Đặt vấn đề Cùng với trình độ khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển và đặc biệt là với sự hỗ trợ ngày càng đắc lực của chiếc máy tính là một trong những công cụ điều khiển và thiết kế một cách chính xác nhất. Việc thiết kế và thi công các chi tiết máy hiện nay đều đòi hỏi phải nhanh và có độ chính xác cao. Các máy CNC đã ra đời dựa trên những nhu cầu đó. Việc nghiên cứu và thiết kế một mô hình máy CNC nhỏ sử dụng phần mềm Mach3 để điều khiển sẽ giúp sinh viên nắm bắt đƣợc các nhu cầu 1 do an của ngành kỹ thuật, tìm hiểu đƣợc quá trình của việc gia công các chi tiết máy cũng nhƣ là việc nắm bắt đƣợc nguyên tắc điều khiển của các máy CNC rất phổ biến trong các xí nghiệp hiện nay.3 Lý do chọn đề tài Những năm gần đây, ngành cơ khí tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn.
Nhƣng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Để đáp ứng tiêu chí sản xuất với quy mô lớn, năng suất cao và ổn định , đòi hỏi các xí nghiệp phải nâng cao hiệu quả sản xuất năng suất lao động, đều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất. Chính vì thế các máy công cụ - máy gia công điều khiển bằng chƣơng trình số và kỹ thuật vi xử lý CNC - đã đƣợc sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay đổi phƣơng pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất.
Trong những năm gần đây các máy CNC đã đƣợc nhập vào Việt Nam và đang đƣợc vận hành trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Cũng chính vì thế việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã đƣợc nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sƣ Việt Nam chú ý và nghiên cứu phát triển hoặc chế tạo lại những chiếc máy CNC đầy đủ tính năng do chính kỹ sƣ Việt Nam làm, nhằm làm bƣớc đệm cho hiện đại hóa nền cơ khí nƣớc nhà. Cũng chính những tiêu chí trên và nhằm ứng dụng những kiến thức đã học sau 4 năm, chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình máy CNC 2D mini” 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu phần mềm Mach3. Thiết kế và thi công máy CNC 2D thực tế.
Ứng dụng board giao tiếp giữa máy tính với driver điều khiển động cơ bƣớc.5 Giới hạn đề tài Trong đề tài này, nhóm thực hiện đề tài xây dựng mô hình máy CNC 2D mini để chuyển bản vẽ trên phần mềm CorelDRAW hay file dịnh dạng DXF sang mã g-codeđể nạp vào máy và vẽ trên vật liệu giấy, gỗ, mica màu. Mô hình có thông số: Kích cỡ chung của máy: 52x60 (cm2), hành trình làm việc trục X và Y: 55x40 (cm2).Với sự hạn chế về thời gian cũng nhƣ kiến thức chuyên môn song ngƣời thực 2 do an hiện đề tài đã cố gắng hoàn thiện đƣợc mô hình máy CNC 2D mini thực tế tại nhà với sự điều khiển dùng phần mềm Mach3.6 Dàn ý nghiên cứu 1.1 Phần mềm Mach3 - Giới thiệu phần mềm Mach3. - Thiết lập các tín hiệu vào ra và tín hiệu điều khiển. - Các tín hiệu ngõ vào/ra và các thiết bị mà phần mềm điều khiển đƣợc.
- Cách thức điều khiển động cơ bƣớc.2 Nghiên cứu ứng dụngboard điều khiển - Tính hiệu đầu vào, đầu ra. - Nguyên lý hoạt động của board điều khiển.3 Thiết kế và lắp đặt mô hình - Xây dựng bản vẽ các chi tiết. - Lắp đặt mô hình thực tế.7 Ý nghĩa thực tiễn Cùng với việc xây dựng thành công mô hình máy CNC dùng phần mềm Mach3 giúp ngƣời nghiên cứu có cái nhìn trực quan và toàn diện trong quá trình gia công các chi tiết máy. Dựa trên những kiến thức căn bản đó ngƣời nghiên cứu có thể xây dựng nên những mô hình điều khiển lớn hơn có độ chính xác cao hơn.
Các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC và các sản phẩm do máy CNC tạo ra: Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụtoàn bộ các ngành kinh tế khác nhƣ: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển nhƣ ô tô, tàu hoả,…) công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học,… Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao đƣợc sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xƣơng trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử,… 3 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ LUẬN 2.1 Tổng quan về kỹ thuật CNC và máy CNC 2.1 Khái niệm về CNC CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chƣơng trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thƣờng gọi là mã G. CNC đƣợc phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trƣờng MIT.2 Lịch sử phát triển máy CNC Theo một tài liệu đã từng đƣợc chiếu trên đài NHK của Nhật thì nguyên lý của cái máy NC bắt nguồn từ Chợ Lớn, Sài gòn, Việt Nam. Đó là nguyên lý dùng băng giấy đục lỗ để chép hình của các sản phẩm dệt, do những ngƣời thợ thủ công của An nam nghĩ ra vào những năm đầu của thế kỷ trƣớc. một hình thức cải tiến lại từ các máy dệt của Aishin (tức tiền thân của hãng Toyota ngày nay) để tăng năng suất.Với băng giấy có đục lỗ sẵn, ngƣời thợ An nam có thể dệt ra hàng loạt những sản phẩm dệt giống nhau, đây là ý tƣởng đầu tiên để chế tạo băng giấy 8 bit sau này dùng cho máy NC.
Trong chiến tranh ngƣời Nhật đã sử dụng băng giấy này để chế tạo máy tiện tự động mà tiếng Nhật gọi là JIDO BAN (tự động bàn) để máy tự động tiện hàng loạt sản phẩm giống nhau phục vụ cho nhu cầu chiến tranh, bởi vì công nghệ phục vụ quốc phòng nên đã không đƣợc công khai. Đồng thời gian đó vào khoảng năm 1940 thì ở Mỹ ông John T Parsons đã nghĩ ra ý tƣởng dùng băng giấy (Punch Card) để điều khiển cái máy tiện bằng phƣơng thức nội suy tăng phần với mục đích là tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sau đó không quân Mỹ nhờ MIT nghiên cứu cơ cấu servo điều khiển 3 trục gắn lên máy phay và năm 1952 thì chiếc máy phay NC đầu tiên của MIT ra đời. Tính từ cái máy dệt có băng giấy của thợ dệt An Nam đến cái máy NC đầu tiên dùng punch card thì mất gần 50 năm.
Năm 1953 thì nguyên lý của máy NC đƣợc công khai, có rất nhiều hãng nhảy vào khai thác chế tạo máy NC. Không quân Mỹ cũng hỗ trợ MIT nghiên cứu chế tạo PART Program dùng cho máy NC để đơn giản hóa các mệnh lệnh trong program gia công NC dƣới dạng Anh ngữ, kết quả là ngôn ngữ APT (Automatically programed Tools) ra đời vào năm 1956 nhờ công của A.Siegel của MIT sau khi ngôn ngữ FORTRAN của dân cơ khí ra đời 2 năm. 4 do an Tại Nhật Bản thì từ năm 1956 một công ty tƣ nhân cũng cho ra đời máy tiện điều khiển bằng NC, sau đó năm 1958 hãng Fujitsu (tiền thân của FANUC bây giờ) đã nghiên cứu chế tạo hệ điều khiển gắn lên máy phay của hãng Makino thành công. Năm 1965 là năm phát triển nhƣ vũ bão của công nghệ NC tại Nhật, lần đầu tiên máy NC đƣợc điều khiển toàn bộ bằng chíp IC và danh xƣng máy NC đã đƣợc sửa lại gọi chính xác là CNC vì đã có sự hỗ trợ của Micro Computer.
Sau đó là các kỹ thuật điều khiển theo phƣơng thức quản lý modul, phƣơng thức quản lý tự động hóa, phƣơng thức xƣởng sản xuất tự động không ngƣời AF v.đƣợc liên tục ứng dụng vào máy NC để có những máy NC gia công phức hợp hiện đại ngày hôm nay. Năm 1972 thì Fujitsu tách bộ phận nghiên cứu NC ra khỏi tập đoàn và hãng FANUC danh tiếng ngày nay ra đời. Năm 2003 FANUC Việt Nam đƣợc thành lập, tính từ cái băng giấy của thợ dệt An nam đến FANUC Việt Nam hay nói đến máy NC của BKmech mới ra đời của Việt Nam thì đúng 1 thế kỷ. Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp.
Các đƣờng cong đƣợc thực hiện dễ dàng nhƣ đƣờng thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lƣợng lớn các thao tác do con ngƣời thực hiện đƣợc giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lƣợng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp ngƣời thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác.
Trong môi trƣờng sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay đƣợc điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng đƣợc thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn).