-1-
LỜI MỞ ĐẦU
Trong tình hình hiện nay, cùng với sự phát triển của nhiều ngành khoa học và
công nghệ có liên quan, lĩnh vực nghiên cứu về tự động hóa đã có bước phát triển
vượt bậc trong những thập kỷ gần đây. Trong những công trình lớn như nhà máy, xí
nghiệp chúng ta thấy rõ hơn vai trò quan trọng của điều khiển tự đông hoặc những
ứng dụng tự động trong lĩnh vực dân dụng, có những máy thông minh phục vụ cho
những nhu cầu sinh hoạt cho con người. Tất cả những máy móc đó được điều khiển
bởi bộ xử lý trung tâm, ở những hệ thống lớn thì bộ xử lý trung tâm là PLC, máy
tính công nghiệp… ở những hệ thống xử lý nhỏ hơn thì người ta dùng vi điều khiển.
Vấn đề dùng máy móc thay thế con người trong công nghiệp hiện nay rất phổ
biến, có thể nói đã giảm phần nào những nguy hiểm mà con người phải thường
xuyên tiếp xúc. Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học
kỹ thuật trên thế giới. Nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc
biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa. Sự ra đời của máy CNC đã giải
quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và
nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt. Máy CNC hiện nay nhập ngoại
giá thành rất cao, nên việc mua máy về phục vụ cho việc giảng dạy còn gặp nhiều
hạn chế. Nhận thức xu hướng và tầm quan trọng của việc học lý thuyết đi đôi với
thực hành giúp cho sinh viên nắm vững kiến thức. Nhóm sinh viên đã quyết định
chọn thực hiện đề tài “Thiết Kế Mô Hình Máy CNC Phục Vụ Giảng Dạy”.
-2-
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1 Giới thiệu chung về máy CNC
CNC là viết tắc của Computer Numerical Control điều khiển số bằng máy tính.
Máy công cụ CNC là loại máy gia công sử dụng các chương trình đã được lập trình
sẵn để gia công các chi tiết.
Các chương trình gia công được đọc cùng một lúc và được lưu vào bộ nhớ. Khi
gia công, máy tính đưa ra các lệnh điều khiển máy CNC thực hiện các chức năng
như: nội suy đường thẳng, nội suy đường tròn, mặt xoắn, mặt parabol. Máy CNC
cũng có khả năng bù chiều dài và đường kính dụng cụ. Tất cả các chức năng trên
đều được thực hiện nhờ một phần mềm điều khiển đã được cài đặt trên máy tính.
Hiện nay các nước trên thế giới đã chế tạo, sản xuất nhiều máy trong lĩnh vực cơ
khí nói chung và CNC nói riêng, đặc biệt là Đài Loan, Trung Quốc, Nhật Bản, Cộng
Hòa Liên Bang Đức... đã được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực cơ khí chính xác và
chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người 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 cấn thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện
khác. Một số máy CNC hiện đại có thể sản xuất hàng nghìn chi tiết trong vài ngày
mà không cần người vận hành. Nó cũng có khả năng tự kiểm tra lỗi sản phẩm bằng
các mắt đọc laser, trong trường hợp máy có lỗi trong lúc chạy có thể gọi di động
đến cho người vận hành. Trong môi trường 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 được điều khiển trực tiếp từ các câu lệnh do phần mềm CAM
(Computer Aided Manufacturing) tạo ra, 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 được
thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất.
-3-
Hình 1.1: Máy cắt CNC WD- 1325 do Nhật Bản chế tạo [8]
Máy cắt CNC WD1325: là những dòng máy hoạt động bền bỉ, có khả năng
chịu được cường độ làm việc cao và liên tục 24/24 trong bất cứ công việc nào từ cắt
khắc mica, gỗ .. cho đến những công việc đòi hỏi độ chính xác cao như làm bàn ghế
tủ giường , các mặt dựng MDF, phay khắc các chi tiết 3D, các mặt dựng hoa văn
chìm nổi .... Ngoài ra máy cắt khắc CNC WD 1325 còn có thể hoạt động tốt trên các
vật liệu kim loại như đồng, nhôm, inox, sắt thép.... Điểm đặc biệt nhất là tốc độ
chạy không tải cực nhanh giúp cho quá trình ra thành phẩm nhanh hơn gấp 1/3 lần
so với các máy thông thường. Song song với việc chạy tải cũng lúc 2-4-6 Spindle để
tăng năng suất làm việc của máy.
-4-
Hình 1.2: Máy điêu khắc CNC 3D suda SD 3025
Máy CNC 3D suda SD 3025: Máy sử dụng để cắt các vật liệu như mi ca, bản
nhựa, gỗ, đá nhân tạo, bản nhôm, đồng, ...loại hình sản phẩm đa dạng gồm: bảng
hiệu, bia đá, thẻ nhân viên, con dấu, mô hình kiến trúc, tác phẩm nghệ thuật, đồ
trang sức, khuôn mẫu công nghiệp, chi tiết hoa văn trên đồ gỗ gia dụng... Thiết kế
hai trục độc đáo làm bạn hoàn toàn hài lòng dù khi điêu khắc những hình ảnh tinh
xảo hay cắt gọt những chi tiết lớn, nhỏ gọn, bền, dễ sử dụng, tốc độ nhanh gấp 3 lần
sản phẩm cùng loại. Thiết kế thân thiện với người sử dụng, thao tác linh hoạt. Công
năng siêu mạnh, thích hợp với nhiều loại ứng dụng.
-5-
Hình 1.3: Máy CNC SG – 1318
Máy CNC SG – 1318: là dòng máy đặc biệt được thiết kế với nhiều tính năng
chuyên dùng cho công nghiệp chế biến gỗ, nội thất, cắt khắc phù điêu, đá nhân tạo,
bản nhôm, đồng… loại hình sản phẩm đa dạng gồm: bảng hiệu, bia đá, thẻ sinh
viên, con dấu, mô hình kiến trúc, tác phẩm nghệ thuật, đồ trang sức, khuôn mẫu
công nghiệp, chi tiết hoa văn trên đồ gỗ gia dụng, cắt và khắc trên các vật liệu cứng
như sắt, thép, inox với tốc độ cao. Nhỏ gọn, bền, dễ sử dụng, tốc độ nhanh gấp 3 lần
sản phẩm cùng loại. Thiết kế thân thiện với người sử dụng, thao tác linh hoạt, tích
hợp với nhiều ứng dụng, giá trị kinh tế cao, tiết kiệm vốn đầu tư.
-6-
Hình 1.4: Máy CNC kingcut X12 do Trung Quốc chế tạo
Máy CNC kingcut X12: Là nhãn hiệu hàng đầu trong các máy điêu khắc,
thích hợp với các loại hình điêu khắc là một sản phẩm mới lạ, có cấu trúc chức năng
mạnh mẽ, dễ dạng sử dụng, hoạt động tốt và bền bỉ, giá cả cạnh tranh. Nó được sử
dụng rộng rãi để sử lý hoặc làm các bảng hiệu quảng cáo, phù hiệu, con dấu, tấm
bronzing, dấu hiệu các mô hình xây dựng, bảng công cụ sản phẩm gỗ, sản phẩm
khuôn mẫu, khuôn mẫu công nghiệp.
-7-
Hình 1.5: Máy CNC điêu khắc RF-1325D
Máy CNC điêu khắc RF-1325D: Là sản phẩm đi đầu trong các dòng máy
điêu khắc, thích hợp các loại hình điêu khắc từ nhỏ đến lớn. Tốc độ khắc nhanh, tốc
độ cao nhất có thể lên tới 8mm/phút thể hiện ưu thế tuyệt đối trong khắc phù điêu 3
chiều. Độ sắc nét của đường điêu khắc cao, có thể điêu khắc trên một vòng tròn có
đường kính 1mm mà không bị biến dạng, gia công trên những vật liệu như: mica,
nhựa màu đa lớp, gỗ, cao su, đá thiên nhiên, đá nhân tạo, sắt, thép, gang, bản nhôm
đúc, kim loại màu.
-8-
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Đối với nhóm sinh viên, đề tài là bước đầu tìm hiểu, thi công sản phẩm mô hình
máy CNC phục vụ giảng dạy, đồng thời cũng là bước triển khai những kiến thức đã
được học. Thông qua việc nghiên cứu và làm việc nghiêm túc để rèn luyện tác
phong, tinh thần khoa học, cũng như hoàn thiện phương pháp tư duy nghiên cứu,
giải quyết một vấn đề thực tiễn. Quan trọng hơn, đề tài còn là bước “tổng kết và
hoàn thiện” những kỹ năng còn thiếu sót trước khi thực sự trở thành người kỹ sư.
Về mặt ứng dụng thực tiễn đề tài là sản phẩm sử dụng trong việc giảng dạy trong
nhà trường, trong sản xuất...
- Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:
+ Nghiên cứu thiết kế khung và bàn may CNC.
+ Thiết kế bản vẽ, chế tạo mô hình theo kích thước.
+ Nghiên cứu vi điều khiển PIC.
+ Thiết kế điều khiển trung tâm, mạch công suất điều khiển động cơ.
+ Nghiên cứu phần mềm mạch 3.
+ Lập trình điều khiển máy CNC.
+ Đảm bảo tính chính xác và ổn định từ thực nghiệm.
- Phƣơng pháp nghiên cứu: Xuất phát từ thực tế và mục đích nghiên cứu nêu
trên, phương pháp nghiên cứu đề tài được lựa chọn là phù hợp nhất.
+ Thu thập tài liệu trong và ngoài nước để tìm hiểu cơ sở lý thuyết .
+ Nghiên cứu ứng dụng các linh kiện có thể thực hiện mô hình.
+ Thi công mô hình máy CNC bằng máy tiện, thủ công và thực nghiệm.
- Những đóng góp mới của đề tài và những vấn đề mà đề tài chƣa thực hiện
đƣợc: đề tài có ý nghĩa như những bước đi chập chững tiến lên ngành công nghiệp
nghiên cứu chế tạo máy của nước ta, góp phần làm điểm tựa cho các thế hệ sau tiến
lên những nấc thang cao hơn của ngành chế tạo máy CNC trong nước nói riêng, của
-9-
ngành công nghệ và kỹ thuật CNC trên thế giới nói chung. Tuy nhiên do thời gian
nghiên cứu không nhiều, kinh phí còn hạn hẹp nên đề tài còn nhiều hạn chế chưa
đưa vào sản xuất trong các công ty và xí nghiệp.
- 10 -
CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ LỰA CHỌN
THIẾT BỊ
2.1 Vi điều khiển PIC18F4520 [5]
PIC là họ vi điều khiển chuẩn CMOS 8 bit tiêu thụ ít năng lượng, được chế tạo
dựa trên cấu trúc PIC RiSC (Reduced Instruct Set Computers), đây là cấu trúc có
tốc độ xử lý cao hơn nhiều so với các vi điều khiển được chế tạo dựa trên cấu trúc
CISC (Complex Instruct Set Computers). Bởi vì tần số hoạt động của PIC bằng với
tần số của thạch anh, trong khi so với vi diều khiển 8051 thì tần số hoạt động bằng
tần số thạch anh chia cho 12.
2.1.1 Đặc trƣng của PIC18F4520
CPU tốc độ cao có 75 cấu trúc lệnh, nếu được cho phép có thể kéo dài đến
83 cấu trúc lệnh.
Hầu hết các cấu trúc lệnh chỉ mất một chu kỳ máy, ngoại trừ lệnh rẽ nhánh
chương trình mất hai chu kỳ máy.
Tốc độ làm việc: xung clock đến 40MHz, tốc độ thực thi lệnh 125ns.
Bộ nhớ chương trình ( flash program memory) là 32kbyte.
Bộ nhớ dữ liệu SRAM là 1536 byte.
Bộ nhớ dữ liệu EEPROM là 256 byte.
5 port vào hoặc ra.
4 bộ timer.
1 capture/compare/PWM modules.
1 enhanced capture/ compare/PWM modules.
Giao tiếp nối tiếp : MSSP, enhanced USART.
Cổng giao tiếp song song.
- 11 -
13 bộ Analog to Digital module 10 bít.
Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
Bộ nhớ Flash có khả năng ghi xoá được 100.000 lần.
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xoá được 1.000.000 lần.
Flash/Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ hàng 100 năm.
Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.
2.1.2 Những đặc trƣng về giao tiếp ngoại vi
Hai bộ timer/counter 8 bit với bộ đếm dồn riêng biệt, và một chế độ so sánh.
Một bộ timer/counter 16 bit với bộ đếm dồn riêng biệt, một chế độ so sánh
và chế độ thu nhận giá trị tức thời.
Hỗ trợ đầy đủ các nguồn ngắt trong và ngoài.
Bộ đếm thời gian thực có thể chạy từ bộ dao động riêng biệt.
Hỗ trợ 2 kênh PWM.
Hỗ trợ 13 kênh ADC 10 bit.
Hỗ trợ giao tiếp I2C.
Hỗ trợ giao tiếp SPI.
Hỗ trợ giao tiếp USB.
Hỗ trợ giao tiếp Ethernet.
Hỗ trợ giao tiếp CAN.
Hỗ trợ giao tiếp LIN.
Hỗ trợ giao tiếp IRDA.
DSP những tính năng xử lý tính hiệu số.
- 12 -
2.1.3 Những tính năng đặc biệt
Được tích hợp bộ dao động RC nội điều chỉnh được giúp hoạt động không
cần
thạch anh ngoài.
Watchdog timer với bộ dao động trong.
Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xoá được 1.000.000 lần.
Chức năng bảo mật mã chương trình .
Chế độ SLEEP.
Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.
2.1.4 Sơ đồ chân
Pic18F4520 hỗ trợ 3 kiểu chân: PDIP, TQFP, MLFP. Trong đồ án này sử dụng
IC có kiểu chân PDIP.
- 13 -
Hình 2.1: Sơ đồ chân của PIC18F4520
2.1.5 Mô tả các chân
VDD: chân cấp mức điện áp 5V.
VCC: chân nối đất.
PortA ( RA5…RA0): là port xuất nhập 6 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên
trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portA còn có chức năng
đặc biệt.
- 14 -
Chân port
Chức năng khác
RA5
AN4- ngõ vào ADC4
RA4
Input, output
RA3
AN3- ngõ vào ADC3
VREF chân tham chiếu tín hiệu analog của bộ A/D mức 5V
RA2
AN2- ngõ vào ADC2
VREF chân tham chiếu tín hiệu analog của bộ A/D mức 0V
RA1
AN1- ngõ vào ADC1
RA0
AN0- ngõ vào ADC0
PortB (RB7...RB0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên
trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng
đặc biệt.
Chân port
Chức năng khác
RB7
Input, output
RB6
Input, output
RB5
Input, output
RB4
AN11- ngõ vào ADC11
RB3
CCP2- chân PWM kênh số 2
RB2
AN8- ngõ vào ADC8
INT2 – ngõ vào ngắt ngoài kênh số 2
- 15 -
RB1
AN10- ngõ vào ADC10
INT1- ngõ vào ngắt ngoài kênh số 1
RB0
AN12- ngõ vào ADC12
INT0- ngõ vào ngắt ngoài kênh số 0
PortC (RC7...RC0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên
trong (có thể chọn cho từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng
đặc biệt.
Chân port
Chức năng khác
RC7
RX- ngõ vào dữ liệu USART
RC6
TX- ngõ ra dữ liệu USART
RC5
SDO (bus của chuẩn SPI)
RC4
SDI (bus của chuẩn SPI)
RC3
SCK (một bus chuẩn của SPI)
RC2
CCP1 chân PWM chân số 1
RC1
CCP2 chân PWM chân số 2
RC0
Chân input, output thường
PortD (RD7...RD0): là port xuất nhập 8 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên
trong (có thể chọn cho từng bit).
- 16 -
PortE (RE2...RE0): là port xuất nhập 3 bit hai chiều có điện trở kéo lên bên
trong (có thể chọn từng bit). Ngoài ra các chân portB còn có chức năng đặc
biệt.
Chân port
Chức năng port
RE2
AN7- ngõ vào ADC7
RE1
AN6- ngõ vào ADC6
RE0
AN5- ngõ vào ADC5
MCLR: ngõ vào Reset, khi chân này xuống mức thấp trong thời gian dài hơn
độ dài xung nhỏ nhất thì vi điều khiển bị reset ngay cả khi không có xung
clock chạy.
- 17 -
2.1.6 Cấu trúc của PIC18F4520
Hình 2.2 : Cấu trúc bên trong PIC18F4520
- 18 -
2.2 Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình C
Ngôn ngữ lập trình C do Dennis Ritchie tạo lập vào năm 1972 tại Bell
Telephone Laboratories. Mục đích ban đầu của ngôn ngữ này là để thiết kế
hệ điều hành UNIX.
C là ngôn ngữ lập trình mạnh và mềm dẻo nên nó đã được rất nhiều người sử
dụng. Khắp nơi người ta đã bắt đầu dùng nó để viết mọi loại chương trình.
Tuy nhiên, các tổ chức khác nhau đã bắt đầu sử dụng các version khác nhau
của C và đã phát sinh nhiều sự khác nhau trong các thao tác làn cho người
lập trình phải đau đầu. Để khắc phục vấn đề này, năm 1983 viện tiêu chuẩn
quốc gia của Mỹ đã thành lập mọt ủy ban để đề ra một định nghĩa chuẩn cho
ngôn ngữ C, được gọi là ANSI Standard C.
Hạn chế duy nhất của C chính là sự hạn chế trong tư duy trừu tượng của
chính người lập trình mà thôi. C được sử dụng cho nhiều mục đích khác
nhau, như thiết kế các hệ điều hành, các bộ soạn thảo văn bản, đồ họa và
thậm chí là các chương trình dịch cho các ngôn ngữ khác.
C là một ngôn ngữ bình dân được nhiều người lập trình chuyên nghiệp dùng.
Bằng chứng là đã có rất nhiều chương trình dịch khác nhau và nhiều tiện ích
kèm theo.
C là ngôn ngữ chuyển đổi được tức là một chương trình C được viết cho hệ
máy tính có thể được dịch và được chạy trên một hệ thống khác mà chỉ cần
thay đổi chút ít hoặc không thay đổi gì cả.
C là ngôn ngữ ngắn gọn, nó chỉ bao gồm một số các từ khóa làm cơ sở để tạo
ra các câu lệnh của ngôn ngữ.
2.3 Giới thiệu về PIC C Compiler [5]
- 19 -
Hình 2.3: Giao diện chính của PIC C Compiler
Đây là phần mềm biên dịch C cho MCU PIC dễ thao tác, cò nhiều tiện ích khá
lý thú, đơn giản dễ quản lý và trên tất cả đó là dễ đào tạo hướng dẫn người khác làm
theo nó.
PIC C Compiler rất hiệu dụng và đã tích hợp nhiều thư viện hỗ trợ lập trình rất
thiết thực. Ngoài ra PIC C Compiler còn có khả năng tự động sinh mã tùy theo cấu
hình ban đầu của người sử dụng nên giảm công sức lập trình đi rất nhiều. Nạp cho
PIC18F4520 thông qua chương trình nạp Burn-E_Programmer.
- 20 -
Hình 2.4: Giao diện chƣơng trình nạp Burn-E_Programmer
2.4 Vít me
2.4.1 Giới thiệu chung
Truyền động vitme-bi là loại truyền động biến chuyển động quay thành
chuyển động tịnh tiến và ngược lại, thường dùng nhất là biến chuyển động quay của
trục vitme thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc. Loại truyền động này khác với
truyền động vít đai ốc ở chỗ có thêm các con lăn là các bi cầu nhờ đó ma sát trong
truyền động vitme-bi là ma sát lăn (hình 1). Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều
hãng sản xuất bộ truyền vitme-bi, nhưng giá thành khá cao. Mặt khác các hãng chỉ
cung cấp phương pháp tính chọn vitme-bi theo các sản phẩm của mỗi hãng, mà
không cung cấp các tài liệu đi vào nghiên cứu tính toán lý thuyết và tính thiết kế
trên cơ sở ứng suất và tuổi thọ. Cùng với việc chưa có tài liệu tiến hành nghiên cứu
sản xuất loại truyền động này. Bài báo này giới thiệu kết quả xây dựng phương
pháp tính toán thiết kế và lựa chọn truyền động vitme-bi trên cơ sở lý thuyết về ứng
- Xem thêm -