Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy công cụ điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computer Numerical Control) đóng vai trò thiết yếu trong dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, bao gồm cơ khí chính xác, điện tử, may mặc và giày dép. Việc ứng dụng máy CNC nâng cao mức độ tự động hóa của doanh nghiệp nhờ khả năng vận hành liên tục sau khi nạp chương trình gia công, giảm thiểu sự can thiệp thủ công của con người, hạn chế phế phẩm do sai sót của người vận hành và dự báo chính xác tiến độ sản xuất. Đồng thời, máy CNC cho phép gia công các biên dạng có độ phức tạp cao với độ lặp lại và tính đồng nhất chuẩn xác giữa các sản phẩm trong sản xuất quy mô lớn.

Tại Việt Nam, hầu hết các hệ thống máy CNC công nghiệp đều phải nhập khẩu từ Đức, Nhật Bản hoặc Trung Quốc với giá thành rất cao. Các dòng máy CNC được thiết kế và chế tạo nội địa còn hạn chế, phần lớn dừng lại ở quy mô chế tạo thủ công (máy tự chế). Các hệ thống này thường vận hành thông qua các mạch trung gian như Mach3 hoặc CNC USB Controller kết nối với máy vi tính cá nhân (PC) để chạy phần mềm điều khiển. Giải pháp này khiến chi phí lắp đặt bị đội lên do bắt buộc phải trang bị một máy tính đi kèm, đồng thời làm tăng kích thước cồng kềnh của toàn bộ hệ thống. Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và thi công máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM" được thực hiện nhằm chế tạo một máy CNC mini có khả năng vận hành độc lập, sử dụng mạch điều khiển nhúng trên nền vi điều khiển ARM Cortex-M3 để thay thế máy vi tính, góp phần hạ giá thành thiết bị và đáp ứng nhu cầu gia công mẫu nhỏ cũng như đào tạo kỹ thuật.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 4 nội dung cụ thể:

  1. Tìm hiểu tổng quan về các dòng máy CNC và nhu cầu thực tế trên thị trường.
  2. Tìm hiểu và thiết kế cơ cấu phần khung máy CNC.
  3. Thiết kế mạch điều khiển trung tâm cho máy sử dụng vi điều khiển ARM.
  4. Xây dựng quy trình tạo tập tin G-code, nạp chương trình và kiểm tra hoạt động gia công thực tế của hệ thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí phần khung máy CNC; vi điều khiển 32-bit STM32F103VCT6 (lõi ARM Cortex-M3); mạch công suất điều khiển động cơ bước; động cơ phay (spindle) 1 pha; màn hình màu cảm ứng TFT LCD 7 inch và giao tiếp thẻ nhớ SD.
  • Phạm vi không gian và giới hạn kỹ thuật: Hệ thống được thiết kế dưới dạng máy CNC mini để bàn với kết cấu phôi cố định; kích thước bao 410 x 310 x 330 mm; hành trình làm việc ba trục X = 200 mm, Y = 300 mm, Z = 80 mm; khối lượng khoảng 20 kg. Vật liệu gia công tập trung vào các vật liệu mềm như gỗ và nhựa; thực hiện khắc các biên dạng 3D đơn giản. Hệ thống giới hạn ở việc xử lý các tập lệnh G-code cơ bản. Do điều kiện trang thiết bị chế tạo cơ khí chính xác tại xưởng thực hành còn hạn chế và thời gian thực hiện ngắn, phần khung máy được nhóm đặt gia công tại cơ sở chuyên môn bên ngoài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết gia công điều khiển số, kỹ thuật cơ khí truyền động và thiết kế hệ thống nhúng:

  • Lịch sử và nguyên lý điều khiển số: Hệ thống hóa quá trình phát triển từ máy tiện cơ khí của Henry Maudslay (1800), máy phay của Eli Whitney (1818), đến hệ thống điều khiển số NC sử dụng thẻ đục lỗ do John T. Parsons phối hợp cùng Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và Không quân Hoa Kỳ phát triển vào cuối thập niên 1940 - đầu thập niên 1950. Phân tích nguyên lý chuyển đổi dữ liệu từ chuỗi lệnh G-code (như tọa độ di chuyển, lệnh M03 bật trục chính, G99 đọc dữ liệu) sang chuyển động cơ học của các trục.
  • Khung lý thuyết phần cứng nhúng: Sử dụng kiến trúc vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 trên dòng chip STM32F103VCT6 của hãng STMicroelectronics. Vi điều khiển sở hữu bộ nhớ Flash 512 KB, RAM 48 KB, tích hợp khối giao tiếp thẻ nhớ SDIO, bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt (FSMC), cùng hệ thống Timer định thời phát xung điều khiển động cơ bước.
  • Lý thuyết cơ cấu truyền động và dẫn hướng cơ khí: Phân tích, so sánh các cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: bộ truyền vít me - đai ốc thường (ma sát trượt, lực đẩy lớn nhưng tồn tại độ rơ), vít me đai ốc bi (ballscrew - ma sát lăn, độ chính xác cao) và bộ truyền đai răng (tốc độ cao nhưng lực kéo nhỏ, dễ trượt bước khi quá tải). Cơ cấu dẫn hướng sử dụng thanh trượt tròn mạ chrome kết hợp con trượt tròn.
  • Quy trình CAD/CAM: Tham khảo dự án mã nguồn mở GRBL về xử lý lệnh G-code; sử dụng phần mềm đồ họa và gia công ArtCAM Pro nhằm chuyển đổi các tệp hình ảnh 2D định dạng bitmap (.bmp) thành mô hình nổi 3D (Relief) và xuất chuỗi mã lệnh gia công G-code.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp khảo sát thực tế: Thu thập, so sánh thông số kỹ thuật và giá thành của các mẫu máy CNC hiện có trên thị trường như máy khắc gỗ công nghiệp CNCVHS1825-6, máy khắc BL-6090 và máy CNC mini 3040.
  • Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống kỹ thuật: Tính toán tải trọng, lựa chọn động cơ bước, thiết kế sơ đồ nối dây giữa vi điều khiển STM32F103VCT6 với IC driver TB6600, màn hình TFT cảm ứng 7 inch MD070SD và module thẻ nhớ SD.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm thử: Lập trình nhúng điều khiển, xây dựng lưu đồ thuật toán, kiểm tra hoạt động không tải, cân chỉnh dịch chuyển từng trục và tiến hành gia công thực tế trên phôi gỗ.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM Cortex-M3 được thiết kế theo cấu trúc nhúng độc lập (standalone), không phụ thuộc vào máy vi tính trong quá trình vận hành gia công.

Thông số kỹ thuật của hệ thống máy chế tạo

Hạng mục thông số Chi tiết giá trị thiết kế
Kích thước bao (Dài x Rộng x Cao) 410 x 310 x 330 mm
Khối lượng toàn bộ máy Khoảng 20 kg
Vật liệu khung và mặt bàn máy Nhựa PVC
Hành trình khả dụng (X x Y x Z) 200 mm x 300 mm x 80 mm
Cơ cấu chuyển động trục Bàn máy và phôi cố định; trục Y mang cụm trục X và Z
Bộ truyền động Vít me - đai ốc thường, bước ren 1.5 mm
Cơ cấu dẫn hướng Ray trượt tròn Φ12 (vật liệu thép 45#, Gcr15 mạ chrome, độ cứng HRC58-60)
Động cơ bước các trục (X, Y, Z) 3 động cơ bước (Step motor) kích thước 42 mm, dòng tải định mức 1.5A
Mạch lái động cơ bước (Driver) IC TB6600, điều khiển động cơ bước 2 pha, ngõ ra 6 dây
Động cơ phay trục chính (Spindle) Động cơ DC công suất 300W, điện áp hoạt động 12 - 48V, tốc độ 3.000 - 12.000 RPM
Khớp nối trục động cơ - vít me Khớp nối mềm kim loại BK BF
Dao khắc gia công Dao khắc 3D hợp kim YG10X (thép cacbua vonfram)
Cố định phôi Bộ vam kẹp phôi cơ khí

Sơ đồ khối và cấu trúc phần cứng

Hệ thống điều khiển bao gồm 5 khối chức năng chính:

  1. Khối nguồn: Cung cấp các mức điện áp độc lập: nguồn 3.3V và 5V cho khối điều khiển và màn hình LCD; nguồn 12V cho mạch điều khiển phụ trợ; nguồn 40V công suất cấp cho driver động cơ bước và động cơ phay Spindle.
  2. Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển STM32F103VCT6 (lõi ARM Cortex-M3, 100 chân, Flash 512 KB, RAM 48 KB). Chip đảm nhận việc đọc tập tin G-code từ thẻ nhớ, giải mã lệnh, phát xung điều khiển động cơ bước và xử lý tín hiệu giao tiếp màn hình cảm ứng.
  3. Khối hiển thị và giao tiếp người dùng: Sử dụng màn hình TFT cảm ứng 7 inch MD070SD (độ phân giải 800 x 480 pixel, 16 triệu màu, tích hợp CPLD + SDRAM điều khiển giao diện RGB).
  4. Khối đọc thẻ nhớ: Giao tiếp thẻ SD qua giao thức SDIO trên vi điều khiển, cho phép đọc danh sách tập tin và truyền dữ liệu mã G-code vào bộ đệm.
  5. Khối công suất: Gồm 3 mạch driver TB6600 điều khiển 3 động cơ bước cho trục X, Y, Z và mạch đóng ngắt/điều tốc cho động cơ Spindle.

Bảng cấu hình chân kết nối giữa vi điều khiển STM32F103VCT6 và màn hình MD070SD

Tín hiệu chức năng Chân trên màn hình LCD/Touch Chân GPIO vi điều khiển STM32F103VCT6 (Số chân)
Cảm ứng (Touch) T_IRQ PD15 (Chân 62)
T_DO PD10 (Chân 57)
T_DIN PD9 (Chân 56)
T_CS PD1 (Chân 82)
T_CLK PD8 (Chân 55)
Điều khiển LCD Reset PD0 (Chân 81)
CS PD4 (Chân 85)
RD PD11 (Chân 58)
WR PD7 (Chân 88)
RS PD5 (Chân 86)
Bus dữ liệu 16-bit B0 - B6 PE0 (97), PE1 (98), PE2 (1), PE3 (2), PE4 (3), PE5 (4), PE6 (5)
B7 - B15 PE7 (38), PE8 (39), PE9 (40), PE10 (41), PE11 (42), PE12 (43), PE13 (44), PE14 (45), PE15 (46)

Kiến trúc phần mềm và lưu đồ giải thuật

Phần mềm điều khiển nhúng trên ARM được xây dựng theo cấu trúc module thông qua các lưu đồ giải thuật chuyên biệt:

  • Lưu đồ chương trình chính: Khởi tạo toàn bộ ngoại vi vi điều khiển; khởi tạo các thông số vận hành của động cơ bước (tốc độ ăn dao tối đa, tần số khởi động và tần số dừng); hiển thị giao diện đồ họa chính (bàn phím thao tác, danh sách tập tin, trạng thái hoạt động); đọc danh bạ tập tin từ thẻ nhớ SD và hiển thị lên màn hình. Tiến hành quét tọa độ cảm ứng: nếu phát hiện thao tác nhấn phím sẽ rẽ nhánh thực thi chức năng tương ứng:
    • Phím C_1: Chạy tự động tập tin gia công.
    • Phím C_2: Chuyển sang chế độ điều khiển bằng tay.
    • Phím C_3: Mở xem nội dung tập tin G-code (Show file).
    • Phím C_4 / C_6: Cuộn danh sách tập tin lên / xuống.
    • Phím C_5: Xem trước hình ảnh mẫu (Show ảnh).
    • Phím C_7: Cài đặt thời gian hệ thống (RTC).
    • Phím C_8: Xóa tập tin trên thẻ nhớ.
  • Lưu đồ khởi tạo hệ thống: Kích hoạt xung nhịp cho các cổng I/O; cấu hình chân điều khiển LED, công tắc giới hạn hành trình (Limit switch), bộ định thời gian thực (RTC), cấu hình động cơ bước, LCD, cảm ứng Touch và module thẻ nhớ SD.
  • Lưu đồ khởi tạo động cơ bước: Cấu hình chân xung (Step), chân chiều (Direction), chân cho phép (Enable); thiết lập trạng thái cờ phát xung và số bước tăng; cấu hình các bộ định thời Timer 2, Timer 3, Timer 4 hoạt động ở chế độ đếm lên (tần số 36 MHz) để tạo chuỗi xung điều khiển đồng bộ 3 trục.
  • Lưu đồ điều khiển bằng tay (Manual/Jog): Vẽ giao diện bàn phím phụ, đọc và hiển thị tọa độ dao hiện thời; thiết lập bước dịch chuyển cố định $\Delta X, \Delta Y = 1.5\text{ mm}$; xử lý các phím chức năng thiết lập gốc tọa độ (Set Zero 0:0:0), đưa dao về vị trí an toàn (Go Home 0:0:Z hoặc 0:0:0), tăng giảm tọa độ từng trục.
  • Lưu đồ hiển thị và xóa tập tin: Chức năng Show file cho phép mở tệp mã G-code và hiển thị 16 dòng mã lệnh đầu tiên lên màn hình, hỗ trợ đọc tiếp 16 dòng tiếp theo qua phím điều hướng; chức năng xóa file yêu cầu xác nhận thao tác để đảm bảo an toàn dữ liệu.

Quy trình tạo mã G-code gia công từ ảnh đồ họa

Quy trình tạo dữ liệu gia công 3D được thực hiện trên phần mềm ArtCAM Pro qua các bước:

  1. Chuẩn bị ảnh mẫu 2D định dạng bitmap (.bmp) (mẫu thực nghiệm là logo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).
  2. Mở tệp ảnh thông qua chức năng Open Existing Model, thiết lập kích thước làm việc thực tế trong hộp thoại Set Model Size.
  3. Phân tách và nhân bản vùng ảnh thành các cửa sổ layer độc lập (Bird:1, Bird:2, Bird:3, Bird:4), đổi tên tương ứng với từng phần của chi tiết gia công (Leaves and Main Body, Highlights, Eyes and Claws, Pupils).
  4. Tạo biên dạng hình nổi 3D trong cửa sổ 3D View bằng chức năng Relief, sử dụng công cụ làm mịn bề mặt (Smooth Relief) để khử răng cưa và vết lồi lõm của hình ảnh.
  5. Thiết lập đường chạy dao, thông số dao khắc 3D và xuất tập tin chứa chuỗi mã lệnh G-code lưu trực tiếp vào thẻ nhớ SD.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Dẫn nhập

Chương I nêu bật tầm quan trọng của máy công cụ CNC trong nền sản xuất hiện đại và phân tích xu hướng phát triển của các bộ vi xử lý 32-bit hiệu năng cao, tiêu thụ điện năng thấp như dòng ARM Cortex-M của hãng STMicroelectronics. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn: thay thế việc điều khiển máy CNC bằng máy tính cồng kềnh và đắt tiền bằng một vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32F103VCT6) nhằm tối ưu chi phí. Đề tài xác lập 4 nhiệm vụ nghiên cứu, xác định đối tượng là phần khung máy, bo mạch ARM, driver động cơ bước, spindle và màn hình LCD cảm ứng. Đồng thời, chương này xác định rõ giới hạn nghiên cứu: máy CNC mini kích thước nhỏ, gia công khắc vật liệu gỗ/nhựa mềm, thực hiện hình nổi 3D đơn giản và chỉ hỗ trợ các câu lệnh G-code cơ bản.

Chương II: Tổng quan về máy CNC và hệ thống điều khiển CNC

Chương II khái quát lịch sử phát triển của máy công cụ từ thời kỳ máy tiện của Henry Maudslay (1800), máy phay của Eli Whitney (1818), đến sự ra đời của máy cắt biên dạng tự động dùng thẻ đục lỗ do John T. Parsons cùng Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và IBM nghiên cứu phục vụ sản xuất cánh trực thăng và máy bay quân sự. Tác giả trình bày chi tiết cấu tạo các thành phần cơ bản của máy CNC hiện đại: bệ máy đúc hoặc hàn nhiệt luyện khử ứng suất; cơ cấu biến đổi chuyển động vít me bi (ballscrew); trục chính và đài dao (máng dao có khả năng chứa từ vài chục đến 400 dao với thời gian thay dao 2 - 8 giây); bộ điều khiển điện tử khép kín có điều hòa nhiệt độ; cùng các cảm biến vị trí. Chương này cũng phân tích các ưu điểm vượt trội của máy CNC về khả năng tự động hóa, độ chính xác lặp lại đạt khoảng 0.005 - 0.01 mm, và tính linh hoạt cao khi kết nối với phần mềm CAD/CAM.

Chương III: Thiết kế hệ thống

Chương III là nội dung trọng tâm của đồ án, mở đầu bằng khảo sát các loại máy CNC trên thị trường và đề xuất các chủng loại máy CNC cần phát triển (trung tâm phay ngang 4 trục, tiện phay tích hợp, máy đột dập CNC). Tác giả so sánh chi tiết các mẫu máy thương mại hiện hành:

Dòng máy khảo sát Vùng làm việc (X, Y, Z) Động cơ trục chính Hệ điều khiển / Phần mềm Mức giá tham khảo
CNCVHS1825-6 1800 x 2500 x 200 mm 6 x 1.5 kW (làm mát bằng nước) NCStudio V5 Khoảng 700 triệu VNĐ
BL-6090 (1 đầu) 600 x 900 x >100 mm 1.5 kW (tốc độ tối đa 24.000 RPM) G-code / PC Windows Khoảng 65 triệu VNĐ
CNC mini 3040 300 x 400 x 150 mm 1.5 kW (kèm bơm nước làm mát) NCStudio / Động cơ bước 57 Khoảng 35 triệu VNĐ

Tiếp đó, tác giả phân tích và quyết định các phương án thiết kế cho máy tự chế: chọn phương án phôi cố định (bàn máy đứng yên, cụm trục Y trượt trên bệ đỡ để mang trục X và Z) nhằm tối ưu độ vững chắc cho mô hình học tập; chọn cơ cấu truyền động vít me - đai ốc thường có bước ren 1.5 mm kết hợp ray trượt tròn Φ12 mạ chrome để tiết kiệm chi phí; chọn động cơ Spindle 300W (12 - 48V, 3.000 - 12.000 RPM) và 3 động cơ bước size 42 điều khiển qua IC driver TB6600. Tác giả trình bày sơ đồ khối hệ thống, chi tiết sơ đồ đấu nối 16-bit dữ liệu và 5 đường điều khiển cảm ứng giữa vi điều khiển STM32F103VCT6 với màn hình TFT LCD 7 inch MD070SD. Cuối chương, tác giả xây dựng toàn bộ hệ thống lưu đồ giải thuật cho chương trình chính, các chương trình con khởi tạo, điều khiển phát xung qua Timer 2, 3, 4 ở tần số 36 MHz, chế độ jog tay, đọc/xóa file trên thẻ nhớ SD và quy trình xuất mã G-code nổi 3D bằng phần mềm ArtCAM Pro.

Chương IV: Kết quả và hướng phát triển

Chương IV trình bày các kết quả thực nghiệm sau khi hoàn thiện chế tạo và lắp ráp máy:

  • Phần khung máy cơ khí hoàn chỉnh đúng kích thước bao 410 x 310 x 330 mm, kết cấu vững chắc, không bị kẹt khi các trục dịch chuyển.
  • Mạch điều khiển ARM Cortex-M3 giao tiếp ổn định với màn hình LCD 7 inch, hiển thị giao diện đồ họa sắc nét, phản hồi cảm ứng nhạy và chính xác.
  • Đọc và giải mã dữ liệu tập tin G-code ổn định từ thẻ nhớ SD qua chuẩn SDIO.
  • Động cơ bước và trục chính vận hành đúng theo chuỗi mã lệnh; máy thực hiện chạy thử nghiệm và khắc thành công hình ảnh 3D logo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trên phôi gỗ.
  • Tác giả đưa ra các đánh giá về chất lượng sản phẩm và xác định các hạn chế kỹ thuật cần khắc phục trong các giai đoạn phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  • Chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục mini hoàn chỉnh với kích thước vật lý 410 x 310 x 330 mm, trọng lượng 20 kg, hành trình gia công đạt X = 200 mm, Y = 300 mm, Z = 80 mm.
  • Xây dựng thành công hệ thống điều khiển nhúng trên vi điều khiển STM32F103VCT6 (lõi ARM Cortex-M3, 32-bit), làm chủ giao tiếp điều khiển màn hình màu TFT cảm ứng 7 inch MD070SD (độ phân giải 800 x 480 pixel) qua bus dữ liệu song song 16-bit và giao tiếp cảm ứng trở kháng.
  • Ứng dụng thành công 3 Timer phần cứng (Timer 2, Timer 3, Timer 4) của chip ARM hoạt động ở tần số xung 36 MHz để tạo xung điều khiển độc lập, đồng bộ 3 trục động cơ bước thông qua mạch lái IC TB6600.
  • Tích hợp thành công giao tiếp đọc/ghi thẻ nhớ SD qua bus SDIO chuyên dụng trên ARM, cho phép tải, duyệt và hiển thị nội dung các tập tin mã G-code trực tiếp lên màn hình mà không cần máy tính.
  • Vận hành thành công chế độ điều khiển bằng tay (Jogging) với bước dịch chuyển xác định 1.5 mm, hỗ trợ các thao tác canh chỉnh dao (Set Zero về 0:0:0, Go Home về 0:0:Z).
  • Gia công thực nghiệm hoàn chỉnh chi tiết khắc nổi 3D logo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trên vật liệu gỗ từ tệp ảnh bitmap thông qua phần mềm ArtCAM Pro.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Ứng dụng vi điều khiển ARM Cortex-M3 chuyên dụng để xây dựng bộ điều khiển CNC độc lập, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng máy vi tính cá nhân và các card giao tiếp thương mại đắt tiền như Mach3 hay NCStudio.
  • Sử dụng màn hình cảm ứng điện trở cỡ lớn (7 inch) để tích hợp toàn bộ bảng điều khiển, bàn phím số và màn hình giám sát trạng thái vào một khối duy nhất, giúp hệ thống nhỏ gọn, dễ thao tác trong môi trường xưởng thực hành.
  • Khuyến nghị sử dụng phần mềm đồ họa ArtCAM Pro để đơn giản hóa quá trình chuyển đổi từ hình ảnh 2D thông thường sang mã gia công 3D dạng khối, giúp người vận hành không chuyên vẫn có thể tạo được dữ liệu gia công nhanh chóng.

Đóng góp tự đánh giá

  • Làm chủ quy trình thiết kế, chế tạo phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển nhúng cho máy CNC 3 trục sử dụng chip vi điều khiển 32-bit.
  • Đưa ra một giải pháp kỹ thuật có chi phí sản xuất thấp, khả thi trong việc ứng dụng vào giảng dạy, học tập và nghiên cứu về hệ thống điều khiển số trong các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế đề tài

  • Khung máy và mặt bàn làm bằng nhựa PVC nên độ cứng vững còn hạn chế; máy chỉ gia công được trên các vật liệu mềm (gỗ, nhựa, mica), không có khả năng gia công kim loại cứng.
  • Cơ cấu chuyển động sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc thường nên vẫn tồn tại độ rơ cơ học nhất định, vận tốc di chuyển bàn máy chưa cao.
  • Thuật toán thông dịch mã lệnh trên vi điều khiển ARM mới dừng lại ở mức xử lý các lệnh G-code cơ bản, chưa hỗ trợ đầy đủ các thuật toán nội suy phức tạp hay bù trừ bán kính dao tự động.
  • Phần khung máy chưa thể tự gia công chế tạo trong nội bộ nhóm do thiếu trang thiết bị cơ khí chuyên dụng, phải đặt gia công tại cơ sở bên ngoài.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp vật liệu khung máy sang nhôm định hình hoặc thép hàn nhiệt luyện nhằm tăng cường độ cứng vững, giảm rung chấn khi gia công tốc độ cao.
  • Thay thế toàn bộ cơ cấu vít me - đai ốc thường bằng cơ cấu vít me bi (ballscrew) kết hợp ray trượt vuông để triệt tiêu độ rơ, nâng cao độ chính xác gia công và độ lặp lại của các trục.
  • Phát triển và hoàn thiện thuật toán giải mã G-code trên ARM để hỗ trợ toàn diện các tập lệnh nội suy cung tròn trong không gian 3D, tích hợp thuật toán tăng giảm tốc mịn (S-curve) nhằm chống rung và tránh mất bước cho động cơ.
  • Nâng cấp công suất động cơ Spindle và bổ sung hệ thống làm mát bằng nước nhằm mở rộng khả năng gia công trên các vật liệu có độ cứng cao hơn như nhôm, đồng.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện tử, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu thực tế về quy trình thiết kế hệ thống điều khiển nhúng hoàn chỉnh, phương pháp kết nối vi điều khiển STM32F103 với ngoại vi công suất và màn hình đồ họa.
  • Những người nghiên cứu và chế tạo máy CNC tự chế (DIY CNC Maker): Là tài liệu tham khảo trực quan về giải pháp thay thế máy tính cá nhân bằng bộ điều khiển cầm tay/độc lập sử dụng chip ARM và màn hình cảm ứng MD070SD.
  • Nội dung kỹ thuật đáng tham khảo nhất:
    • Sơ đồ kết nối phần cứng chi tiết 16 đường dữ liệu và 5 chân điều khiển cảm ứng giữa STM32F103VCT6 với màn hình LCD 7 inch MD070SD.
    • Phương pháp cấu hình hệ thống Timer nội bộ (Timer 2, 3, 4) ở tần số 36 MHz để phát xung nhịp điều khiển động cơ bước.
    • Lưu đồ giải thuật và quy trình chuẩn bị dữ liệu gia công từ tệp ảnh bitmap (.bmp) sang mô hình nổi 3D và mã G-code thông qua ArtCAM Pro.

Câu hỏi thường gặp

1. Vi điều khiển trung tâm được sử dụng trong đồ án là dòng chip nào và có cấu hình phần cứng ra sao?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103VCT6 thuộc họ ARM Cortex-M3 32-bit của STMicroelectronics. Chip có bộ nhớ chương trình Flash 512 KB, bộ nhớ RAM 48 KB, 100 chân I/O, tích hợp 5 cổng USART, 4 bộ định thời 16-bit, 2 bộ định thời cơ bản, 3 cổng SPI, 2 cổng I2S, cổng USB, CAN, 2 bộ định thời PWM, 3 bộ ADC, 2 bộ DAC, giao tiếp thẻ nhớ SDIO và bộ điều khiển bộ nhớ tĩnh linh hoạt FSMC.

2. Kích thước cơ học và hành trình gia công khả dụng của máy CNC trong đồ án là bao nhiêu?
Kích thước bao ngoài của máy là Dài 410 mm x Rộng 310 mm x Cao 330 mm, tổng khối lượng khoảng 20 kg. Hành trình gia công khả dụng của ba trục đạt $X = 200\text{ mm}$, $Y = 300\text{ mm}$ và $Z = 80\text{ mm}$.

3. Khối hiển thị và giao tiếp người dùng sử dụng thiết bị gì và kết nối với vi điều khiển như thế nào?
Hệ thống sử dụng module màn hình màu cảm ứng TFT 7 inch MD070SD độ phân giải 800 x 480 pixel (16 triệu màu, điều khiển qua giao diện RGB bằng CPLD + SDRAM tích hợp). Màn hình kết nối với STM32F103VCT6 qua bus dữ liệu 16-bit từ PE0 đến PE15, 5 chân điều khiển LCD trên cổng Port D (Reset-PD0, CS-PD4, RD-PD11, WR-PD7, RS-PD5) và 5 chân cảm ứng trên cổng Port D (T_IRQ-PD15, T_DO-PD10, T_DIN-PD9, T_CS-PD1, T_CLK-PD8).

4. Động cơ bước các trục được điều khiển phát xung như thế nào trong chương trình nhúng?
Trong chương trình con khởi tạo động cơ bước, vi điều khiển STM32F103VCT6 cấu hình 3 bộ định thời độc lập gồm Timer 2, Timer 3 và Timer 4 hoạt động ở tần số xung 36 MHz tại chế độ đếm lên. Các timer này đảm nhận việc tạo chuỗi xung vuông kích hoạt chân Step, kết hợp các chân I/O điều khiển chiều quay (Direction) và cho phép hoạt động (Enable) truyền tới 3 mạch driver IC TB6600 để điều khiển 3 động cơ bước trục X, Y, Z.

5. Quy trình tạo tập tin G-code để gia công mô hình 3D trong đồ án được thực hiện bằng phần mềm nào và qua các bước cơ bản nào?
Tác giả sử dụng phần mềm ArtCAM Pro để xử lý tệp ảnh đồ họa bitmap 2D (.bmp) (cụ thể là logo trường). Quy trình gồm: mở ảnh bằng lệnh Open Existing Model, khai báo kích thước gia công tại hộp thoại Set Model Size, nhân bản các layer cửa sổ chi tiết (Bird:1 đến Bird:4), dựng biên dạng hình nổi 3D bằng công cụ Relief, làm mịn bề mặt (Smooth Relief) và xuất tập tin đường chạy dao chứa chuỗi mã lệnh G-code lưu vào thẻ nhớ SD.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM" của sinh viên Nguyễn Văn Hùng và Trần Văn Oanh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu, chế tạo thành công một mô hình máy CNC 3 trục mini vận hành độc lập. Đề tài thay thế việc sử dụng máy tính cá nhân bằng bộ điều khiển nhúng chuyên dụng trên nền vi điều khiển 32-bit STM32F103VCT6 kết hợp màn hình cảm ứng màu 7 inch MD070SD và giao tiếp thẻ nhớ SD. Hệ thống đã gia công thực nghiệm thành công mẫu khắc nổi 3D logo trường trên vật liệu gỗ, chứng minh tính khả thi của giải pháp điều khiển nhúng giá thành thấp phục vụ nhu cầu đào tạo và chế tác quy mô nhỏ.