I. Giới thiệu về đề tài Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM tại HCMUTE
Đề tài tốt nghiệp Thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM tại HCMUTE tập trung vào việc thiết kế và chế tạo một máy CNC mini, sử dụng vi điều khiển ARM để điều khiển hệ thống. Đề tài này có ý nghĩa thực tiễn cao, hướng đến việc giảm chi phí sản xuất máy CNC so với các sản phẩm nhập khẩu. Việc ứng dụng vi điều khiển ARM mang lại hiệu quả về mặt kinh tế, giảm kích thước và tăng tính linh hoạt của hệ thống. Thiết kế máy CNC này là một dự án tốt nghiệp, một nghiên cứu khoa học ứng dụng, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ CNC trong nước. Các tác giả là sinh viên HCMUTE, Trường Đại học Công nghệ Thông tin Thành phố Hồ Chí Minh, đã lựa chọn đề tài này nhằm ứng dụng kiến thức đã học vào thực tiễn.
1.1 Bối cảnh và tầm quan trọng của đề tài
Hiện nay, máy CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Tuy nhiên, giá thành máy CNC nhập khẩu khá cao. Đề tài này nhằm giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế và chế tạo máy CNC mini sử dụng vi điều khiển ARM, một giải pháp kinh tế hơn. Việc sử dụng vi điều khiển ARM cũng giúp hệ thống nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp và bảo trì. Thiết kế điện tử là một phần quan trọng của đề tài, bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp và thiết kế mạch điều khiển. Lập trình vi điều khiển là khâu then chốt, quyết định khả năng hoạt động chính xác và hiệu quả của máy. HCMUTE là một trong những trường đại học hàng đầu về công nghệ thông tin tại Việt Nam, tạo điều kiện tốt cho việc thực hiện đề tài này. Đề tài này góp phần vào việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào sản xuất, thúc đẩy nghiên cứu khoa học và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo thành công một máy CNC mini hoạt động ổn định, chính xác, sử dụng vi điều khiển ARM làm bộ não trung tâm. Thiết kế cơ khí tập trung vào việc tạo ra một khung máy chắc chắn, đảm bảo độ cứng vững cần thiết cho quá trình gia công. Thiết kế mạch điện bao gồm việc lựa chọn vi điều khiển ARM, các driver động cơ, bộ nguồn và các cảm biến cần thiết. Lập trình vi điều khiển sẽ bao gồm việc viết chương trình điều khiển các trục CNC, xử lý tín hiệu từ cảm biến và giao tiếp với người dùng thông qua giao diện người dùng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào máy CNC milling machine, không bao gồm các loại máy CNC lathe hay laser CNC. Phần mềm điều khiển CNC được lập trình riêng cho hệ thống này, không sử dụng các phần mềm có sẵn như MACH3 hay GRBL. Các tác giả sẽ tiến hành thử nghiệm và đánh giá hiệu quả hoạt động của máy thông qua các bài kiểm tra thực tế.
II. Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC
Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống điều khiển của máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM. Nó bao gồm thiết kế phần cứng và thiết kế phần mềm. Thiết kế phần cứng bao gồm lựa chọn vi điều khiển ARM phù hợp (trong trường hợp này là STM32), các driver động cơ bước, các cảm biến, và các thành phần cơ khí như trục, vít me, motor servo. Thiết kế phần mềm bao gồm việc viết chương trình nhúng cho vi điều khiển ARM để điều khiển các động cơ bước và thực hiện các chức năng của máy CNC, như di chuyển trục, điều khiển tốc độ, xử lý lệnh G-code. Cơ khí chính xác là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ chính xác của máy CNC. Tự động hóa được thể hiện qua khả năng điều khiển tự động của máy. Ứng dụng vi điều khiển trong hệ thống giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt.
2.1 Thiết kế phần cứng
Thiết kế phần cứng tập trung vào việc lựa chọn các thành phần chính của hệ thống điều khiển. Vi điều khiển ARM (STM32F103VCT6) được chọn làm bộ xử lý trung tâm, nó có khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ và khả năng lập trình linh hoạt. Driver động cơ bước TB6560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước trên các trục X, Y, Z. Các động cơ bước được chọn dựa trên yêu cầu về mô-men xoắn và tốc độ. Cảm biến (nếu có) được sử dụng để đo vị trí của các trục và cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống điều khiển. Thiết kế mạch điện được thực hiện để đảm bảo sự ổn định và an toàn của hệ thống. Cơ cấu truyền động (vít me đai ốc) được chọn dựa trên yêu cầu về độ chính xác và hiệu quả. Gia công CNC được thực hiện với độ chính xác cao. Sự lựa chọn các thành phần này dựa trên các thông số kỹ thuật và kinh nghiệm thực tiễn. Thiết kế CAD/CAM hỗ trợ quá trình thiết kế và chế tạo máy.
2.2 Thiết kế phần mềm
Thiết kế phần mềm tập trung vào việc viết chương trình nhúng cho vi điều khiển ARM. Chương trình này sẽ thực hiện các nhiệm vụ chính của máy CNC, bao gồm việc giải mã lệnh G-code, điều khiển các động cơ bước trên các trục X, Y, Z, xử lý tín hiệu từ các cảm biến, và giao tiếp với người dùng. Lập trình vi điều khiển được thực hiện bằng ngôn ngữ C. Phần mềm điều khiển CNC được thiết kế để dễ sử dụng và thân thiện với người dùng. Giao diện người dùng có thể là một màn hình LCD hoặc một giao diện kết nối máy tính. Việc thực hành vi điều khiển được thực hiện để kiểm tra và hiệu chỉnh chương trình. Thuật toán điều khiển được thiết kế để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của máy. Kiểm thử phần mềm được tiến hành kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Phần mềm CAD/CAM hỗ trợ việc tạo ra các file G-code cần thiết cho quá trình gia công.
III. Kết quả và hướng phát triển
Đề tài đã đạt được mục tiêu thiết kế và chế tạo một máy CNC mini hoạt động ổn định, sử dụng vi điều khiển ARM. Máy có khả năng gia công các chi tiết đơn giản với độ chính xác chấp nhận được. Kết quả đạt được thể hiện qua các bài kiểm tra thực tế. Đánh giá sản phẩm cho thấy hiệu quả kinh tế của việc sử dụng vi điều khiển ARM. Tuy nhiên, còn một số hạn chế cần khắc phục trong các phiên bản sau, ví dụ như tốc độ gia công, độ chính xác và phạm vi ứng dụng. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc nâng cấp phần cứng và phần mềm để cải thiện hiệu suất và mở rộng khả năng của máy. Việc tích hợp các tính năng thông minh cũng được xem xét. Khóa luận tốt nghiệp này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ hiện đại trong sản xuất tại Việt Nam.
3.1 Đánh giá hiệu quả
Đề tài đã chứng minh khả năng thiết kế máy CNC sử dụng vi điều khiển ARM tại HCMUTE. Kết quả cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu cơ bản của một máy CNC mini. Vi điều khiển ARM đã chứng tỏ hiệu quả về chi phí và khả năng tích hợp. Mạch điều khiển hoạt động chính xác, thực hành vi điều khiển đã cho thấy tính ổn định của hệ thống. Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm cần cải thiện, chẳng hạn như tốc độ gia công và độ chính xác. Báo cáo khoa học cần được cập nhật để phản ánh những điểm mạnh và điểm yếu của hệ thống.
3.2 Hướng phát triển trong tương lai
Để cải thiện hiệu suất và mở rộng khả năng ứng dụng của máy CNC mini, một số hướng phát triển được đề xuất: Nâng cấp vi điều khiển ARM lên dòng cao cấp hơn để tăng tốc độ xử lý và khả năng điều khiển. Sử dụng động cơ bước có mô-men xoắn lớn hơn để gia công các vật liệu cứng hơn. Tích hợp các cảm biến chính xác hơn để cải thiện độ chính xác của quá trình gia công. Phát triển phần mềm điều khiển CNC với nhiều tính năng nâng cao, ví dụ như hỗ trợ nhiều loại file G-code, tự động điều chỉnh tốc độ gia công, và giao diện người dùng trực quan hơn. Nghiên cứu tích hợp công nghệ in 3D để tạo ra các chi tiết phức tạp. Tích hợp các module kết nối mạng để điều khiển máy từ xa. Động cơ servo có thể được nghiên cứu thay thế cho động cơ bước để cải thiện độ chính xác và tốc độ. Các nghiên cứu này sẽ góp phần hoàn thiện hơn nữa công nghệ CNC trong nước.
