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

• 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

• 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

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.