Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, việc tích hợp công nghệ tự động hóa vào quy trình sản xuất nhằm tối ưu hóa thời gian và nâng cao chất lượng sản phẩm đóng vai trò then chốt. Máy công cụ điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computer Numerical Control) là thiết bị hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong các ngành cơ khí chế tạo, tự động hóa và gia công khuôn mẫu. Việc vận hành máy CNC đòi hỏi độ chính xác cao cùng khả năng xử lý đồng thời nhiều tác vụ phức tạp, dẫn đến nhu cầu tích hợp bộ điều khiển lập trình (PLC - Programmable Logic Controller) để nâng cao tính linh hoạt và độ ổn định của hệ thống.

Mặc dù máy CNC mang lại hiệu quả cao trong công nghiệp, quy trình thao tác và lựa chọn chương trình gia công phù hợp cho từng mẫu phôi sản phẩm trong thực tế thường làm tiêu tốn nhiều thời gian và công sức của người vận hành. Để giải quyết vấn đề này, đề tài "Design and control PLC for CNC machine processing" (Thiết kế và điều khiển PLC cho máy CNC) của sinh viên Hoàng Tuấn Anh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, 2024) đã nghiên cứu giải pháp kết hợp bộ đọc mã vạch (Barcode Reader) của COGNEX để nhận diện mã vạch 1D, giúp tự động hóa khâu truy xuất và chuyển đổi mẫu gia công một cách chính xác.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đồ án bao gồm:

  1. Xây dựng và hoàn thiện mô hình phần cứng máy CNC 3 trục kết hợp cơ cấu trục vít me bi và động cơ servo.
  2. Tích hợp bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng (Motion CPU) với PLC chính để điều khiển vị trí, tốc độ và quỹ đạo chuyển động của các trục máy CNC.
  3. Xây dựng phần mềm điều khiển, chương trình chuyển động (Motion SFC/G-code) và giao diện giám sát HMI (GOT2000) để giao tiếp dữ liệu với Motion CPU.
  4. Ứng dụng công nghệ đọc mã vạch 1D để quét và tự động nạp mẫu gia công tương ứng, giảm thiểu thao tác thủ công.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng phần cứng: Hệ thống điều khiển đa CPU Mitsubishi (PLC Q02HCPU kết hợp Motion CPU Q173CPUN), module mở rộng (QX40, QY42P, Q62DAN), driver servo dòng MR-J2S, động cơ servo dòng HC-KFS, biến tần FR-E720-0.4K, màn hình HMI GT2708-VTBA và đầu đọc mã vạch COGNEX.
  • Đối tượng phần mềm và ngôn ngữ: GX Works2, MT Developer2, GT Designer3, DataMan Setup Tool, SolidWorks, SolidCAM; ngôn ngữ lập trình Ladder, Motion SFC và G-code.
  • Phạm vi thực hiện: Mô hình thực nghiệm gia công phay, khắc bề mặt phẳng và khoan lỗ (theo quỹ đạo tròn và chu vi hình chữ nhật) tại Khoa Đào tạo Quốc tế, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (bảo vệ tháng 06/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng dựa trên các lý thuyết và cấu trúc kỹ thuật tự động hóa công nghiệp:

  • Hệ tọa độ máy CNC và quy tắc bàn tay phải: Xác định hướng chuyển động của 3 trục không gian theo hệ tọa độ Descartes (ngón cái chỉ trục X, ngón trỏ chỉ trục Y, ngón giữa chỉ trục Z). Phân định rõ điểm gốc máy (Machine Zero - MZ) do nhà sản xuất quy định và điểm gốc phôi (Workpiece Zero - WZ) do người vận hành thiết lập, cùng chế độ tọa độ tuyệt đối (Absolute) và tương đối (Incremental).
  • Cấu trúc điều khiển đa CPU (Multi-CPU): Cơ chế chia sẻ vùng nhớ và phân nhiệm giữa CPU logic (Q02HCPU) và CPU điều khiển chuyển động (Motion CPU Q173CPUN). Motion CPU xử lý các chương trình chuyển động chuyên sâu (Control Program và Axis Designation Program) độc lập với chu kỳ quét của PLC CPU.
  • Truyền thông mạng quang SSCNET (Servo System Controller Network): Mạng truyền thông chuyên dụng kết nối Motion CPU với các Servo Driver MR-J2S qua cáp quang, hỗ trợ tốc độ truyền nhận 50 Mbps/150 Mbps, tăng cường khả năng chống nhiễu và quản lý đồng bộ vị trí các trục.
  • Nguyên lý điều khiển động cơ servo và biến tần: Hoạt động dựa trên cơ cấu phản hồi vòng kín của encoder độ phân giải cao (17-bit, 131.072 xung/vòng) và bộ khuếch đại dòng điện PWM. Biến tần FR-E720 điều chỉnh vô cấp tốc độ trục chính (spindle) từ 0 đến 400 Hz thông qua tín hiệu điện áp tương tự 0–10 V DC từ module analog Q62DAN.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng xuyên suốt:

  1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu kỹ thuật: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên khảo về cấu trúc cơ khí CNC, tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của Mitsubishi Electric (dòng Q-Series, servo MR-J2S) và COGNEX.
  2. Phương pháp thiết kế và tích hợp hệ thống: Tính toán lựa chọn thiết bị điện, phân bổ nguồn, thiết kế sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển và sơ đồ đấu nối I/O.
  3. Phương pháp mô phỏng và tạo mã gia công (CAD/CAM): Sử dụng SolidWorks để dựng hình học chi tiết và SolidCAM để thiết lập đường chạy dao, xuất mã G-code, sau đó hiệu chỉnh để nạp vào hệ thống Motion.
  4. Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Đo đạc, ghi nhận dữ liệu vận hành thực tế trên mô hình phần cứng; chạy thử nghiệm các chương trình khắc chữ, khoan lỗ và phay logo để đánh giá độ chính xác so với yêu cầu kỹ thuật.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module công nghiệp đồng bộ, đảm bảo tính thẩm mỹ, khả năng chống nhiễu và độ an toàn vận hành.

Bảng thông số kỹ thuật các thiết bị chính trong hệ thống

Tên thiết bị / Module Mã thiết bị Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Đế gắn CPU & Module Q312B 12 khe cắm I/O, 1 khe cắm nguồn, kích thước 439 x 98 x 44,4 mm Gắn kết và kết nối bus nội bộ giữa các CPU và module
Bộ nguồn Q61P Nguồn vào 200–240 V AC; nguồn ra 6 A / 5 V DC, 6 A / 24 V DC Cấp nguồn nuôi hệ thống PLC Q-Series
PLC CPU chính Q02HCPU Tốc độ lệnh LD 34 ns; bộ nhớ 112 KB (28K bước); quản lý tối đa 8192 I/O Điều khiển logic tổng thể, giao tiếp HMI và module I/O
Motion CPU Q173CPUN Điều khiển tối đa 32 trục; bộ nhớ 14K bước; cổng RS232, USB Điều khiển chuyển động đồng bộ và nội suy các trục CNC
Module ngõ vào số QX40 32 ngõ vào 24 V DC, 4 mA, Positive Common, thời gian đáp ứng 1–70 ms Nhận tín hiệu từ cảm biến hành trình, nút nhấn điều khiển
Module ngõ ra số QY42P 32 ngõ ra Transistor (Sink), 12–24 V DC, dòng tải 0,2 A/cổng, đáp ứng 1 ms Điều khiển rơ le trung gian, van, đèn báo
Module ngõ ra tương tự Q62DAN 2 kênh ra (0–20 mA, -10 đến +10 V DC), độ phân giải lên đến 16000 Xuất áp analog 0–10 V DC điều khiển tốc độ biến tần
Động cơ Servo trục X & Z HC-KFS13 Công suất 100 W, tốc độ 3000–4500 rpm, mô-men xoắn 0,95 Nm, encoder 17-bit Dẫn động trục X (bàn máy) và trục Z (cụm đầu cắt)
Động cơ Servo trục Y HC-KFS23 Công suất 200 W, tốc độ 3000–4500 rpm, mô-men xoắn 0,9 Nm, encoder 17-bit Dẫn động trục Y (chuyển động ngang)
Bộ điều khiển Servo MR-J2S-10B / 20B Nguồn cấp 1/3 pha 200–230 V AC, điều khiển điều chế độ rộng xung PWM Khuếch đại và điều khiển vòng kín cho servo qua SSCNET
Biến tần Spindle FR-E720-0.4K Công suất 0,4 kW, ngõ vào 3 pha 200–240 V AC, ngõ ra 0–400 Hz Điều khiển động cơ trục chính mang dao cắt
Màn hình giao diện HMI GT2708-VTBA Dòng GOT2000, màn hình màu cảm ứng, hỗ trợ cổng Ethernet, RS232/485 Giao diện điều khiển, cài đặt thông số và hiển thị mã vạch
Đầu đọc mã vạch COGNEX Handheld Quét hình ảnh quang học, đọc mã vạch 1D/2D tốc độ cao Nhận diện mã vạch mẫu phôi để chọn file gia công
Aptomat bảo vệ CP32FM / CP30-BA 2P - 5 A (mạch điều khiển) / 2P - 30 A (mạch động lực), dòng cắt 2,5 kA Bảo vệ ngắn mạch, quá tải hệ thống điện

Cấu hình truyền thông và kết nối phần mềm

  1. Cấu hình chia sẻ bộ nhớ trên GX Works2 & MT Developer2: Thiết lập khu vực trao đổi dữ liệu nội bộ giữa CPU số 1 (Q02HCPU) và CPU số 2 (Q173CPUN). Khai báo địa chỉ I/O của module QX40, QY42P, Q62DAN trên giá đỡ Q312B.
  2. Cấu hình mạng quang SSCNET: Đấu nối cáp quang từ Motion CPU Q173CPUN nối tiếp (daisy-chain) qua các driver MR-J2S-10B (trục X), MR-J2S-20B (trục Y), và MR-J2S-10B (trục Z).
  3. Cấu hình xử lý mã vạch với DataMan Setup Tool: Định dạng chuỗi dữ liệu nhận được từ đầu đọc COGNEX, truyền thông sang HMI GT2708-VTBA để đối soát mã định danh mẫu gia công.
  4. Quy trình CAM: Dùng SolidCAM thiết lập chuẩn chi tiết phôi, dao cắt, xuất chương trình G-code; xử lý lọc sạch các tập lệnh không tương thích trước khi chuyển nạp vào MT Developer2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Overview of the Topic (Tổng quan về đề tài)

Trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình gia công CNC trong kỷ nguyên 4.0; nêu bật hạn chế của quy trình chọn mẫu gia công thủ công và đề xuất giải pháp ứng dụng đầu đọc mã vạch COGNEX. Xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, đối tượng phần cứng (PLC, Motion CPU, Servo, Biến tần, HMI), công cụ phần mềm và phương pháp luận của đề tài.

Chương 2: Theoretical Foundation (Cơ sở lý thuyết)

Hệ thống hóa toàn bộ kiến thức nền tảng:

  • Cấu trúc và nguyên lý cơ học máy CNC 3 trục (khung máy, bàn làm việc, trục vít me bi, động cơ spindle, dao cụ).
  • Phạm vi ứng dụng của máy CNC trong cơ khí chính xác, chế biến gỗ, quảng cáo, đúc khuôn và gia công mạch in PCB.
  • Hệ tọa độ Descartes, quy tắc bàn tay phải, điểm gốc MZ và WZ, hệ tọa độ tuyệt đối và tương đối.
  • Cấu trúc phần cứng PLC, module DI/DO/AI/AO, ưu điểm về khả năng chống nhiễu và độ tin cậy so với mạch rơ le truyền thống.
  • Cấu trúc Motion CPU và cơ chế chia sẻ bộ nhớ; phân loại động cơ servo (AC Servo PM/IM, DC Servo, các dòng HF, HF-KP, LM-F, TM-RB của Mitsubishi); phân biệt encoder tương đối và tuyệt đối (17–23 bit).
  • Mạng điều khiển servo quang SSCNET (tốc độ 50/150 Mbps); cấu tạo và nguyên lý biến đổi tần số của biến tần (mạch chỉnh lưu, mạch lọc, nghịch lưu IGBT); cấu tạo màn hình HMI và đầu đọc mã vạch COGNEX.
  • Cấu trúc Motion Program (Control Program và Axis Designation Program) cùng các nhóm mã lệnh G-code cơ bản (G00, G01, G02, G72, M03, M04, M08, G20, G21, G54–G59).

Chương 3: Design and System Construction (Thiết kế và thi công hệ thống)

Mô tả chi tiết quá trình tính toán và lắp đặt phần cứng:

  • Tiêu chuẩn thiết kế: hiệu năng, độ chính xác, tính tích hợp, khả năng mở rộng và an toàn điện.
  • Bảng thông số kỹ thuật chi tiết của aptomat bảo vệ (CP32FM 5A, CP30-BA 30A), trạm CPU (đế Q312B, nguồn Q61P, CPU Q02HCPU, Motion CPU Q173CPUN), module mở rộng (QX40, QY42P, Q62DAN), động cơ servo (HC-KFS13, HC-KFS23), driver servo (MR-J2S-10B, MR-J2S-20B) và biến tần FR-E720-0.4K.
  • Trình bày sơ đồ phân phối nguồn, sơ đồ đấu nối cảm biến ngõ vào, mạch phanh và biến tần, sơ đồ nối dây quang SSCNET và cách bố trí các thành phần cơ khí (khung máy, bàn trượt trục X, cụm trục Z mang spindle).

Chương 4: Algorithms and Programs (Thuật toán và chương trình điều khiển)

Phân tích logic điều khiển và triển khai phần mềm:

  • Lưu đồ thuật toán khởi động máy CNC (Machine Startup), lưu đồ thực thi chương trình chuyển động (Motion Program) và lưu đồ chọn mẫu gia công tự động bằng mã vạch.
  • Thuật toán khoan lỗ phân bố trên đường tròn (tính toán tọa độ cực sang tọa độ Descartes) và khoan theo chu vi hình chữ nhật.
  • Thuật toán hàm tỷ lệ (Scale) tín hiệu ngõ ra analog từ giá trị số sang điện áp điều khiển biến tần.
  • Cấu hình dự án trên GX Works2 (khai báo tham số, chia sẻ bộ nhớ) và MT Developer2 (thiết lập cấu hình thiết bị, nạp G-code).
  • Thiết lập kết nối phần mềm DataMan Setup Tool với đầu đọc COGNEX và định dạng dữ liệu mã vạch.
  • Thiết kế giao diện HMI GT2708-VTBA: màn hình chính, màn hình khoan lỗ đường tròn, màn hình khoan lỗ chu vi chữ nhật, màn hình thực thi G-code và vùng hiển thị dữ liệu quét mã vạch 1D.

Chương 5: Conclusion and Development Directions (Kết luận và hướng phát triển)

Đánh giá tổng kết các mục tiêu đã hoàn thành; khẳng định tính khả thi của mô hình CNC điều khiển bằng Motion CPU kết hợp nhận diện mã vạch; chỉ ra các điểm còn tồn tại và đề xuất 5 hướng phát triển, nâng cấp hệ thống trong tương lai.


Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Hoàn thiện mô hình phần cứng: Lắp ráp và tích hợp thành công trạm điều khiển PLC Q-Series gồm Q02HCPU và Motion CPU Q173CPUN với 3 trục servo (HC-KFS13 và HC-KFS23) thông qua mạng quang SSCNET, đảm bảo kết nối ổn định và khử nhiễu tín hiệu.
  • Xây dựng chương trình điều khiển chuyển động: Phát triển thành công các khối chương trình Motion SFC, chương trình nội suy G-code và thuật toán chuyển đổi tọa độ phục vụ các chu trình gia công tự động.
  • Tích hợp hệ thống quét mã vạch: Kết nối đầu đọc COGNEX với HMI GT2708-VTBA, cho phép đọc chính xác dữ liệu mã vạch 1D và tự động tải đúng chương trình gia công tương ứng.
  • Thực nghiệm gia công thực tế: Hệ thống đã thực hiện thành công các mẫu kiểm nghiệm:
    1. Gia công phay/khắc chữ trên bề mặt phẳng (CNC milling text).
    2. Gia công khoan lỗ tùy biến theo quỹ đạo đường tròn và chu vi hình chữ nhật (Custom drilling on circular/perimeter rectangle).
    3. Gia công khắc logo biên dạng phức tạp (Custom drilling on logo).

Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra giải pháp tích hợp hoàn chỉnh giữa công nghệ nhận diện tự động (Auto-ID barcode) với hệ thống điều khiển chuyển động đa trục chuyên sâu của Mitsubishi trong gia công cơ khí.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về phương pháp cấu hình đa CPU (PLC CPU - Motion CPU), thiết lập mạng quang SSCNET và quy trình xử lý dữ liệu CAM sang môi trường MT Developer2.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên kết quả thực nghiệm và phạm vi nghiên cứu được nêu tại Chương 5 của đồ án, các hạn chế hiện tại và hướng phát triển tiếp theo bao gồm:

  1. Nâng cấp mô hình cơ khí: Tăng cường độ cứng vững của khung máy và hệ thống dẫn hướng để giảm thiểu rung động khi gia công các vật liệu có độ cứng cao hơn.
  2. Trang bị hệ thống tưới nguội: Lắp đặt hệ thống bơm tưới nguội/bôi trơn (cooling/lubrication system) cho đầu dao cắt nhằm tăng tuổi thọ dao và chất lượng bề mặt gia công.
  3. Trang bị cơ cấu thay dao tự động (ATC): Nghiên cứu thiết kế ổ tích dao và hệ thống thay dao tự động (Automatic Tool Changer) để thực hiện các nguyên công phức tạp mà không cần dừng máy thay dao thủ công.
  4. Thiết kế vỏ bảo vệ an toàn: Bổ sung hệ thống bao che, cảm biến cửa và thiết bị an toàn bảo vệ người vận hành khỏi bụi phoi và các tia bắn trong quá trình cắt gọt.
  5. Mở rộng gia công mẫu phức tạp: Tiếp tục khai thác các tập lệnh nâng cao của Motion CPU Q173CPUN để gia công các biên dạng 3D phức tạp, kết hợp đồng thời nhiều trục nội suy.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu thực hành giá trị cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Cơ điện tử: Dùng làm tài liệu tham khảo trực tiếp khi thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học liên quan đến PLC Mitsubishi Q-Series, Motion CPU và mạng truyền thông quang SSCNET.
  • Kỹ sư tích hợp hệ thống: Cung cấp quy trình chi tiết từ việc lựa chọn cấu hình thiết bị phần cứng, sơ đồ nối dây I/O, đấu nối servo MR-J2S đến các bước cấu hình phần mềm chia sẻ bộ nhớ trên GX Works2 và MT Developer2.
  • Nghiên cứu ứng dụng Auto-ID trong sản xuất: Là hình mẫu ứng dụng thực tế trong việc tích hợp đầu đọc barcode công nghiệp COGNEX với màn hình HMI để tự động hóa khâu quản lý mã sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển của đồ án sử dụng cấu trúc CPU nào và ưu điểm là gì?
Hệ thống sử dụng cấu trúc đa CPU (Multi-CPU) trên đế Q312B gồm PLC CPU Q02HCPU (xử lý logic chính, I/O và HMI) kết hợp với Motion CPU Q173CPUN (chuyên trách tính toán vị trí và điều khiển chuyển động đa trục). Cấu trúc này giúp phân tải xử lý, đảm bảo tốc độ phản hồi nhanh (lệnh LD 34 ns trên Q02HCPU) và điều khiển vị trí servo mượt mà, chính xác mà không bị nghẽn chu kỳ quét logic.

2. Các trục chuyển động của máy CNC được cấu hình phần cứng như thế nào?
Hệ thống gồm 3 trục chuyển động: Trục X (bàn máy) và trục Z (cụm đầu cắt) sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS13 (công suất 100 W, mô-men xoắn 0,95 Nm) đi kèm Driver MR-J2S-10B. Trục Y sử dụng động cơ HC-KFS23 (công suất 200 W, mô-men xoắn 0,9 Nm) đi kèm Driver MR-J2S-20B. Cả ba trục đều sử dụng encoder 17-bit (131.072 xung/vòng) và liên kết với Motion CPU qua mạng cáp quang SSCNET.

3. Trục chính (spindle) mang dao được điều khiển tốc độ bằng phương pháp nào?
Tốc độ trục chính được điều khiển vô cấp thông qua biến tần Mitsubishi FR-E720-0.4K. PLC CPU điều khiển biến tần bằng cách gửi tín hiệu số sang module ngõ ra tương tự Q62DAN để chuyển đổi thành dải điện áp tương tự 0–10 V DC, tương ứng với dải tần số ngõ ra từ 0 đến 400 Hz cấp cho động cơ spindle.

4. Đầu đọc mã vạch COGNEX đóng vai trò gì trong chu trình vận hành máy?
Đầu đọc COGNEX đảm nhận nhiệm vụ quét mã vạch 1D in trên phôi hoặc lệnh sản xuất. Dữ liệu sau khi giải mã được truyền về giao diện HMI GT2708-VTBA, từ đó hệ thống tự động xác định và nạp chương trình gia công/mã G-code tương ứng đã lưu sẵn, giúp người vận hành không phải tìm kiếm và chọn file thủ công.

5. Đồ án đã tiến hành thực nghiệm trên những dạng gia công cụ thể nào?
Hệ thống đã thực nghiệm thành công 3 nội dung: phay khắc chữ trên mặt phẳng (CNC milling text), khoan lỗ tự động theo tọa độ đường tròn và chu vi hình chữ nhật (Custom drilling on circular/perimeter rectangle), và phay khắc đường nét logo phức tạp (Custom drilling on logo).


Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Design and control PLC for CNC machine processing" của tác giả Hoàng Tuấn Anh đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục vận hành bằng hệ thống điều khiển đa CPU Mitsubishi (Q02HCPU kết hợp Motion CPU Q173CPUN) qua mạng quang SSCNET. Đề tài đã giải quyết hiệu quả bài toán tích hợp công nghệ nhận diện mã vạch COGNEX để tự động hóa quy trình nạp mẫu gia công, kết hợp giao diện giám sát HMI GOT2000 trực quan. Các kết quả thực nghiệm phay, khắc và khoan lỗ đã chứng minh tính chính xác, ổn định của giải pháp điều khiển, đồng thời đặt tiền đề cho các hướng nghiên cứu nâng cấp về cơ cấu thay dao tự động và gia công bề mặt 3D phức tạp.