phần mở đầu, trong chƣơng này, tác giả đề cập đến tính cần thiết và lý do chọn đề tài. Từ đó đề ra nhiệm vụ, phạm vi và phƣơng pháp nghiên cứu cho đề tài. - Chƣơng 2: Trình bày tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu. Trong chƣơng 2, tác giả giới thiệu chung về lĩnh vực nghiên cứu, các công trình nghiên cứu ở trong và ngoài nƣớc- Chƣơng 3: Cơ sở lý thuyết, tập trung trình bày phần cơ sở lý thuyết phục vụ cho quá trình tính toán ở chƣơng 5, là phần thiết kế tính toán về cơ khí và phần điều khiển.
- Chƣơng 4: Nêu ý tƣởng và phƣơng án thiết kế. Trong chƣơng này, tác giả đề cập đến các phƣơng án chế tạo khung máy CNC từ đó chọn ra khung máy tối ƣu và phù hợp nhất để chế tạo - Chƣơng 5: Tính toán và thiết kế máy và bộ điều khiển Từ phƣơng án thiết kế đã đƣợc chọn, tác giả tiến hành tính toán thiết kế từng chi tiết của máy nhƣ: Tính toán và chọn động cơ cho 3 trục, thiết kế bộ điều khiển và phần mềm cho máy phay CNC. 14 - Chƣơng 6: Chế tạo và kiểm nghiệm. - Chƣơng kết luận và đề nghị.2 Mục tiêu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu.1 Mục tiêu, khách thể.
Từ những phân tích trên ta thấy việc “Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển hệ mở (OPEN CNC) để điều khiển máy phay 3 trục” là cần thiết, đóng vai trò quan trọng trong vấn đề cơ khí hóa, hiện đại hóa nền sản xuất ở nƣớc ta.2 Đối tượng nghiên cứu. - Bộ điều khiển của máy phay 3 trục 2.3 Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu.1 Nhiệm vụ nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan những khái niệm và sự phát triển và tình hình ứng dụng của bộ điều khiền cấu trúc mở; - Xây dựng phần cứng của mô hình máy phay CNC; - Xây dựng phần mềm điều khiển dạng cấu trúc mở; - Nghiên cứu thử nghiệm hoạt động của mô hình tổng thể.2 Phạm vi nghiên cứu. Đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển hệ mở (Open CNC) cho máy phay 3 trục. Các công việc tính toán thiết kế và chế tạo đƣợc triển khai chi tiết.
Các thiết bị liên quan khác không thuộc phạm vi nghiên cứu của đề tài.4 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu, phân tích lý thuyết. - Phƣơng pháp tham khảo tài liệu: Tài liệu về điều khiển tự động, tài liệu về công nghệ CNC, tài liệu về thiết kế mô phỏng, tài liệu về lập trình vi điều khiển, tài liệu về động cơ bƣớc, động cơ Servo… 16 - Tham khảo một số máy CNC có cấu trúc tƣơng tự và giá thành của chúng trên thị trƣờng. - Tham khảo một số tài liệu về thiết kế máy phay CNC trƣớc đây. - Tham khảo các tài liệu về thiết kế bộ điều khiển cho máy CNC.
- Nghiên cứu kết cấu của các loại máy CNC trên thị trƣờng có tính năng tƣơng tự, cải tiến những khuyết điểm. Phƣơng pháp thực nghiệm: Lắp ráp và thí nghiệm các mạch điều khiển động cơ DC Step, bộ điều khiển chính.1 Giới thiệu bộ điều khiển có cấu trúc mở. Bộ điều khiển có cấu trúc mở OAC (Open Architecture Controller) hiện là một thuật ngữ đang đƣợc nhắc nhiều đến trong lĩnh vực điều khiển, nơi mà hệ thống phần cứng và phần mềm đƣợc thiết kế theo cấu trúc mở để có thể mở rộng đƣợc rất nhiều ứng dụng cho ngƣời dùng chọn lựa. Chính điều này cho phép ngƣời sử dụng điều chỉnh và thêm vào những kỹ thuật mới.
Một ví dụ dễ thấy nhất là có thể gắn thêm vào Mainboard các Card mở rộng thông qua các rãnh cắm hoặc có thể bỏ hoặc cài đặt phần mềm khác dễ dàng, tính mở của hệ thống máy tính đã khuyến khích rất nhiều công ty cũng nhƣ các nhà nghiên cứu phát triển và cung cấp phần mềm, phần cứng cũng nhƣ dịch vụ hỗ trợ cho máy tính điều này làm tăng tiềm năng của sản phẩm cung cấp và do đó đáp ứng đƣợc nhu cầu của khách hàng, lợi nhuận thu ngày càng cao. Vì những thành công to lớn mà cấu trúc mở đã đạt đƣợc trong ngành máy tính và những ƣu điểm của nó, các công ty và nhà nghiên cứu muốn áp dụng nó vào lĩnh vực điều khiển. Máy công cụ điều khiển số CNC, hệ thống PLC, robot là những hệ thống đang đƣợc quan tâm nghiên cứu để áp dụng vào cấu trúc mở.1 Khái niệm về Bộ điều khiển có cấu trúc mở Có nhiều định nghĩa khác nhau về cấu trúc hệ mở ( hay hệ thống mở) tùy theo cách hiểu và sự quan tâm, nhấn mạnh đến khía cạnh nào đó. Tiêu chuẩn của Hiệp hội Điện tử quốc tế IEEE đã định nghĩa hệ thống mở nhƣ sau:1 “ Một hệ thống mở cung cấp khả năng có thể bổ sung những ứng dụng chạy trên nhiều nền khác nhau từ những nhà cung cấp khác nhau, liên kết hoạt động với những hệ thống ứng dụng khác, và thể hiện kiểu tương tác phù hợp với người sử dụng ”.Thái Thị Thu Hà đề tài KC-03 trang 85 18 Nhƣng định nghĩa trên khá rộng để nêu lên những đặc điểm của hệ thống điều khiển mở.
Mỗi nhóm nghiên cứu đã có định nghĩa riêng và có liên quan gần hơn đến lĩnh vực sản xuất. Giáo sƣ Koren của đại học Michigan định nghĩa nhƣ sau: “ Bộ điều khiển có cấu trúc mở là bộ điều khiển được thiết kế và chế tạo nhằm tích hợp thiết bị đo lường, điều khiển mới và những mođun phần mềm bằng cách cho phép truy cập đến tập hợp định sẵn những biến điều khiển bên trong bộ điều khiển”2 Trong khi đó định nghĩa của OSACA, một dự án nghiên cứu về cấu trúc mở của Châu Âu lại nhấn mạnh đến tầm quan trọng của việc giao tiếp giữa các môđun phần mềm : “Một hệ thống điều khiển mở theo quan niệm của OSACA, bao gồm những tập hợp hợp lý những thành phần rời rạc.Việc giao tiếp giữa những thành phần này với nền hệ thống được thiết kế sao cho những thành phần từ nhà cung cấp khác nhau , có thể kết hợp với nhau để tạo nên chức năng điều khiển hoàn chỉnh và chính xác.Các chức năng điều khiển này có thể chạy trên nhiều nền khác nhau và thể hiện một dao diện phù hợp cho người dùng cũng như có thê giao tiếp tốt với hệ thống khác”(3) Một định nghĩa khá chi tiết về điều khiển của cấu trúc mở của Shotfield trong luận văn tiến sĩ, Ông định nghĩa nhƣ sau : “Một bộ điều khiển cấu trúc mở phải có tính linh hoạt trong phần cứng và phần mềm. Nó cho phép phần cứng thay đổi cấu hình cơ bản , phần mềm thay đổi ở các cấp điều khiển, điều này cho phép những nhà phát triển phần cứng và phần mềm bên ngoài tham gia, do đó tạo ra một nền phát triển rộng lớn cho công nghệ mới”4 (2) TS.Thái Thị Thu Hà đề tài KC-03 trang 85 (3) TS.Thái Thị Thu Hà đề tài KC-03 trang 85 (4) TS.Thái Thị Thu Hà đề tài KC-03 trang 85 19 Tính linh hoạt liên quan đến khía cạnh bên trong của bộ điều khiển cấu trúc mở, nó yêu cầu bộ điều khiển phải có tính môđun và mở rộng. Để có phần cứng linh hoạt thì bộ điều khiển phải có cấu trúc chức năng của bus máy tính, có thể tham gia hoặc bớt đi phần cứng dễ dàng.
Những phần cứng này có thể là các cảm biến, cơ cấu chấp hành hay bộ xử lý mạnh hơn để thỏa mãn một ứng dụng chuyên biệt nào đó. Cấu trúc này phải tuân theo chuẩn công nghiệp nhƣ VME bus hoặc PC bus.Tính linh hoạt của phần mềm thể hiện bằng việc sử dụng ngôn ngữ tiêu chuẩn cho lập trình, ngƣời sử dụng có thể truy xuất đến các cấp của chƣơng trình có tính môđun để dễ dàng sửa đổi. Ngôn ngữ lập trình cũng phải tuân theo chuẩn công nghiệp nhƣ ngôn ngữ C/C++ chẳng hạn. Tính tích hợp sử dụng dƣới 2 dạng: - Thứ nhất, phải có khả năng tích hợp thiết bị cùng cấp ( ví dụ nhƣ liên kết với robot và thiết bị vận chuyển phôi.
- Thứ 2 là dạng tích hợp ở mức cao hơn, lên kế hoạch tiến trình và thiết kế hệ thống. Dạng tích hợp này đôi khi không đƣợc chú ý nhiều khi thiết kế bộ điều khiển cấu trúc mở. Tóm lại ngƣợc với tính linh hoạt, tính tích hợp liên quan đến phần bên ngoài của bộ điều khiển. Bởi vì không có bất kỳ hệ thống của nhà cung cấp nào có thể thỏa mãn tất cả các tác vụ yêu cầu nên khả năng tích hợp hiệu quả với thiết bị khác là rất cần thiết của bộ điều khiển cấu trúc mở.
Tính tiêu chuẩn là khả năng xây dựng sản phẩm có thể tích hợp tốt với hệ thống lớn hơn, liên kết hoạt động với những sản phẩm khác và có thể chạy trên nền phần cứng máy tính khác nhau dựa trên một tiêu chuẩn chung.Tuy nhiên việc thực thi tính tiêu chuẩn cho bộ điều khiển cấu trúc mở là rất khó khăn ví vẫn chƣa có sự thống nhất 20 và nhiều trở ngại vì khi lập ra tiêu chuẩn mới thì những hệ thống cũ là hệ thống không đạt tiêu chuẩn 2.2 Tầm quan trọng của bộ điều khiển cấu trúc mở Thông thƣờng những nhà sản xuất phần cứng máy tính và các công ty viết phần mềm là riêng biệt nhau. Những công ty điều khiển hàng đầu cũng nhƣ nhà phần cứng truyền thống lại muốn phát triển hệ thống của mình bằng cách nhúng phần mềm vào phần cứng (chƣơng trình đƣợc cài đặt sẵn trong IC chuyên dụng). Vì vậy muốn chạy một ứng dụng nào thì ngƣời sử dụng phải cần phần cứng độc quyền của ứng dụng đó. Do đó các nhà sản xuất ra sức bảo vệ thị phần của mình và tránh tối đa tính mở của hệ thống.
Những bất tiện sẽ gặp phải khi sử dụng cấu trúc đóng, độc quyền là : Các máy công cụ CNC thông thƣờng có những phần cứng và phần mềm độc quyền, nên đối với ngƣời sử dụng, chúng giống nhƣ những chiếc hộp đen. Những ngƣời sử dụng buộc phải làm việc với những thƣ việc có chức năng giới hạn. Những thƣ viện chức năng này có thể đáp ứng nhu cầu của ngƣời sử dụng trong quá trình sản xuất, nhƣng muốn mở rộng một số tính năng mới ( ví dụ nhƣ thêm vào hệ thống một số cảm biến mới để kiểm soát một thông số nào đó trong quá trình sản xuất) thì không thể. Những hệ thống CNC này có tính linh hoạt bị giới hạn và không đáp ứng những yêu cầu ngày càng tăng cao của khách hàng.