THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY TIỆN CNC MINI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY TIỆN CNC MINI GVHD: ThS. NGUYỄN VĂN SƠN SVTH: NGUYỄN HƯỚNG DƯƠNG MSSV: 12144020 SVTH: TRẦN KHÁNH DUY MSSV:12144018 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016i LỜI CẢM ƠN Sau bốn năm học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, chúng em đã được học và tiếp thu rất nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình của Quý Thầy Cô, cũng như sự giúp đỡ của bạn bè. Đây là khoảng thời gian đầy ý nghĩa. Đồ án tốt nghiệp là nền tản quan trọng để đánh dấu một bước ngoặc mới trong cuộc đời chúng em. Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Nguyễn Văn Sơn. Người đã hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp và cung cấp cho chúng em nhiều kinh nghiệm quý báu. Chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô bộ môn Công nghệ chế tạo máy và các cán bộ công nhân viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Hướng Dương Trần Khánh Duyii TÓM TẮT Sự nghiệp CNH – HĐH của Việt Nam không thể bỏ qua ngành hiện đại hóa ngành cơ khí chế tạo máy. Việc hiện đại hóa ngành cơ khí được xem là một yêu cầu tất yếu, bắt buộc cho nền kinh tế. Hơn nữa sự phát triển rất nhanh khoa học công nghệ của quốc tế và các nước trong khu vực đã đẩy Việt Nam vào trong các nước có trình độ công nghệ lạc hậu, điều này thấy rất rõ có tới 90% các cơ sở sản xuất cơ khí trong nước còn sử dụng máy mốc vạn năng thông thường với độ chính xác và năng suất thấp. Việc sử dụng và sự hiểu biết tính ưu việt của máy móc công nghệ cao đối với nhiều cơ sở sản xuất cơ khí trong nước còn rất thấp. Để có ngành cơ khí đúng với nghĩa giữ vai trò chủ đạo thì cần phải đổi mới nhiều vấn đề, trong đó đổi mới trang thiết bị công nghệ là vấn đề cơ bản nhất. Chúng ta đổi mới công nghệ không có nghĩa ngay lập tức đem tiền đi mua công nghệ, việc mua công nghệ không phải thứ nào có tiền là mua được đặc biệt là công nghệ cao. Cụ thể hơn, nhập khẩu máy CNC có nhiều bất cập như: giá đắt, bảo trì bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy được kinh tế nội sinh, nhiều khi còn bị cấm vận như không được nhập một số máy CNC phục vụ cho Quốc phòng… Ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có ngành chế tạo máy công cụ ở Việt Nam đã có truyền thống hơn 40 năm xây dựng và phát triển. Đội ngũ cán bộ kỹ thuật đã hình thành cả nhiều thế hệ. Tuy nhiên tất cả các sản phẩm máy công cụ chế tạo ra đều là các máy phổ thông vạn năng có cấu trúc truyền thống. Có một số nghiên cứu để làm nền tảng cho việc thiết kế chế tạo máy tiện CNC băng nghiên, thay dao tự động. Thông qua việc kế thừa kết quả nghiên cứu nhiều năm, thông qua nhiều đề tài khác nhau xung quanh việc chế tạo máy CNC ở Việt Nam; đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy tiện CNC mini băng nghiêng có thay dao tự động hình thành như một tất yếu với ba mục tiêu:  Thiết kế máy tiện CNC mini băng nghiên thay dao tự động.  Lập tào liệu công nghệ chế tạo máy.  Chế tạo máy tiện CNC mini có băng nghiêng trong đó có cụm băng máy, bàn dao… Mục tiêu tổng quát nhất của đề tài là nhằm khẳng định năng lực nội sinh của ngành chế tạo máy công cụ, về khả năng chế tạo máy CNC. Vì thế trong báo cáo này đã tổng kết, đánh giá, khẳng định những khả năng làm chủ công nghệ chế tạo máy côngiii cụ CNC ở Việt Nam. Sự ra đời của đề tài, quá trình thực hiện, kiểm tra và kết quả đạt được của nó đã chứng minh cho khả năng đó. Để làm rõ kết quả đề tài, trong báo cáo tổng kết này đã trình bày đầy đủ những nội dung cơ bản nhất bao gồm cả những lý luận về sản phẩm, phương pháp luận khi giải quyết các vấn đề về công nghệ, các giải pháp kỹ thuật về khả năng nâng cao tuổi bền mỏi cho đường trượt băng máy…Tất cả sự diễn đạt này được chia theo các phần sau: Phần 1: Tổng quan Tình hình nghiên cứu liên quan đến chế tạo máy tiện CNC trong nước và ngoài nước. Trong mục này tìm hiểu một số hãng sản xuất máy công cụ CNC trên thế giới trong đó có các hãng thuộc các nước G7, một vài hãng thuộc các nước châu Á như Đài Loan, Trung Quốc. Trong phần này không nêu các thành tựu sản xuất máy công cụ chung chung mà chủ yếu phân tích các giải pháp đạt được trong kết cấu của các cụm chi tiết cơ bản, các giải pháp về nâng cao tuổi bền mòn của chi tiết, nâng cao độ chính xác chi tiết gia công và giải pháp điều khiển CNC… Đánh giá khả năng công nghệ trong nước liên quan đến chế tạo máy tiện CNC: Khảo sát điều tra khả năng chế tạo các chi tiết chính xác của các nhà máy cơ khí trong nước về cả năng lực trang thiết bị lẫn năng lực chế tạo máy. Lựa chọn gam cỡ máy sau khi đã phân tích các máy mẫu, để từ đó lựa chọn máy thiết kế ra vừa đảm bảo tính hiện đại lâu dài vừa đảm bảo thuận tiện. dễ sử dụng luôn đám ứng được sản xuất cơ khí trong nước. Phần 2: Các cơ sở lý thuyết cho đề tài “Thiết kế tạo máy CNC mini” như: hệ trục tọa độ trong máy CNC, kết cấu cơ bản của một máy CNC, phần mêm điều khiển, … Phần 3: Thiết kế kỹ thuật: trong phần này chủ yếu trình bày các tính toán thiết kế liên quan đến tính các thành phần lực theo các phương X, Y, Z…Tính toán thiết kế bộ truyền động cho các cụm truyền động trục chính, truyền động tiến bàn trục X, trục Z. Phần 4: Lập quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết điển hình: Quy trình chế tạo băng máy, quy trình chế tạo thân hộp trục chính, quy trình chế tạo cụm đầu thay dao tự động. Phần 5: Hướng dẫn quy trình lắp ráp và kiểm tra. Phần 6: Lựa chọn bộ điều khiển CNC; phân tích so sánh một số bộ điều khiển CNC hiện đại thông dụng. Trong phần này phân tích ưu nhược điểm của một số bộiv điều khiển CNC sử dụng cho máy tiện CNC. Phần 7: Các định hướng phát triển thị trường và đánh giá khả năng đầu tư. Đây là mục khi viết không nhìn nhận từ góc độ tổng kết học thuật mà được nhìn nhận từ góc độ kinh tế của đề tài. Phần cuối: Trình bày những kết luận rút ra sau khi thực hiện đề tài. Thiết kế máy móc: Hoàn thành việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo một máy tiện CNC mini băng nghiêng thay dao tự động gồm các thông số: + Công suất trục chính: 1,1KW. + Hành trình trục X: 120mm. + Hành trình trục Z: 200mm. + Số đầu dao: 2. + Tốc độ trục chính max: 1200vphút. + Tốc độ tiến dao: 11500mmphút. + Tốc độ tiến dao: 14000mmphút. + Đường kính mâm cặp: 100mm. + Vật tiện lớn nhất: 80mm. Tài liệu: Hoàn thành đẩy đủ toàn bộ các bản vẽ thiết kế kỹ thuật máy tiện CNC mini băng nghiêng có thay dao tự động, bộ bản vẽ về quy trình công nghệ chế tạo các chi tiết điển hình như thân, băng, bệ máy: quy trình công nghệ lắp ráp và kiểm tra máy. Báo cáo định kỳ, báo cáo tóm tắt, báo cáo tổng kết đề tài. Toàn bộ báo cáo tổng kết này sẽ lần lượt trình bày chi tiết các nội dung đã thực hiện được trong quá trình hoàn thành đề tài. Nhóm thực hiện đề tài mong luôn có sự đóng góp của quí thầy cô, Hội đồng sau khi đọc bản tổng kết này.v MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. Công nghệ CNC ................................................................................................... 1 1.1.1. Khái niệm về máy CNC .................................................................................... 1 1.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ CNC đối với ngành công nghiệp cơ khí......... 2 1.2. Các nghiên cứu, chế tạo máy CNC trong và ngoài nước ..................................... 3 1.2.1. Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện CNC của một số hãng trên thế giới ................................................................................................................. 3 1.2.2. Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện trong nước: .................... 5 1.2.3. Đánh giá khả năng công nghệ trong nước liên quan đến chế tạo máy tiện CNC ............................................................................................................................. 6 1.2.4. Lựa chọn gam cỡ máy ....................................................................................... 7 Chương 2. CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY TIỆN CNC MINI” ............................................................................................ 9 2.1. Hệ trục tọa độ trong máy tiện CNC ..................................................................... 9 2.2. Các điểm gốc của phôi – các điểm chuẩn của máy ............................................ 10 2.2.1. Điểm gốc của máy M ...................................................................................... 10 2.2.2. Điểm gốc của phôi W ...................................................................................... 10 2.2.3. Điểm gốc của chương trình P.......................................................................... 11 2.2.4. Điểm chuẩn của máy R ................................................................................... 12 2.2.5. Điểm thay dụng cụ cắt N ................................................................................. 12 2.3. Kết cấu cơ bản của một máy tiện CNC .............................................................. 13 2.3.1. Phần cơ khí...................................................................................................... 13 2.3.2. Phần điều khiển ............................................................................................... 16 2.3.3. Giao tiếp máy tính ........................................................................................... 22 Chương 3. QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN .................................................................... 31 3.1. Phương án thiết kế.............................................................................................. 31 3.1.1. Phương án........................................................................................................ 31 3.2. Tính toán phần cơ khí......................................................................................... 32vi 3.2.1. Các thông số đầu vào: ..................................................................................... 32 3.2.2. Tính toán mô hình lực cắt: .............................................................................. 32 3.2.3. Tính toán công suất động cơ: .......................................................................... 34 3.2.4. Thiết kế bộ truyền đai thang ........................................................................... 36 3.2.5. Tính toán trục chính ........................................................................................ 39 3.2.6. Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trục Z ............................................. 45 3.2.7. Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trục X ............................................. 48 3.2.6Tính toán lựa chon sóng trượt bi ....................................................................... 52 Chương 4. QUY TRÌNH LẮP RÁP VÀ KIỂM TRA .............................................. 64 4.1. Lắp ghép các thanh đỡ sống trượt và sóng trượt vào bàn máy .......................... 64 4.2. Lắp cụm vít me trục Z vào băng máy ................................................................ 65 4.3. Lắp ghép cụm trục chính vào băng máy ............................................................ 66 4.4. Lắp ghép bàn xe dao trục Z vào băng máy ........................................................ 67 4.5. Lắp ghép vít me trục X, bàn xe dao trục X và lắp ráp lên khung máy .............. 67 4.6. Quy trình kiểm tra .............................................................................................. 68 Chương 5. LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................. 70 5.1. Các căn cứ lựa chọn cấu hình điều khiển CNC ................................................. 70 5.2. Lựa chọn bộ điều khiển ...................................................................................... 70 Chương 6. ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN THỊ TRƯỜNG ..................................... 72 6.1. Thị trường máy công cụ CNC trước năm 2000: ................................................ 72 6.2. Thị trường máy công cụ CNC sau năm 2000 đến nay: ...................................... 72 6.3. Định hướng phát triển ........................................................................................ 73 Chương 7. KẾT LUẬN ............................................................................................. 74vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối .............................. 1 Hình 1.2: Công nghệ CNC .......................................................................................... 2 Hình 1.3: Trung tâm phay CNC 5 trục đầu tiên được thiết kế và chế tạo tại VN – sản phẩm của đề tài KC.05.280105 (20052006) ........................................................... 5 Hình 2.1: Hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải ............................................................ 9 Hình 2.2: Các trục tọa độ trên máy tiện CNC ............................................................. 9 Hình 2.3: Ví dụ về các điểm gốc M, W, R ................................................................ 10 Hình 2.4: Lệnh thay đổi W ........................................................................................ 11 Hình 2.5: Điểm gốc chương trình P .......................................................................... 11 Hình 2.6: Các điểm điều chỉnh dụng cụ cắt .............................................................. 12 Hình 2.7: Cụm trục chính máy tiện........................................................................... 14 Hình 2.8: Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi ............................................................ 14 Hình 2.9: Rãnh hồi bi kiểu ống ................................................................................. 15 Hình 2.10: Ổ tích dao trên máy CNC ........................................................................ 16 Hình 2.11: Mạch giao tiếp ......................................................................................... 18 Hình 2.12: Cấu trúc của máy CNC ........................................................................... 19 Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo chương trình số ............................ 19 Hình 2.14: Sơ lược hệ thống điều khiển ................................................................... 21 Hình 2.15: Giao diện phần mềm Mach3 ................................................................... 21 Hình 2.16: Sơ đồ bố trí chân của RS232 dạng 25 chân ............................................ 24 Hình 2.17: Sơ đồ bố trí chân của RS232 9 chân ....................................................... 24 Hình 2.18: Cách bố trí chân của LPT DB 25 ............................................................ 27 Hình 3.1: Mô hình 3D thiết kế trên Creo 3.0 ............................................................ 31 Hình 3.2: Các thông số hình học chính của đai ........................................................ 36 Hình 3.3: Sơ đồ lực tác dụng ..................................................................................... 40 Hình 3.4: Biểu đồ momen trên trục chính ................................................................. 41 Hình 3.5: Kiểu lắp vít me fixed – fixed. ................................................................... 45 Hình 3.6: Kiểu lắp vít me fixed – support. ................................................................ 46 Hình 3.7: Kiểu lắp vít me fixed free ....................................................................... 46 Hình 3.8: Kiểu lắp vít me fixed – fixed. ................................................................... 49 Hình 3.9: Kiểu lắp vít me fixed – support. ................................................................ 49 Hình 3.10: Kiểu lắp vít me fixed free ..................................................................... 50 Hình 3.11: Kết cấu sống trượt loại HG ..................................................................... 53 Hình 4.1: Quy trình lắp ráp các cụm chi tiết điển hình ............................................. 64 Hình 4.2: Sóng trượt đã chọn .................................................................................... 65viii Hình 4.3: Lắp ráp cụm sống trượt và vít me trục Z .................................................. 66 Hình 4.4: Lắp ráp cụm trục chính ............................................................................. 66 Hình 4.5: Lắp ráp bàn xe dao trục Z ......................................................................... 67 Hình 4.6: Lắp ráp bàn xe dao trục X, lắp lên khung máy ......................................... 68 Hình 5.1: Mạch điều khiển của phần mềm Mach3 ................................................... 70 Hình 5.2: Sơ đồ mạch điện của máy ......................................................................... 71ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Sơ đồ cách bố trí chân của LPT DB 25 ................................................... 28 Bảng 3.1: Chế độ cắt khi tiện ngoài nhôm theo phương pháp tính toán theo công thức trong STCNCTM 2 ........................................................................................... 33 Bảng 3.2: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: ......... 33 Bảng 3.3: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: ......... 33 Bảng 3.4: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: ......... 34 Bảng 3.5: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: ......... 341 Chương 1. TỔNG QUAN 1.1. Công nghệ CNC 1.1.1. Khái niệm về máy CNC Một định nghĩa hàn lâm và chặt chẽ về máy CNC được trình bày ở trang wikipedia.com: 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 chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA274D, thường gọi là mã G. Vì thế, bộ não của máy CNC là máy tính. Đây không phải là máy tính bình thường mà là máy tính với công suất tính toán cực nhanh. Hệ điều hành mà nó sử dụng là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, chứ không phải là Windows hay Mac như các máy tính (computer) mà chúng ta thường dùng hàng ngày (Hình 2.1). Hình 1.1: Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối Máy tính này sẽ điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại. Chương trình được viết sẵn và được tự động thi hành khi bạn nhất nút Start. Chương trình này được dịch ra một thứ ngôn ngữ để máy tính có thể hiểu được. Sau đó, máy tính chuyển lệnh2 từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí. 1.1.2. Tầm quan trọng của công nghệ CNC đối với ngành công nghiệp cơ khí Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy các ngành công nghiệp tự động phát triển theo. Trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, sự ra đời của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số với sự trợ giúp của máy tính, gọi tắt là máy CNC đã đưa ngành cơ khí chế tạo sang một thời kì mới, thời kì sản suất hiện đại. Trước đây, máy cắt kim loại chỉ giải quyết được những đường cắt theo quy luật: tròn đều, hình elip, đường thẳng, đường cong… Nhưng các chuyển động không theo quy luật để cắt kim loại theo đường cong bất kỳ như đường gấp khúc, không gian 2D hay 3D… thì máy này không giải quyết được. Ngày nay, công nghệ CNC ra đời đã tạo ra bước ngoặt mới mẻ trong lĩnh vực tự động hóa. Phương pháp này ra đời đã giải quyết được hầu hết các vấn đề nan giải nói trên. Sự lựa chọn thế hệ máy CNC ngày nay trở thành một đặc tính cần thiết có tầm quan trọng, quyết định đối với các xí nghiệp công nghiệp. V́ ì nó có thể đem lại lợi nhuận, khả năng tái sản xuất vá nó có những tính năng cao mà may công cụ thông thường chưa đạt được. Hình 1.2: Công nghệ CNC3 1.2. Các nghiên cứu, chế tạo máy CNC trong và ngoài nước 1.2.1. Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện CNC của một số hãng trên thế giới Máy công cụ CNC hiện nay liên tục được cải tiến và hoàn thiện, đáp ứng ngày càng sát với đòi hỏi khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy. Việc nghiên cứu, tìm hiểu các công nghệ chế tạo máy CNC, các bộ phận điều khiển CNC, các loại máy công cụ CNC của các hãng nổi tiếng trên thế giới, tạo ra cho chúng ta những cơ sở vững chắc, và những kinh nghiềm quý báu khi chúng ta nghiên cứu về những vấn đề tương tự. Để có được kinh nghiệm cần thiết phục vụ cho đề tài, cần phải nghiên cứu những xu thế chung của các nhà nghiên cứu, các nhà điều khiển, các nhà lập trình, các hãng chế tạo máy CNC ngoài nước xoay quanh các vấn đề như: Độ chính xác gia công của máy: Nhờ sự phát triển đồng bộ của các thiết bị đo điện tử và tốc độ tính toán nhanh, tin cậy của các bộ điều khiển CNC, độ chính xác đo đếm và xử lý khi đo trong máy CNC không còn là vấn đề khó đối với các hãng chế tạo máy CNC trên thê giới. Độ chính xác gia công của máy CNC không những luôn được cải thiện mà còn được tiêu chuẩn hóa. Cụ thể đối với các loại máy tiện CNC của các nước G7 độ chính xác gia công theo tiêu chuẩn bắt buộc phải đạt được là: + 0,001mm, độ chính xác lập lại: + 0,0025mm. Tốc độ cắt gọt, năng suất gia công cao: một trong những yếu tố quan trọng tạo ra năng suất gia công là tốc độ cắt gọt. Tốc độ cắt gọt trên máy được giải quyết ở các khâu: Tốc độ quay trục chính: Tốc độ di chuyển bàn trượt: Đường trượt bằng các ổ đệm tuyến tính thay thế dần băng dẫn cứng kiểu V, đường trượt bi đã nâng cao được tốc độ dịch chuyển dọc, chuyển động êm, dễ nâng cao được tuổi bền mòn do việc sử dụng các loại vật liệu đặc biệt và dần dần thay thế đường trượt gang. Thay đường trượt gang bằng các băng trượt bi được chế tạo tiêu chuẩn, nối ghép cứng vào các thân liền, đó là giải pháp tốt nhất giảm hẳn hiện tượng kẹt, cháy bề mặt do ma sát lớn khi có sự di trượt nhanh. Trong truyền động điện sử dụng các động cơ AC Servo có momen lớn, gia tốc cao do vậy tốc độ chạy nhanh đối với các máy CNC thông thường đạt 2035mphút, máy cắt laser 40mphút. Khả năng cắt gọt của các loại dụng cụ: cùng với sự phát triển của ngành4 dụng cụ cắt, phương pháp cắt gọt cứng tốc độ tiến dao khi phay có thể lên tới 10mphút. Các biện pháp gá phôi sử dụng nhiều mâm cặp, sử dụng nhiều dao đã tạo nên năng suất gia công rất cao. Máy có tuổi bền và độ ổn định cao: máy CNC của các nước G7 hay châu Âu có tuổi bền rất cao và ít có lỗi nào từ nhà sản xuất. Các biện pháp nâng cao tuổi bền của máy được chú trọng ở các khâu như các đường trượt bằng các loại vật liệu đặc biệt hoặc có kết cấu đặc biệt như đường trượt bi, đường trượt động cơ tuyến tính, các loại vòng bi đặc biệt tự động bôi trơn, tự động kiểm tra tích cực quá trình làm việc tránh được các sự cố khi máy vận hành. Sử dụng các bộ điều khiển thông minh do vậy tránh được nhiều lỗi do người sử dụng gây ra…vì thế mà tăng được tuổi bền cho máy. Máy có số lượng và chủng loại đa dạng: Từ thực tế của công việc gia công cơ khí đã thúc đẩy ngành chế tạo máy công cụ CNC phát triển nhanh và rất đa dạng về chủng loại và gam cỡ máy. Máy được tích hợp nhiều chức năng: Để giảm số lần gá tăng độ chính xác của chi tiết gia công, nhiều hãng chế tạo máy CNC đã chế tạo nhiều loại máy CNC có nhiều chức năng trên cùng một máy. Bộ điều khiển CNC có nhiều chức năng: Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp với đòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy, hiện nay các bộ điều khiển CNC ngày càng tin cậy hơn, hiện đại hơn, các chức năng điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết và luôn bám sát với tốc độ phát triển của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt. Có thể thấy rõ các chức năng cơ bản của các bộ điều khiển: dễ sử dụng, bộ vi xử lý 32bit, có khả năng thực hiên 1000 blockss, thích ứng với bộ mã Gcode chuẩn ISO, bộ nhớ chương trình 256k… Cơ cấu thay dạo tự động đa dạng: Việc bố trí sensor theo chiều cách tạo cho mỗi một vị trí dao được mã hóa bằng các bit khác nhau do vậy việc nhận biết và kiểm soát dụng cụ trở nên đơn giản. Các cơ cấu thay dao thông thường ở máy tiện CNC: kiểu đầu gá dao quay phân độ, kiểu quay phân độ kết hợp với dịch chuyển theo phương X làm cho kết cấu máy gọn hơn nhưng đòi hỏi hành trình phương X lớn. Số trục và các trục điều khiển trong máy CNC: những quy định về trục điều khiển của máy công cụ CNC như sau: trục chuyển động thẳng thể hiện việc dịch chuyển của dao hoặc phôi dọc theo 3 phương tọa độ Đề các được định nghĩa là các trục: X,Y,Z. Các trục chuyển động song song tương ứng: U, V, W. Trục thực hiện chuyển động quay quanh X la trục A, quay quanh Y là B, quay quanh Z là C. Với5 các định nghĩa trên số trục của các máy CNC thông thường được thiết kế: máy tiện có trục X, Z; X, Z, C hoặc nếu có 2 bàn dao X, Z, U, W, C. 1.2.2. Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện trong nước: Vào thời điểm trước cung có các đơn vị sản xuất máy công cụ nhưng không nhiều, chủ yếu sản xuất theo các mẫu máy của Liên Xô cũ, sản xuất các máy tiện vạn năng. Tới khoảng 1996 thì mới có đơn vị sản xuất máy điều khiển CNC nhưng chưa có thay dao tự động, hệ điều khiển CNC Siemens SINUMERIK 810T – Cộng hòa liên bang Đức chế tạo, đạt độ tin cậy và hoạt động khá ổn định trong nhiều năm, máy do Viện máy và dụng cụ công nghiệp chế tạo. Đề tài nghiên cứu và chế tạo máy tiện này đánh dấu khả năng làm chủ kỹ thuật điều khiển CNC ở Việt Nam. Nhược điểm lớn nhất là không có thay dao tự động. Hình 1.3: Trung tâm phay CNC 5 trục đầu tiên được thiết kế và chế tạo tại VN – sản phẩm của đề tài KC.05.280105 (20052006)6 1.2.3. Đánh giá khả năng công nghệ trong nước liên quan đến chế tạo máy tiện CNC Để đánh giá khả năng chế tạo máy công cụ có thể chia thành 4 nhóm chính:  Năng lực về thiết kế sản phẩm.  Năng lực về đầu tư trang thiết bị.  Năng lực về công nghệ chế tạo.  Năng lực về tin học và tự động hóa. 1.2.3.1. Năng lực về thiết kế sản phẩm. Sản phẩm thiết kế mấy công cụ hiện nay rất đa dạng và phong phú, việc thiết kế sản phẩm không còn bó hẹp ở tính năng sử dụng và mẫu mã sản phẩm, mỗi sản phẩm thiết kế la sự kết hợp giữa năng lực thiết bị, trình độ công nghệ và khả năng điều khiển. Chính vì vậy để đánh giá khả năng thiết kế sản phẩm máy công cụ ở các Viện và doanh nghiệp cần biết năng lực thật sự về công nghệ, thiết bị và trình độ điều khiển. 1.2.3.2. Năng lực về đầu tư trang thiết bị Sản phẩm của mấy công cụ là chế tạo ra các máy móc thiết bị khác. Do vậy máy công cụ được coi là máy cái, vì vậy trang thiết bị đầu tư cho các nhà máy chế tạo máy công cụ đòi hỏi trị giá đầu tư lớn và tốn kém. 1.2.3.3. Năng lực về công nghệ chế tạo Máy công cụ hiện nay liên tục được cải tiến và hoàn thiện, đáp ứng ngày càng sát với những đòi hỏi khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy. Hiện nay trong nước hầu như chưa có cơ sở nào đủ năng lực để chế tạo hoàn chỉnh các máy công cụ CNC. Tuy nhiên, bằng con đường hợp tác để phát huy thế mạnh về trang thiết bị, công nghệ và chất xám của một số cơ sở. Vì vậy chúng ta có đủ năng lực để thiết kế chế tạo thành công máy công cụ CNC. 1.2.3.4. Năng lực về tin học và tự động hóa Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp với đòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy, sản phẩm máy công cụ hiện nay là sự kết hợp chặt chẽ của cơ khí, tự động hóa và công nghệ thông tin. Máy công cụ được điều khiển bằng các bộ điều khiển CNC ngày càng tin cậy hơn, hiện7 đại hơn, các chức năng điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết và luôn bám sát với tốc độ phát triển của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt. Năng lực về tin học và tự động hóa ở Việt Nam cũng đang được nâng cao, đội ngũ cán bộ tin học và tự động hóa đủ năng lực tiếp cận những phần mềm CNC của nước ngoài, khai thác tốt và phát triển cho phù hợp với yêu cầu thiết kế của máy công cụ CNC do Việt Nam chế tạo. Tóm lại qua nghiên cứu sự phát triển của ngành chế tạo máy công cụ điều khiển CNC ở Việt Nam hiện nay vẫn đang là tiềm năng. Để có được một ngành công nghiệp tương xứng với tầm cỡ của nó, cần phải có sự đầu tư từ nhiều phía. 1.2.4. Lựa chọn gam cỡ máy 1.2.4.1. Các yêu cầu khi chọn mấy mẫu Tiến hành khảo sát một cố máy tiện CNC của các hãng có thay dao tự động, từ đó chọn ra gam máy thiết kế đảm bảo các chỉ tiêu cơ bản: Máy thiết kế sẽ được chế tạo để làm ra những sản phẩm đơn giản và để phục vụ cho giáo dục là chủ yếu. Máy thiết kế đáp ứng yêu cầu gia công chi tiết, có thẫm mỹ, hiện đại hoạt động tốt, dễ sử dụng và gọn. Máy có thể đáp ứng nhu cầu giảng dạy và cũng như có nền tảng để các sinh viên có thể nghiên cứu sâu hơn về công nghệ CNC trong máy cắt công cụ, để hình thành ý tưởng tốt hơn hoàn thiện hơn cho việc chế tạo các máy cắt sau này. Sau khi phân tích đề tài nhóm nhận thấy: máy mẫu: MORISEIKI SL3 do hãng moriseiki của Nhật Bản chế tạo, là máy tiện băng nghiêng, thay dao tự động, kiểu dáng gọn đẹp, kích thước gam cỡ máy phù hợp với khả năng thực thi của nhóm, lựa chon nó làm máy mẫu để có một cơ sở chế tạo máy tiện CNC mini của nhóm. 1.2.4.2. Biện pháp thực hiện Thiết kế máy nhờ sự giúp đỡ của các giảng viên trường, đặc biệt có sự hỗ trợ của giáo viên hướng dẫn thực hiện đề tài tốt nghiệp. Tính toán tối ưu các cụm chi tiết cũng như các bộ phận của máy để có được các bộ phận đơn giản nhất cũng như giảm bớt về mặt kinh tế. Thiết kế các chi tiết dựa trên các công nghệ chế tạo CNC như cắt dây, phay CNC, tiện CNC, mài CNC. Thiết kế dựa trên khả năng gia cồn các bộ phận… Sau khi phân tích và đã tham khảo mẫu, các cụm chi tiết sẽ chế tạo, thiết kế động học có sử dụng sự trợ giúp của các phần mềm, thiết kế các cụm cơ khí cơ bản: bệ máy, thân máy, hộp trục chính các cụm truyền động, bàn dao X Z, các phần tử cơ khí8 khác cấu thành máy theo dạng modun để tạo cơ sở cho sự phát triển các thế hệ máy nghiên cứu tiếp theo. Chọn mua các phần tử có độ chính xác cao như vít me bi, sóng trượt, vòng bi, phần trục chính… Chọn mua phần cứng bộ điều khiển CNC.9 Chương 2. CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY TIỆN CNC MINI” 2.1. Hệ trục tọa độ trong máy tiện CNC Các trục tọa độ của máy CNC cho phép xác định chiều chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt. Chiều dương của các trục X, Y, Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải (ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X, ngón tay giữa chỉ chiều dương của trục Z, ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y). Hình 2.1: Hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải Quy tắc đối với máy tiện CNC. + Trục Z song song với trục chính của máy và có chiều dương tính từ mâm cặp tới dụng cụ hoặc chiều dương của trục Z (+Z ) luôn luôn chạy ra khỏi bề mặt gia công, chiều âm là chiều ăn sâu vào vật liệu. + Trục X vuông góc với trục máy và có chiều dương hướng về đài dao ( hướng về phía dụng cụ cắt). như vậy nếu đài dao ở phía trước trục chính thì chiều dương của trục X hướng vào người điều khiển, còn đài dao ở phía sau trục chính thì chiều dương đi xa khỏi người điều khiển. Đài dao ở phía đối diện người điều khiển Đài dao ở cùng phía người điều khiển Hình 2.2: Các trục tọa độ trên máy tiện CNC10 Trục Y được xác định sau khi các trục X,Z đã được xác định theo quy tắc bàn tay phải. 2.2. Các điểm gốc của phôi – các điểm chuẩn của máy Các điểm chuẩn cần được xác định chính xác trong vùng làm việc của máy. 2.2.1. Điểm gốc của máy M Điểm gốc tọa độ của máy M (machine reference zero) là điểm cố định do nhà chế tạo sáng lập ngay từ khi thiết kế máy. Nó là điểm chuẩn để xác định các vị trí điểm khác như gốc tọa độ của chi tiết W. Hình 2.3: Ví dụ về các điểm gốc M, W, R Đối với máy tiện, điểm M thường được chọn là diểm giao của trục Z với mặt phẳng đầu trục chính. 2.2.2. Điểm gốc của phôi W Trước khi lập trình, người lập trình phải chọn điểm góc của phôi W ( Workpiece zero point ), để xuất phát từ điểm gốc này mà xác định vị trí các điểm gốc trên đường bao của chi tiết. tuy nhiên cần xác định sao cho các kích thước trên bản vẽ gia công đồng thời là các giá trị tọa độ. Hình 4.3 là một ví dụ về chọn điểm gốc W. Điểm W của phôi có thể được chọn từ người lập trình trong phạm vi không gian làm việc của máy và của chi tiết gia công. Chúng ta sử dụng nhóm lệnh từ G54 đến G59 và thay đổi điểm W trong quá trình viết chương trình ( hình 4.4 ) G54 X0 Z33011 G55 X0 Z240 G56 X0 Z150 G58 Z90 G59 Z180 Hình 2.4: Lệnh thay đổi W 2.2.3. Điểm gốc của chương trình P Là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó có một khoảng cách an toàn so với điểm W trước khi bắt đầu gia công. Để hợp lý nên chọn điểm P sao cho chi tiết gia công hoặc dụng cụ cắt có thể gá lắp hay thay đổi một cách dễ dàng. Điểm này được khai báo ở đầu chương trình (hình 2.5). Hình 2.5: Điểm gốc chương trình P12 2.2.4. Điểm chuẩn của máy R Trong hệ thống máy do dịch chuyển, các giá trị đo thực sẽ mất đi khi có sự cố mất điện. Trong những trường hợp này, để đưa hệ thống đo trở lại trang thái đã có trước thì phải đưa dụng cụ cắt tới điểm R. Điểm chuẩn R có một khoảng cách so với điểm gốc của máy (hình 2.3). Để giám sát và điều chỉnh kịp thời quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải bố trí một hệ thống đo lường để xác định quãng đường thực tế so với tọa độ lập trình. Trên các máy CNC người ta đặt các mốc để theo dõi các tọa độ thực của dụng cụ trong quá trình dịch chuyển, vị tri của dụng cụ luôn luôn được so sánh với gốc đo lường của máy M. Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển của máy thì tất cả các trục phải được chạy về một điểm chuẩn mà giá trị tọa độ của nó so với điểm gốc M phải luôn luôn không đổi và do các nhà chế tạo máy quy định. Điểm đó gọi là điểm chuẩn của máy R (Machine reference point). Vị trí của điểm chuẩn này được tính toán chính xác từ trước bởi 1 cữ chặn lắp trên bàn trượt và các công tắc giới hạn hành trình. Do độ chính xác vị trí của các máy CNC là rất cao (thường với hệ thống đo là hệ Metre thì giá trị của nó là 0,001mm và hệ Inch là 0,0001 inch) nên khi dịch chuyển trở về điểm chuẩn của các trục thì ban đầu nó chạy nhanh cho đến khi gần đến vị trí thì chuyển sang chế độ chạy chậm để định vị một cách chính xác. 2.2.5. Điểm thay dụng cụ cắt N Là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó trước khi thay đổi dụng cụ cắt khác, để tránh va chạm dụng cụ cắt vào chi tiết (hình 2.6) Hình 2.6: Các điểm điều chỉnh dụng cụ cắt13 Khi sử dụng nhiều dụng cụ cắt, các kích thước của dụng cụ cắt phải được xác định trên thiết bị điều chỉnh để có thông tin đưa vào hệ thống điều khiển nhằm điều chỉnh tự động kích thước dụng cụ cắt (hình 2.5) 2.3. Kết cấu cơ bản của một máy tiện CNC Gồm 2 phần chính đó là:  Phần cơ khí : đế máy, thân máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.  Phần điều khiển : các loại động cơ, các loại hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm 2.3.1. Phần cơ khí 2.3.1.1. Thân máy và đế máy : Thưởng được chế tạo bằng gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép, có khả năng dập tắt dao động tốt, tính đúc cao. Yêu cầu :  Có đủ không gian định vị, lắp đặt các bộ phận khác.  Phải có độ cứng vững cao.  Phải có kết cấu chống rung động.  Có tính công nghệ cao. Mục đích :  Đảm bảo độ chính xác khi gia công.  Tạo sự ổn định và cân bằng cho máy. 2.3.1.2. Cụm trục chính : Là cơ cấu tạo ra lực cắt chính, yêu cầu độ chính xác, độ ổn định cao nhất, quyết định phần lớn biên độ chính xác gia công và chất lượng sản phẩm.14 Hình 2.7: Cụm trục chính máy tiện 2.3.1.3. Trục vít me đai ốc bi : Ưu điểm của vít me đai ốc bi :  Hệ số ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9.  Lực phát động nhỏ (chỉ bằng 13 lực phát động của vít me đai ốc thường) → tăng tốc nhanh, đảo chiều tốc độ mạnh.  Khe hở nhỏ → độ chính xác truyền động cao.  Ổn định cao. Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi : Hình 2.8: Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi  Dạng profil răng và đai ốc.  Profil dạng tròn.  Nếu bán kính của bi là r1, bán kính của profil ren là r2 nên chọn r1 = 0,95 0,97r2. Với profil là nửa cung tròn thì góc tiếp xúc của bộ truyền có thể là α = 60° tuy nhiên bộ truyền với góc tiếp xúc α = 45° sẽ có khe hở nhỏ nhất15 và có khả năng chế tạo với độ chính xác cao nhất. Kết cấu hồi bi :  Có nhiều dạng kết cấu hồi bi nhưng chúng ta có thể chia thành các dạng cơ bản sau :  Rãnh hồi bi kiểu ống cong : được dùng khá phổ biến trong các bộ truyền trên đai ốc người ta khoan lỗ tiếp tuyến với đường ren, việc dẫn hướng cho bi vào ống hồi bi có thể dùng 2 cách :  Miệng ống hồi bi tỳ trên mặt ren của vít me.  Dùng tấm dẫn hướng để đưa bi vào ống hồi bi. Hình 2.9: Rãnh hồi bi kiểu ống 2.3.1.4. Ổ tích dụng cụ : Dùng để tích chưa nhiều dụng cụ phục vụ cho quá trình gia công. Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công căt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao khác nhau. Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự động hóa cao. Ổ tích dao có 3 loại chính :  Ổ tích dao dạng xích.  Ổ tích dao dạng đĩa.  Ổ tích dao dạng sao.16 Hình 2.10: Ổ tích dao trên máy CNC Ưu điểm:  Rút ngắn được thời gian thay dao.  Tránh được lỗi và các rủi ro tai nạn.  Có khả năng tự động hóa cao. Nhược điểm:  Nhu cầu đầu tư bổ sung.  Tăng chi phí cho lắp đặt.  Cơ cấu thay dao tự động: Cùng với ổ tích dao cơ cấu thay dao tự động giúp cho việc thay dao được chính xác và nhanh gọn, nâng cao tính tự động hóa. Trong quá trình gia công khi cần chuyển sang nguyên công cắt gọt khác cần thay dao thì ta không cần phải dừng máy để thay dao bằng tay mà hệ thống sẽ tự động thay dao theo chương trình đã được lập trình sẵn. 2.3.2. Phần điều khiển 2.3.2.1. Một số loại động cơ Động cơ bước: Ưu điểm của động cơ bước là ở chỗ nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số. Vì vậy, trong mạch ñiều khiển không cần mạch biến đổi số tương17 tự (DAC). Và nó cũng không cần các chuyển mạch hoặc chổi than như động cơ một chiều (DC) điều khiển servo. Động cơ bước có ba kiểu:  Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent motor).  Động cơ bước có từ trở biến đổi VR(Variable Reluctance stepper motor).  Động cơ bước kết hợp haidạng động cơ PM và VR gọi là động cơ lai (hybrid stepper motor). Nguyên tắc điện của động cơ bước PM cũng giống như động cơ đồng bộ ba pha. Động cơ servo: Dẫn động chạy dao máy công cụ điều khiển số NCCNC đòi hỏi hệ ñiều khiển phải có khả năng điều khiển đồng thời cả tốc độ vàvị trí. Động cơ servo một chiều được sử dụng phổ biến trong các máycông cụ ñiều khiển số. 2.3.2.2. Công tắc hành trình: Để xác định vị trí giới hạn chuyển động của các trục X, Y, Z thường sử dụng các công tắc hành trình. Công tắc hành trình được dùng để tránh chuyển động tịnh tiến quá xa và có thể làm hư hỏng máy. Máy vẫn có thể hoạt động nếu không sử dụng công tắc hành trình tuy nhiên chỉ cần một sơ suất nhỏ có thể phải trả một cái giá khá đắt. 2.3.2.3. Mạch giao tiếp Mạch giao tiếp dùng để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp… Phạm vi ứng dụng: nên dùng mạch này với các driver chính hãng, các driver tự làm thì nguy cơ gặp sự cố với máy tính là khá cao nên cẩn thận trước khi dùng. Các driver tự làm nên dùng mạch Giao tiếp có cách ly.18 Hình 2.11: Mạch giao tiếp Hệ thống trong hình Hình 2.11 bao gồm một máy tính với phần mềm NC điều khiển và các động cơ ổ đĩa. Hộp điều khiển bao gồm nguồn điện( không hiển thị), mạch giao tiếp và trình điều khiển động cơ. Trên thực tế thì máy tính hoàn toàn có khả năng kết nối trực tiếp đến các trình điều khiển, nhưng nếu làm như vậy thì nguy cơ rủi ro, hỏng hóc là khá cao. Bởi vậy chúng ta nên sử dụng đến mạch giao tiếp để có thể đảm bảo an toàn cho máy làm việc.  Vị trí của mạch giao tiếp trong kết cấu máy CNC Hệ thống máy CNC gồm 6 phần chính (Hình 2.12 ):  Chương trình gia công (part program)  Thiết bị đọc chương trình (program input device)  Bộ điều khiển máy (MCU)  Hệ thống truyền động (drive system)  Máy công cụ (machine tool)  Hệ thống phản hồi (feedback system)19 Hình 2.12: Cấu trúc của máy CNC Lưu ý: Đối với máy gia công CNC, chương trình gia công, thiết bị đọc chương trình và bộ xử lý dữ liệu (DPU) đều được thực hiện bởi máy tính. Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo chương trình số20  Nguyên tắc điều khiển: Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy. Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động. Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về hệ điều khiển máy. Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu. Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit CLU) DPU thực hiện các chức năng: Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập Xử lý mã lệnh hay giải mã. Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU. CLU thực hiện các chức năng: Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển. Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động. Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ. Điều khiển các thiết bị phụ trợ. Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo, bộ truyền đai răng, đai ốcvít me bi và bàn trượt. Hệ thống này quyết định độ chính xác, công suất của máy. Nhập dữ liệu vào bộ nhớ máy: bàn phím. các phương tiện đọc khác như đĩa, băng… trao đổi dữ liệu với các thiết bị lưu trữu bên ngoài.21 Mạch giao tiếp dung để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp… Vì vậy từ hình (Hình 2.13), ta có thể xác định được vịt trí của mạch giao tiếp sẽ nằm ở bộ phận đọc chương trình (program input device). Ngoài mạch giao tiếp, trong bộ phận đọc chương trình còn có mạch drive điêu khiển động cơ bước, điều khiển động cơ trục chính. Hình 2.14: Sơ lược hệ thống điều khiển 2.3.2.4. Phần mềm điều khiển Mach3 Hình 2.15: Giao diện phần mềm Mach3  Mach3 là phần mềm do hãng ARTSOFT phát hành.  Có thể sử dụng trong công nghiệp.22  Phần mềm Mach bao gồm các ứng dụng như: Mach3 Mill, Mach3 Turn, Mach3 Plasma.  Các đặc điểm chính của phần mềm Mach3: Giao diện trực quan, dễ sử dụng, hiển thị video khi máy chạy. Có khả năng điều khiển tối đa 6 trục tọa độ. Có khả năng đọc file G code từ các phần mềm cam (.NC) và file Gcode lập trình từ notepad (.txt) Điều khiển được các trục chính, rơ le và các công tắc hành trình.  Cấu hình yêu cầu của phần mềm: HĐH windows 2000XPWin7 Tốc độ CPU: > 1 GHz Bộ nhớ Ram > 512 Mb Bộ điều khiển chuyển động giao tiếp cổng USB hoặc LPT. 2.3.3. Giao tiếp máy tính 2.3.3.1. Khái quát Máy tính cùng với sự phát triển của kỹ thuật ghép nối với máy tính đã mở rộng đáng kể các lĩnh lực ứng dụng của máy tính, đặc biệt trong đo lường và điều khiển. Chính vì vậy, nhiều người sử dụng máy tính quan tâm đến chủ đề này. Khi một máy tính được xuất xưởng hoặc bày bán ở cửa hàng thì cả nhà sản xuất, ngườibán cũng như người tiêu dùng đều ngầm hiểu đây chưa phải là một hệ thống hoàn chỉnh,càng không phải là một hệ thống khép kín. Tùy theo yêu cầu sử dụng, người dùng có thể nâng cấp, mở rộng cấu hình bằng cách ghép nối thêm các Card mở rộng hoặc các thiết bị ngoại vi như modem, máy in… Các nhà sản xuất đã dự trữ sẵn các rãnh cắm mở rộng trên bản mạch chính, các cổng ghép nối : song song (LPT), nối tiếp (COM). Đây chính là những vị trí mà kỹ thuật ghép nối máy tính có thể tác động vào. Để ghép nối với máy tính ta có hai phương pháp: o Ghép nối qua cổng song song o Ghép nối qua cổng nối tiếp Điểm khác biệt duy nhất giữa giao tiếp nối tiếp với giao tiếp song song là chuẩn23 này chỉ truyền một bit trong một khoảng thời gian, trong khi giao tiếp song song truyền nhiều bit trong một khoảng thời gian. Sự khác biệt này khiến cho giao tiếp song song thường nhanh hơn giao tiếp nối tiếp. Tuy nhiên, không phải thực tế trên đều đúng trong mọi trường hợp. Giao tiếp nối tiếp cũng có thể nhanh hơn giao tiếp song song nếu các bit được chuyển đi với tốc độ nhanh hơn. Chẳng hạn, cổng SATA có thể đạt tốc độ truyền dữ liệu lên tới 150Mbps, trong khi cổng IDE truyền thống chỉ dừng ở mức 133Mbps. Mỗi khả năng đều có những ưu nhược điểm riêng cho nên cho đến nay vẫn cùng tồn tại, tùy theo hoàn cảnh cụ thể mà cân nhắc nên sử dụng cổng nào cho thích hợp. Chuẩn giao tiếp Các chuẩn sử dụng để giao tiếp với máy tính là: RS232, RS 485,USB,LPT. 2.3.3.2. Chuẩn RS 232 Để các thiết bị thu phát có thể làm việc có hiệu quả và không gặp rắc rối khi làm việc phối hợp, từ lâu người ta đã đặt ra các tiêu chuẩn cho các cổng vàora tín hiệu tuần tự trong các thiết bị số. Đó là tiêu chuẩn RS232, với các giắc cắm chữ D dao động từ 4 đến 37 chân (4, 9, 15, 37 chân). RS232 (tương ứng với chuẩn châu Âu là CCITT V.24) được dùng chủ yếu trong việc giao tiếp điểm điểm giữa hai thiết bị đầu cuối (DTE), ví dụ giữa hai máy tính, giữa máy tính và máy in, hoặc giữa DT và một DCE thiết bị giao tiếp dữ liệu, ví dụ giữa một máy tính và môđem. Ngày nay, RS232 là chuẩn giao diện IO được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, do chuẩn này ra đời đã lâu, trước khi có họ vi điện tử TTL, vì vậy các mức điện áp vàora của nó không tương thích với TTL. RS –232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất. Ở RS232, mức logic 1 tương ứng từ 3V đến 25V, còn mức logic 0 tương ứng từ +3V đến +25V, khoảng từ 3V đến +3V không xác định. Chính vì từ 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa, trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ 0 lên 1 hoặc từ 1 xuống 0 một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý. Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền. Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn. Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kBd (chiều dài cho phép 30 – 50 m).24 Chế độ làm việc của hệ thống RS 232 là hai chiều toàn phần (fullduplex), tức là hai thiết bị tham gia có thể thu và phát cùng một lúc. Như vậy việc thực hiện truyền thong cần tối thiểu 3 dây dẫn tring đó hai dây tín hiệu nối chéo với các đầu thu phát của hai trạm và một dây đất. Với cấu hình tối thiểu này, việc đảm bảo độ an toàn truyền dẫn thuộc về trách nhiệm của phần mềm. RS –232 có một ưu điểm là có thể sử dụng công suấtphát tương đối thấp, nhờ trở kháng đầu vào hạn chế trong phạm vi từ 37k. Do đó, để nối RS232 với máy tính đều phải qua bộ biến đổi điện áp như MAX232 để chuyển mức logic TTL sang mức điện áp của RS232 và ngược lại. Nhìn chung, các chip IC MAX232 được dùng để điều khiển đường truyền. Kết nối RS232 với MAX232. Hình 2.16: Sơ đồ bố trí chân của RS232 dạng 25 chân Để phân biệt, người ta sử dụng ký hiệu DB 25P để chỉ đầu đực (Plug cắm vào) và DB 25S để chỉ đầu cái (Socket ổ cắm). Không phải tất các chân của DB 25 đều được sử dụng, do đó IBM đưa ra phiên bản chuẩn vàora nối tiếp chỉ sử dụng có 9 chân gọi là DB 9. Sử dụng chuẩn RS232 có tác dụng là có thể truyền dữ liệu đi được xa, phương thức lập trình truyền dữ liệu qua chuẩn này cũng đơn giản, không phức tạp, do đó nó được sử dụng nhiều. Nhưng bên cạnh nó cũng có những nhược điểm là : Tốc độ truyền của nó so với cổng song song là chậm hơn, dễ bị nhiễu và kết nối phần cứng phực tạp do phải them MAX232. Hình 2.17: Sơ đồ bố trí chân của RS232 9 chân25 2.3.3.3. Chuẩn RS 485 Hiện nay, để truyền tín hiệu đi xa hơn và nối với nhiều thiết bị đầu cuối hơn, người ta dùng chuẩn RS485 tương tự RS232 nhưng có mức điện áp tín hiệu cao hơn. để sử dụng chuẩn này, người ta có các bộ chuyển đổi tín hiệu chuẩn từ RS232 thành tín hiệu chuẩn RS485. Ngưỡng giới hạn điện áp qui định cho RS – 485 được nới rộng ra khoảng –7V đến 12V, và trở kháng đầu vào cũng được tăng lên. Ngoài khả năng giống như RS –232, RS485 còn có khả năng ghép nối nhiều điểm , vì thế được dùng phổ biến trong các hệ thống bus. Cụ thể, 32 trạm có thể ghép nối, được định địa chỉ và giao tiếp đồng thời trong một đoạn RS485 mà không cần bộ lặp. Để đạt được điều này, trong một thời điểm chỉ một trạm được phép kiểm soát đường dẫn và phát tín hiệu, vì thế một bộ kích thích đều phải đưa về trangh thái trở kháng cao mỗi khi rỗi, tạo điều kiện cho các bộ kích thích ở các trạm khác tham gia. Chế độ này được gọi là tristate. một số vi mạch RS485 tự động xử lý tình huống này, trong nhiều trường hợp kác việc đó thuộc về trách nhiệm của phần mềm điều khiển truyền. Trong mạch của bộ kích thích RS485 có một tín hiệu đầu vào “ Enable” được dùng cho mục đích chuyển bộ kích thích về trạng thái phát tín hiệu hoặc tristate. Mặc dù phạm vi làm việc tối đa từ – 6V đến 6V trong trường hợp hở mạch. RS485 cho phép nối 32 trạm, ứng với 32 bộ thu phát hoặc nhiều hơn, tuỳ theo cách chọn tải cho từng thiết bị thành viên. Giới hạn này xuất phát từ đặc tính kỹ thuật của hệ thống truyền tải nhiều điểm. Các trạm được mắc song song vì thế việc tăng số trạm sẽ làm suy giảm tín hiệu vượt quá mức cho phép. Tốc độ truyền tải và chiều dài dây dẫn: RS485 cho phép khoảng cách tối đa giữ trạm đầu và trạm cuối trong một đoạn mạng là 1200m, không phụ thuộc vào số trạm tham gia. Tốc độ truyền dẫn có thể lên đến 10 Mbits, một số hệ thống gần đây có thể lên đến tốc độ 12 Mbits. Tuy nhiên có sự trao đổi giữa tốc độ truyền dẫn tối đa và độ dài dây dẫn cho phép, tức là một mạng dài 1200m không thể làm việc với tốc độ 10Mbd. Quan hệ giữa chúng phụ thuộc rất nhiều vào việc đánh giá chất lượng tín hiệu. 2.3.3.4. Chuẩn USB USB dụng để hỗ trợ trao đổi dữ liệu giữa một máy chủ (host) với các thiết bị ngoại vi được nối với nó. Bus USB cho phép thiết bị ngoại vi được ghép nối với máy tính26 chủ được cấu hình, được sử dụng một cách độc lập trong khi máy tính chủ và thiết bị ngoại vi khác đang hoạt động (đó chính là đặc tính Plug and play). USB được sử dụng đầu tiên vào năm 1996 với vài nhà sản xuất thiết kế cổng USB vào máy tính của mình tháng 101996 các hệ điều hành Windown cũng đã được cung cấp các driver điều khiển cho USB, cụ thể là trong Windown 98 và các hệ điều hành sau này(trên thực tế các phiên bản Windown 95 đã bắt đầu có tính năng hỗ trợ) Nhưng mãi đến năm 1998 USB mới được hỗ trợ đầy đủ và thể hiện vai trò khi chiếc máy tính IMAC hỗ trợ USB bán chạy thì chuẩn này mới trở lên phổ biến. Qua ổ cắm USB ở phía sau máy tính có thể lấy ra điện áp +5V với dòng tiêu thụ khoảng 100mA, trong một số trường hợp có thể lấy dòng tiêu thụ đến 500mA. Hai đường dẫn dữ liệu D+ và D là các tín hiệu vi sai với mức điện áp bằng 03,3V. Điện áp nguồn nuôi của USB có thể lên đến +5,25V. Và khi chịu dòng tải lớn có thể giảm xuống +4,2V, nếu bổ sung một vi mạch ổn áp có thể tạo ra một điện áp ổn định +3,3V. Toàn bộ hệ thống được thiết kế sao cho khi chịu dòng tải lớn điện áp nguồn không vượt quá +4,2V. Khi thiết bị ghép nối cần dòng lớn hơn 100mA cần xem xét kỹ khả năng cung cấp và chịu tải của link kiện trong máy tính.  Một số ưu điểm của USB Ghép nối đơn giản do ổ cắm đã được chuẩn hóa Link hoạt trong khi sử dụng Triển khai đơn giản và rẻ tiền Tốc độ tương đối cao so với chuẩn ra đời trước đó và có thể ghép nối nhiều thiết bị ngoại vi cùng một lúc. 2.3.3.5. Chuẩn LPT Cổng LPT có 2 loại