chương 1 đã được trình bày ở trên và các chương còn lại được trình bày như sau: Chương 2: Trình bày tổng quan về các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến bàn máy, chỉ ra những tồn tại đang có và xác lập phương pháp khác thay thế. Chương 3: Trình bày các lý thuyết liên quan đến EtherCAT, Beckhoff, ngôn ngữ lập trình được sử dụng để điều khiển bàn máy. Chương 4: Đưa ra các phương hướng, phương án lựa chọn thiết kế bàn máy. Chương 5: Trình bày thiết kế phần cơ khí, điện, phương pháp điều khiển bàn máy dựa trên phần mềm TwinCAT 3.
Chương 6: Trình bày kết quả thực nghiệm, thảo luận các vấn đề xảy ra khi điều khiển bàn máy, đề xuất phương án giải quyết và hướng phát triển của đề tài. -2- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2. Giới thiệu về máy CNC CNC (Computerized Numerical Control) là loại máy công cụ trong ngành gia công và sản xuất, được điều khiển bằng máy tính và các phần mềm để thực hiện các hoạt động gia công và chế tạo sản phẩm theo các kết cấu và hình dạng mong muốn. Thay vì cần sự can thiệp và điều khiển bằng tay như trong máy công cụ truyền thống, máy CNC hoạt động tự động và chính xác theo các chỉ thị số hóa từ chương trình máy tính.1: Máy CNC dùng trong công nghiệp (Nguồn: https://www.com/industrial-manufacturer/cnc-machining- 227192.
Lịch sử ra đời và quá trình phát triển Vào thập niên 40 của thế kỷ 19, khái niệm về điều khiển số bắt đầu xuất hiện. Khi đó, các kỹ sư và nhà nghiên cứu đã có ý tưởng dùng thẻ đục lỗ để điều khiển máy công cụ. Điều này đã dẫn đến sự ra đời của các máy NC (Numerical Control) đầu tiên, với khả năng tự động hóa một số quy trình gia công. Cha đẻ của điều khiển số - John T.
Parsons đã ứng dụng điều khiển số vào sản xuất các bộ phận máy bay và góp phần giúp các máy NC trở nên phổ biến trong các nhà máy sản xuất tại Mỹ. Vào những năm 1950, quá trình chuyển đổi từ NC sang CNC đã diễn ra. Sự ra đời của máy tính cho phép kiểm soát máy công cụ phức tạp hơn. Máy CNC đã sử dụng chương trình máy tính để điều khiển chính xác chuyển động của dụng cụ, cho phép thực hiện các hoạt động gia công chính xác và phức tạp hơn.
Trong những năm 1960 và 1970, máy CNC đã trở nên phổ biến trong các ngành sản xuất. Chúng mang lại những cải tiến đáng kể về năng suất và độ hiệu quả so với các các phương pháp gia công thủ công. Công nghệ CNC đặc biệt có lợi cho các sản phẩm cần độ chính xác cao và lặp đi lặp lại. Trong những năm 1980 và 1990, công nghệ CNC tiếp tục phát triển nhanh chóng.
Các cải tiến đã được thực hiện trong hệ thống điều khiển, ngôn ngữ lập trình và tích hợp phần mềm CAD/CAM. Những cải tiến này đã nâng cao hơn nữa khả năng và tính linh hoạt của máy CNC. Không chỉ dừng lại ở đó, khi công nghệ phát triển, máy CNC còn có khả năng -3- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao hoạt động ở 4 và 5 trục, cho phép thực hiện các hoạt động gia công phức tạp hơn để sản xuất các linh kiện và bộ phận có độ phức tạp cao. Ngày nay, máy CNC đóng một vai trò quan trọng trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 và sản xuất thông minh.
Chúng được tích hợp với hệ thống tự động hóa và robot để tạo ra các giải pháp sản xuất tiên tiến. Chúng còn được kết nối với Internet và được trang bị cảm biến, cho phép thu thập, phân tích và giám sát dữ liệu theo thời gian thực. Kết nối này tạo điều kiện cho việc bảo trì, tối ưu hóa quy trình được cải thiện và năng suất tổng thể cao hơn. Trong suốt lịch sử của mình, máy CNC đã cách mạng hóa ngành sản xuất, góp phần mang lại hiệu quả, độ chính xác và tự động hóa cao hơn trong nhiều lĩnh vực, bao gồm ô tô, điện tử, hàng không, thiết bị y tế,.
Sự phát triển không ngừng của công nghệ CNC tiếp tục định hình tương lai của sản xuất và tự động hóa. Phân loại máy CNC Máy CNC được phân làm 2 loại: Theo dạng máy công cụ và theo phương pháp cắt gọt. Theo dạng máy công cụ gồm các máy phay, máy tiện, máy khoan, máy doa, máy bào,… Hình 2.2: Máy tiện CNC (Nguồn: https://tinhha.vn/may-tien-cnc/) Theo phương pháp cắt gọt gồm máy cắt Plasma, máy cắt laser, máy in 3D,… Hình 2.3: Máy cắt laser CNC (Nguồn: https://weldcom.vn/danh-muc/may-cat-cnc/may-cat-laser/) -4- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao 2. Ưu điểm - Độ chính xác cao.
- Lặp lại các phép gia công chính xác, tiết kiệm vật liệu. - Nâng cao năng suất sản xuất, đặc biết đối với các chi tiết phức tạp. - Có thể tích hợp với các hệ thống tự động hóa giúp tối ưu hóa quy trình gia công. - Có thể tạo ra sản phẩm và linh kiện đa dạng.
- Giảm thiểu thời gian và công sức của người vận hành. Nhược điểm - Chi phí đầu tư ban đầu cao. - Yêu cầu kỹ thuật cao. - Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì chuyên nghiệp.
Đặc tính của máy Hiện nay, các loại máy CNC được đã sử dụng nhiều trong các ngành sản xuất công nghiệp, liên quan đến các vật liệu kim loại như gia công, chế tạo, lắp đặt máy móc, thiết bị,… Một số lĩnh vực ứng dụng công nghệ CNC phổ biến có thể kể đến như: + Chế tạo khuôn mẫu, linh kiện. + Điêu khắc trang trí và nội thất: Vách, tựa ghế,… + Y tế: Dụng cụ phẫu thuật, chỉnh hình,… + Ngành điện tử: Bảng mạch, tản nhiệt,… + Hàng không vũ trụ: Tuabin máy máy, khung máy, vỏ máy,… + Chế tạo các bộ phận ô tô: Mâm xe, cửa, tay nắm,… Hình 2.4: Máy phay CNC gia công hàm răng giả. (Nguồn: https://www.com/dental) -5- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao 2. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 2.
Các nghiên cứu ngoài nước Trong nhiều năm qua, các nước trên thế giới hầu như đều đã và đang nghiên cứu về bàn máy 3 trục, và hiện nay họ vẫn đang tiếp tục nghiên cứu cách để máy đạt được độ chính xác cao và giảm độ rung. Các nghiên cứu ngoài nước tiêu biểu có thể kể đến là Openbuilds với các sản phẩm máy khắc CNC có độ chính xác cao, dễ lắp và có thể làm các bản khắc 2D và 3D.5: Máy khắc CNC của Openbuilds (Nguồn: Openbuilds Part Store) 2. Các nghiên cứu trong nước Trong nước hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về máy CNC mini nhằm phục vụ các công việc như cắt mica, cắt gỗ,… và cùng với đó là những mô hình máy CNC phục vụ giảng dạy trong các trường đại học trên cả nước. Các nghiên cứu trong các trường đại học có thể kể đến: - Đồ án tốt nghiệp “Nghiên cứu giải thuật nội suy và ứng dụng mô phỏng chuyển động của quỹ đạo dao trên máy CNC” của sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM năm 2016.
- Công trình nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống truyền động CNC 3 trục cho máy in 3D kim loại” của sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM năm 2018. - Bài báo “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy CNC phay mạch in phục vụ công tác đào tạo” của sinh viên trường Đại học Công nghệ Giao thông Vận tải năm 2023. -6- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao Hình 2.6: Mô hình bàn máy 3 trục ở phòng thực tập Servo – Trường ĐH SPKT TPHCM 2. Các tồn tại của các giao thức truyền dẫn dữ liệu Trong lĩnh vực cơ khí chính xác, để tạo ra một sản phẩm phức tạp thì yêu cầu về sai số là cực kỳ nhỏ, mà nó chỉ có thể được thực hiện bằng các máy móc công nghiệp hiện đại với giá thành không hề rẻ.
Các máy CNC mini hiện nay đang khá phổ biến nhưng vì nhiều lý do khác nhau vẫn có những sai số trong quá trình gia công làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Cùng với đó việc các thiết bị điều khiển phản hồi chậm cũng khiến việc gia công dễ gặp sự cố. Khi sản phẩm càng phức tạp thì yêu cầu về độ chính xác càng cao, nhưng hai vấn đề trên vẫn đang tồn tại trong các đề tài nghiên cứu và chế tạo bàn máy CNC ở Việt Nam. Vì thế việc nghiên cứu để tăng độ chính xác cho máy là rất thiết thực vì nếu thành công nó không chỉ giúp cho các doanh nghiệp có thêm thu nhập nhờ vào việc gia công ở độ chính xác cao mà còn làm động lực thúc đẩy các nghiên cứu sau này để phát triển nâng cấp thêm về ý tưởng này.
Định hướng của đề tài là ứng dụng EtherCAT vào bàn máy 3 trục, hệ thống điều khiển chuyển động sẽ có thể đạt được độ chính xác cao, thời gian phản hồi nhanh, đáp ứng thời gian thực, tích hợp sự linh hoạt và khả năng mở rộng dễ dàng nhờ cấu trúc mạng dây chuỗi của EtherCAT. Điều này sẽ giúp tăng cường hiệu suất, độ chính xác trong việc điều khiển chuyển động của bàn máy. -7- Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Khoa đào tạo Chất lượng cao CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3. Giao thức truyền thông EtherCAT 3.
Mạng truyền thông Ethernet • Khái niệm mạng truyền thông Ethernet Ethernet là công nghệ kết nối các thiết bị trong mạng cục bộ có dây (LAN) hoặc mạng diện rộng (WAN). Ethernet dựa trên một tập hợp quy tắc và ngôn ngữ mạng chung, cho phép các thiết bị trong cùng một mạng truyền tải và nhận dữ liệu một cách hiệu quả. Ethernet ít bị gián đoạn hơn so với mạng LAN không dây (WLAN). Các thiết bị trong mạng Ethernet được kết nối bằng hệ thống cáp, làm tăng mức độ kiểm soát và bảo mật mạng.
Do đó, người ngoài khó có thể truy cập dữ liệu mạng hoặc chiếm đoạt băng thông của các thiết bị đang trong trạng thái không hoạt động. Đây chính là lý do giúp Ethernet trở thành lựa chọn phổ biến trong việc xây dựng hệ thống mạng của nhiều doanh nghiệp. Hiện nay, có 2 chuẩn mạng Ethernet phổ biến: - Tốc độ 10/100Mbs: Đạt chuẩn Megabit. Đây là tốc độ mạng phổ biến và thường được sử dụng trong hầu hết các kết nối Internet hiện nay.
- Tốc độ 10/100/1000Mbs: Đạt chuẩn Gigabit.