mica và nhựa.
• Xây dựng bài giảng thí nghiệm: Hoàn thành bài thực hành mẫu phục vụ giảng dạy môn học "Thực tập Hệ thống Servo" tại trường.

Đóng góp mới của đề tài

1. Đã tiếp cận và làm chủ giải thuật nội suy đường cong tham số NURBS bậc cao trên nền tảng vi điều khiển nhúng giá thành thấp, thay vì chỉ dừng lại ở các nội suy cơ bản (G01 đường thẳng, G02/G03 cung tròn).
2. Xây dựng cầu nối tích hợp hoàn chỉnh giữa lý thuyết giải thuật điều khiển chuyển động phức tạp với phần cứng công nghiệp thực tế (động cơ AC Servo công nghiệp Nhật Bản Yaskawa/Panasonic).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế:
  • Kết cấu cơ khí và lực cắt của máy mới được thử nghiệm trên các vật liệu phi kim loại mềm (mica, nhựa); chưa kiểm nghiệm trên kim loại có độ cứng cao (nhôm, thép).
  • Hệ thống máy dừng lại ở mức mô hình thực nghiệm trong phòng lab phục vụ giảng dạy và nghiên cứu khoa học, chưa hoàn thiện các tiêu chuẩn công nghiệp để thương mại hóa thành sản phẩm thương mại.
• Hướng phát triển:
  • Tối ưu hóa thời gian thực thi của thuật toán NURBS trực tiếp trên vi điều khiển/DSP chuyên dụng để tăng tốc độ gia công.
  • Nghiên cứu mở rộng thuật toán nội suy cho máy CNC nhiều trục hơn (4 trục, 5 trục) và thử nghiệm gia công trên vật liệu kim loại.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa: Cung cấp tài liệu thiết kế chi tiết máy phay 3 trục từ cơ khí (tính chọn vít me, đai răng, dẫn hướng rãnh mang cá) đến điện tử điều khiển (kết nối driver AC Servo Yaskawa/Panasonic, cách ly tín hiệu xung/chiều).
• Các nhóm nghiên cứu về CNC và thuật toán điều khiển chuyển động: Tham khảo quy trình toán học chi tiết về việc tính toán vector nút, hàm cơ sở Spline, thuật toán de Boor và cách kết hợp DDA để nội suy đường cong NURBS.
• Giảng viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm: Sử dụng trực tiếp cấu trúc bài thực hành mẫu để xây dựng giáo trình thực tập cho môn học "Thực tập Hệ thống Servo".

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận nghiên cứu và so sánh những thuật toán nội suy nào? Khóa luận nghiên cứu tổng cộng 4 thuật toán nội suy chính: DDA (Digital Differential Analyzer - vi phân số cho đường thẳng và đường tròn), SA (Stairs Approximation - xấp xỉ bậc thang), DS (Direct Search - tìm kiếm trực tiếp) và NURBS (Non-Uniform Rational B-spline) bậc 3 sử dụng giải thuật de Boor kết hợp DDA.

2. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn phương án phôi di chuyển trên cả 2 trục X và Y? Phương án phôi đặt trên bàn máy di chuyển theo 2 trục X và Y (đầu trục chính mang dao chỉ nâng hạ theo trục Z) giúp hạ thấp trọng tâm của toàn máy xuống mức thấp nhất và giữ ổn định độ cao trọng tâm trong suốt quá trình làm việc, từ đó gia tăng độ cứng vững và ổn định động học cho hệ thống.

3. Phần cứng điều khiển trung tâm của máy sử dụng loại vi xử lý nào và yêu cầu tần số xung là bao nhiêu? Hệ thống sử dụng kit vi điều khiển ARM Cortex-M4 STM32F407VET6 (tần số hoạt động 168 MHz, 32-bit). Vi điều khiển này được chọn để đáp ứng khả năng phát xung điều khiển tần số cao lớn hơn 500 kHz, phù hợp với tần số hoạt động của các bộ driver AC Servo.

4. Cấu hình động cơ và driver servo trang bị cho các trục của mô hình máy CNC như thế nào?

• Trục X và Y: 2 động cơ AC Servo Yaskawa SGM-02A312 (0.27 HP, 200V 3 pha, 2A, 3000 RPM, Encoder 8192 P/R) đi kèm bộ điều khiển Yaskawa SGDA Servopack.
• Trục Z: 1 động cơ AC Servo Panasonic MSMA082A1A (750W, 116V 3 pha, 4.5A, 3000 RPM, Encoder 10000 P/R) đi kèm bộ điều khiển Panasonic MSDA083A1A.
• Trục chính (Spindle): Động cơ DC Servo TS 1980 2N180E12 (24VDC, 5A, 0.27 HP, Encoder 500 P/R).

5. Sản phẩm thực tế của đề tài đã gia công được biên dạng gì và trên loại vật liệu nào? Mô hình máy phay CNC 3 trục hoàn thiện đã thực hiện thành công việc nội suy và gia công cắt gọt các đường cong Spline/NURBS phức tạp trên các mẫu vật liệu mica và nhựa mềm trong phòng thí nghiệm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư Cơ điện tử của nhóm tác giả tại HCMUTE đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực tiễn các thuật toán nội suy CNC, trọng tâm là giải thuật đường cong NURBS bậc 3. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và tích hợp thành công mô hình máy phay 3 trục hoàn chỉnh, kết hợp vi điều khiển ARM STM32F407VET6 tốc độ cao với các hệ truyền động AC Servo công nghiệp Yaskawa và Panasonic. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của giải thuật khi gia công chính xác các biên dạng cong trên vật liệu mica và nhựa, đồng thời đóng góp một bài thí nghiệm thực hành hoàn chỉnh cho học phần "Thực tập Hệ thống Servo" tại nhà trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCMC UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION BACHELOR THESIS MECHATRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY STUDY ON INTERPOLATION ALGORITHMS FOR CNC MACHINE ADVISOR: VO LAM CHUONG, MSC STUDENT’S NAME: NGUYEN TAN TAI STUDENT’S ID: 13146280 STUDENT’S NAME: PHUN QUOC VIET STUDENT’S ID: 13146264 STUDENT’S NAME: TRAN DAI NAM STUDENT’S ID: 13146137 SKL 0 0 5 3 6 5 Ho Chi Minh city, July 2017 do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- Ho Chi Minh City, July 15th 2017 MISSION OF THESIS Student’s name: Nguyen Tan Tai Student’s ID: 13146280 Major: Mechatronics Class: 13146CLC Phone number: 0164 6576 793 Student’s name: Phun Quoc Viet Student’s ID: 13146264 Major: Mechatronics Class: 131462B Phone number: 01644960322 Student’s name: Tran Đại Nam Student’s ID: 13146137 Major: Mechatronics Class: 131462A Phone number: 01666323408 Advisor: Vo Lam Chuong, MSc Delivery date: July 15th 2017 Submission date: 1. Title of thesis: Study on interpolation algorithms for CNC machine 2. The original data, documents: Use the embedded beagleboard control 3 axes CNC milling machine 3. Main content: - Setting up the parameters for AC servo drivers - Designing a controller panel, interface boards for AC drivers - Study on the interpolation algorithms based on pulse reference method, concentrating on NURBS algorithms - Simulating and implementing on a real model - Building an experimental lesson for the subject “Practice on Servo Systems” 4.

Product: Milling machines can process Spline curves on materials: mica, plastic, … Dean of Department Advisor i do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- ADVISOR’S COMMENT Student’s name:. Title of thesis:. The content of thesis and the workload:. Project defence approval:.

) Ho Chi Minh City, July 2017 Advisor (Name, signature) ii do an SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence - Freedom - Happiness ----***---- ADVISOR’S COMMENT Student’s name:. Title of thesis:. The content of thesis and the workload:. Project defence approval:.

) Ho Chi Minh City, July 2017 Advisor (Name, signature) iii do an ACKNOWLEDGEMENT During the working time, we received enthusiastic guidance that help us finish the project successfully. Firstly, we would like to express our sincere gratitude to the School Board of Ho Chi Minh City University of Technology and Education and the Faculty of High Quality Training that create great conditions for successful project. Secondly, we would like to thank Vo Lam Chuong, MSc – our supervisor who gave us a lot of useful guidance and advice that help us to complete the project successfully. From these advice, we know how to apply our knowledge to solve a real problem and feel more confident in our learned skills.

Thank to our group members in Servo Laboratory, who often attend to support each other and cooperate enthusiastically to complete the project. Finally, we would like to thank my family and friends for always supporting, caring and encouraging us during more than four years studying at the universisty. Ho Chi Minh City, July 24th, 2017 Members of group: Phun Quoc Viet Nguyen Tan Tai Tran Dai Nam iv do an ABSTRACT Our country's mechanical engineering has made significant development but the precision engineering industry has not really developed yet to meet the demand for high precision mechanical processes. To achieve the precision and high quality require technology of thriving CAD/CAM/CNC.

Therefore, researching and appling control algorithms are extremely important. This article presents some results in research of interpolation algorithms such as DDA (Digital Differential Analyzer), SA (Stairs Approximation), DS (Direct Search) and NURBS (Non-Uniform Rational B-spline) to improve accuracy for CNC milling machines. We used the strong support softwares to simulate as Matlab, C #, then evaluated the quality and accuracy of the algorithms on the 3-axis CNC milling machine model. v do an TABLE OF CONTENTS MISSION OF THESIS.

ii ADVISOR’S COMMENT .v TABLE OF CONTENTS. vi LIST OF ABBREVIATIONS. ix LIST OF TABLES. ix LIST OF FIGURES AND CHARTS .x CHARTER 1: OVERVIEW PROJECT.

The urgency of the project. The scientific and practical significance of the project. Research objectives of the project. Object and scope of the study.

Research scope of the project .