Tình hình sử dụng máy CNC tại Việt Nam
Máy CNC hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt trong ngành cơ khí Xuất xứ của máy CNC rất đa dạng, bao gồm máy mới từ các nước sản xuất tiên tiến như Nhật Bản, Đức và Mỹ, cũng như máy cũ chủ yếu từ Nhật Bản và Trung Quốc Gần đây, người dùng cũng có thể lựa chọn máy CNC sản xuất và lắp ráp tại Việt Nam với chất lượng tốt Tuy nhiên, phần lớn máy CNC của các doanh nghiệp Việt Nam là máy cũ từ Nhật Bản và Ý với giá thành thấp hoặc máy từ Trung Quốc Mặc dù máy CNC cũ có giá thành thấp hơn nhiều so với máy mới, điều này giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí đầu vào, nhưng cũng tạo ra nhiều vấn đề trong việc khai thác và bảo trì.
Doanh nghiệp gặp khó khăn trong việc vận hành, bảo trì và sửa chữa máy CNC cũ do vấn đề chuyển giao công nghệ Những khó khăn này xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, khiến việc duy trì hiệu suất máy trở nên phức tạp.
Việc vận hành và bảo trì máy gặp khó khăn do thiếu tài liệu hướng dẫn cụ thể Người sử dụng thường gặp trở ngại khi tìm kiếm mã G-code phù hợp cho từng máy, cũng như thiết lập các điều kiện ban đầu cần thiết để máy hoạt động tự động an toàn Các trạng thái khởi đầu quan trọng như việc đưa các trục về vị trí home trước khi hoạt động cũng cần được thiết lập đúng cách để máy có thể chạy trơn tru.
Thiếu đội ngũ có khả năng vận hành máy CNC hiệu quả là một thách thức lớn, bởi vì mỗi máy CNC cũ thường sử dụng các bộ điều khiển khác nhau với phiên bản và ngôn ngữ giao tiếp đa dạng, chủ yếu là tiếng Anh, tiếng Nhật hoặc tiếng Trung Quốc Điều này tạo ra rào cản ngôn ngữ và làm cho việc chuyển từ máy CNC này sang máy khác trở nên khó khăn, ngay cả khi người sử dụng đã quen thuộc với một loại máy nhất định Hơn nữa, sự hạn chế về trình độ sử dụng máy móc hiện đại càng làm tăng thêm khó khăn trong việc tiếp cận và vận hành các thiết bị này.
Sửa chữa máy CNC cũ, đặc biệt là bộ điều khiển, là một công việc khó khăn do sơ đồ mạch phức tạp và thiếu thông tin đầy đủ Người sửa chữa thường phải dựa vào kinh nghiệm và thực hiện đo đạt thủ công để xác định sơ đồ điều khiển, điều này tốn nhiều thời gian và công sức mà chưa chắc tìm ra lỗi Nhiều trường hợp, mặc dù biết lỗi, nhưng việc khắc phục lại rất khó khăn do tính chất đóng kín của bộ điều khiển, chỉ có thể can thiệp vào một phần nhỏ như điều chỉnh tham số Đối với hỏng hóc phần cứng, thường phải thay thế toàn bộ bộ điều khiển hoặc một module, điều này đòi hỏi chi phí cao và thời gian chờ đợi lâu để nhập khẩu linh kiện từ nước ngoài Hơn nữa, việc tích hợp linh kiện thay thế với các phần khác trong máy cũng gặp nhiều khó khăn, đặc biệt khi các module cũ không còn được sản xuất.
+ Khai thác không hết khả năng của máy CNC cũ
Máy CNC cũ nhập khẩu vào Việt Nam thường đi kèm với các hệ thống điều khiển tự động như cấp phôi và lắp ráp tự động Tuy nhiên, do thiếu hướng dẫn lắp ráp và sử dụng, người dùng gặp khó khăn trong việc áp dụng chúng vào quy trình sản xuất Hệ thống điều khiển của máy bao gồm cả việc điều khiển các hệ thống này theo quy trình định sẵn, nhưng thiếu tài liệu và trình độ người sử dụng hạn chế khiến họ không khai thác hết khả năng của máy Điều này dẫn đến lãng phí thời gian và chi phí sản xuất.
Độ chính xác của máy móc trong gia công chi tiết thường không đủ do sự mài mòn của kết cấu cơ khí sau thời gian hoạt động, dẫn đến các sai số trong quá trình vận hành Ví dụ, khe hở của vít me bi có thể là một nguyên nhân điển hình Các tham số bù sai số trong bộ điều khiển chưa được cập nhật, làm giảm độ chính xác của máy Một giải pháp là kiểm định máy và điều chỉnh lại các tham số bù sai số, nhưng việc này gặp khó khăn do thiếu hướng dẫn cụ thể cho các máy cũ, khiến cho việc nâng cao độ chính xác trở nên thách thức.
Các máy cũ thường không đáp ứng đủ tính năng cho các quy trình gia công phức tạp, do chúng có bộ nhớ chương trình hạn chế và một số loại không hỗ trợ giao tiếp DNC Điều này tạo ra khó khăn cho người vận hành khi thực hiện gia công các chi tiết phức tạp theo quy trình CAD-CAM CNC.
Doanh nghiệp nhập máy mới từ nước ngoài thường gặp khó khăn trong việc sử dụng, sửa chữa và bảo dưỡng máy, đặc biệt là so với máy CNC cũ Có hai hướng nhập khẩu máy cần chú ý: thứ nhất, máy CNC nhập từ Trung Quốc với giá thành rẻ; thứ hai, máy CNC nhập từ các quốc gia khác, chủ yếu là châu Âu và Nhật Bản.
Máy CNC nhập khẩu từ Trung Quốc thường khiến người sử dụng lo ngại về chất lượng sau một thời gian sử dụng Bên cạnh đó, khả năng hoạt động của máy cũng là một vấn đề quan trọng cần được xem xét.
Chất lượng máy móc có thể giảm sút sau thời gian sử dụng, chủ yếu do các mạch điện tử không phù hợp với môi trường nóng ẩm ở Việt Nam Những hỏng hóc này thường khó khắc phục và tốn nhiều thời gian, vì thường phải thay thế phần cứng, ảnh hưởng đến năng suất của nhà máy.
Máy CNC hiện tại có hạn chế về khả năng làm việc, với tốc độ trục chính thấp và độ chính xác chưa đạt yêu cầu Việc nâng cấp và mở rộng chức năng, đặc biệt đối với hệ thống dựa trên PC, gặp nhiều khó khăn.
Máy CNC nhập khẩu từ các nước tiên tiến có giá thành cao, gây khó khăn cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam Hơn nữa, quá trình chuyển giao công nghệ gặp trở ngại do các nhà cung cấp thường không có văn phòng đại diện tại Việt Nam, dẫn đến khó khăn trong việc sửa chữa và bảo trì sau khi bán hàng.
Khi sử dụng máy CNC nhập khẩu, cần chú ý đến khả năng mở rộng tính năng để kết hợp với các thiết bị khác trong hệ thống tự động hóa, đây là xu hướng phát triển hiện nay Ngoài ra, việc thay thế các module của máy cũng rất quan trọng, vì trong nhiều trường hợp, người dùng không thể mua sản phẩm từ nhà cung cấp cũ Do đó, cần xem xét việc mua module tương ứng từ hãng khác có khả năng tích hợp với các module cũ, hoặc lựa chọn module cùng hãng nhưng ở phiên bản cao hơn, mặc dù giá thành sẽ cao hơn.
Hầu hết các máy CNC tại Việt Nam hiện vẫn hoạt động riêng lẻ, mỗi máy có một người quản lý, dẫn đến việc lãng phí tài nguyên cho doanh nghiệp Việc sử dụng một máy tính để quản lý nhiều máy CNC cùng lúc là cần thiết nhưng chỉ một số máy đời mới đáp ứng được yêu cầu này Các máy cũ cần nâng cấp phần cứng nhưng thường không ổn định do nhiều nguyên nhân Mặc dù các doanh nghiệp sản xuất trong nước đã cải thiện tình hình nhờ dịch vụ sau bán hàng như chuyển giao công nghệ và bảo trì, nhưng tỷ lệ nội địa hóa của máy CNC vẫn thấp, đặc biệt là ở các thiết bị điều khiển Điều này khiến cho đội ngũ kỹ thuật gặp khó khăn trong việc hiểu rõ quy trình hoạt động của các bộ phận điều khiển, trong khi sự hỗ trợ từ nhà cung cấp cũng hạn chế, dẫn đến việc khắc phục sự cố mất nhiều thời gian Thêm vào đó, việc thay thế thiết bị hỏng hóc thường phải chờ đợi lâu, có khi kéo dài đến vài tuần, làm chậm tiến độ sản xuất của doanh nghiệp.
Máy CNC mới Máy CNC trong nước
Máy CNC TQ Máy CNC khác Chuyển giao công
Sửa chữa bảo trì nghệ
Chưa được nhiều người lựa chọn mặc dù chất lượng tốt
Phụ thuộc khá nhiều vào phần điều khiển của nước ngoài Độ chính xác và ổn định kém hay hỏng hóc
Các dịch vụ bảo hành sau khi bán là khó khăn
Cẩu trúc của đóng của bộ điều khiển
Thiếu tài liệu Thiếu nhân lực
Hình 1.1 Những tồn tài của doanh nghiệp Việt Nam sử dụng máy CNC
Khái quát tình hình của việc sản xuất CNC trong nước
Những thành công bước đầu đã đạt được trong việc sản xuất và sửa chữa máy CNC tại Việt Nam
Trong 5 năm qua, nhờ sự đầu tư của chính phủ và nỗ lực của các nhà khoa học cũng như doanh nghiệp, máy CNC mang thương hiệu Việt Nam đã ra đời và ngày càng được người tiêu dùng tin tưởng Chất lượng máy CNC sản xuất trong nước tốt và có giá cả cạnh tranh hơn so với các sản phẩm quốc tế cùng tính năng Hiện tại, có hai xu hướng song song trong sản xuất máy CNC tại Việt Nam.
Chuyển đổi máy cũ thành máy CNC (Conversion) đang trở thành xu hướng phổ biến, khi người dùng mua các "xác máy" từ máy vạn năng hoặc CNC cũ Quá trình này bao gồm việc loại bỏ các thành phần không cần thiết như động cơ và tay quay, sau đó thay thế bằng các thiết bị truyền động phù hợp Tiếp theo, các thiết bị điều khiển được lắp ráp và cuối cùng là thiết lập các tham số điều khiển cần thiết cho hoạt động của máy.
Chế tạo máy CNC tại Việt Nam
- Kiểm soát được sai số và chế độ hoạt động của máy
- Xây dựng được đội ngũ kỹ thuật về CNC lành nghề
- Độ ổn định không cao
- Không kiểm soát được sai số và chế độ hoạt động của máy
Hình 1.2 Xu hướng sản xuất máy CNC tại Việt Nam
Xu hướng sử dụng kết cấu máy có sẵn tại các viện nghiên cứu như IMI giúp giảm chi phí chế tạo, nhưng cần xem xét tính phù hợp của các kết cấu này với hoạt động của máy CNC Việc kiểm soát độ chính xác của máy cũng là một thách thức lớn Mặc dù xu hướng này đã phổ biến trong những năm qua, tương lai có thể yêu cầu đánh giá lại mục đích của nó, có thể chỉ phù hợp cho việc chuyển đổi các máy vạn năng thành máy tự động với một số tính năng cơ bản.
Xu hướng chế tạo các thành phần máy và lắp ráp tại Việt Nam đang được công ty TNHH Cơ điện tử Bách Khoa (BKMech) thực hiện trong những năm gần đây Các bộ phận điều khiển sẽ được nhập khẩu và lắp ráp theo yêu cầu người dùng Để máy CNC mang thương hiệu Việt Nam trở nên phổ biến, các nhà sản xuất cần tập trung vào chế tạo, nhằm kiểm soát sai số và tìm ra giải pháp khắc phục Việc chế tạo kết cấu máy cũng sẽ thúc đẩy sự phát triển của các ngành cơ khí liên quan như công nghiệp đúc và gia công cơ khí chính xác, những lĩnh vực hiện còn yếu kém tại Việt Nam Với sự đầu tư phát triển có định hướng, chất lượng máy CNC sản xuất trong nước hoàn toàn có thể được tin tưởng.
Mỗi xu hướng đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, do đó, nhà sản xuất máy CNC cần đưa ra giải pháp phù hợp cho từng tình huống cụ thể Nếu yêu cầu về độ chính xác không quá cao hoặc cần nâng cấp chức năng cho máy công cụ cũ, phương án Convertion là lựa chọn hợp lý Ngược lại, khi yêu cầu kỹ thuật cao, giải pháp tối ưu sẽ là chế tạo máy mới.
Những vấn đề còn tồn tại trong việc sản xuất và sử dụng máy
Hiện nay, Việt Nam vẫn phải nhập khẩu các bộ điều khiển cho máy CNC, bao gồm các module như khối NC, khối PLC, và các khối driver cho từng loại động cơ, cũng như động cơ từ các hãng nước ngoài như Fanuc, Heidenhein, Mitsubishi, Fagor, Alinam và Siemens Việc này là điều bất khả kháng do sự phát triển của đất nước chưa cho phép sản xuất các module hoạt động ổn định trong môi trường làm việc khắc nghiệt của doanh nghiệp, khi mà các máy CNC thường hoạt động liên tục 24/24 giờ.
Các bộ điều khiển có thể chiếm tới 30% giá thành của một máy CNC mới, theo thông tin từ Springer publication Tại Việt Nam, tỷ lệ này cao hơn, với giá thành của toàn bộ các module điều khiển chiếm khoảng 40% giá thành của máy.
Bộ điều khiển CNC có cấu trúc dạng đóng, cho phép người sử dụng chỉ thực hiện các thao tác kết nối và điều chỉnh tham số theo hướng dẫn của nhà cung cấp, mà không thể can thiệp vào cấu trúc bên trong.
Giao diện Tiếng nước ngoài Đặc trưng cho từng hãng Các mã G-code
Các thuật toán điều khiển Các module
Hình 1.3 Các khó khăn cơ bản liên quan đến bộ điều khiển CNC
Khi có sự hỏng hóc sẽ dẫn đến những một số cơ bản khó khăn trong quá trình sửa chữa và bảo trì máy CNC như sau:
- Thiếu thiết bị để thay thế khi hỏng hóc do các thiết bị này được cung cấp qua các đại lý của nước ngoài với giá thành khá cao
Đội ngũ kỹ thuật gặp khó khăn trong việc sửa chữa do thiếu thông tin về cấu trúc bên trong của bộ điều khiển, bao gồm các thuật toán điều khiển, xử lý quá trình nội suy, điều khiển logic, cũng như thuật toán tăng tốc và giảm tốc Thiếu sót này cản trở khả năng hiệu chỉnh chính xác hoạt động của máy và đưa ra phương án sửa chữa hiệu quả.
Trong thời đại hiện nay, việc giao tiếp với người sử dụng chủ yếu bằng tiếng Anh, và đôi khi là tiếng Nhật hoặc tiếng Trung, vẫn là một trở ngại lớn đối với người dùng Việt Nam, đặc biệt trong quá trình sửa chữa và bảo trì.
Như vậy có thể tổng kết các nguyên nhân của những tồn tại trong ngành sản xuất CNC trong nước bao gồm 2 nguyên nhân về con người và về thiết bị Nước ta chưa có được đội ngũ kỹ thuật đủ khả năng đáp ứng cho việc sản xuất một máy CNC hoàn toàn nội địa, và thiết bị kỹ thuật trong nước còn lạc hậu phụ thuộc khá lớn vào các nhà cung cấp của nước ngoài Trong hai nguyên nhân này nguyên nhân thứ nhất là cần phải khắc phục thật nhanh chóng mới có thể đưa nên sản xuất máy công nghiệp CNC nội địa tiến xa được.
Nguyên nhân của những tồn tại việc trên
Việc sử dụng máy CNC ở Việt Nam gặp nhiều tồn tại đáng chú ý, bao gồm thiếu hụt kỹ năng vận hành, chi phí đầu tư cao, và sự hạn chế trong việc áp dụng công nghệ mới Những vấn đề này cần được giải quyết để nâng cao hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trong ngành công nghiệp.
- Các máy CNC cũ nhập có chất lượng không đảm bảo
- Trình độ của đội ngũ kỹ thuật khai thác và sử dụng máy chưa đáp ứng được yêu cầu
- Các máy CNC mới thì giá cao và các dịch vụ bảo hành và sửa chữa chưa tốt
- Các máy CNC trong nước đang dần được lựa chọn để thay thế các máy CNC ngoại nhập
Nguyên nhân chính của những tồn tại trong lĩnh vực CNC tại Việt Nam chủ yếu xuất phát từ nguồn lực con người và thiết bị Chất lượng đào tạo về CNC còn yếu do thiết bị đào tạo trong nước hạn chế, gần như không có Với số lượng sinh viên ngày càng tăng, tình trạng thiếu thiết bị thực tập trở nên nghiêm trọng nhưng chưa có giải pháp cụ thể, bởi giá thành thiết bị cao Hệ quả là sản phẩm của sinh viên sau khi tốt nghiệp chỉ nắm bắt mờ mịt về hệ điều khiển CNC, dẫn đến việc không khai thác được hết tính năng của bộ điều khiển.
Cả ngành sản xuất và người sử dụng đều cần giải quyết những vấn đề quan trọng như nâng cao năng lực đội ngũ nghiên cứu và vận hành máy CNC, đồng thời giảm giá thành thiết bị CNC để có thể áp dụng công nghệ này rộng rãi hơn.
CNC đến nhiều hơn với người sử dụng làm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.
Những yêu cầu cấp thiết về việc chế tạo máy cnc mang nhãn hiệu Việt
Để nâng cao chất lượng đội ngũ kỹ thuật trong thiết kế, chế tạo và vận hành máy CNC, cần tiến hành nội địa hóa dần dần các module nhập khẩu từ nước ngoài Quá trình này bao gồm nhiều công việc quan trọng nhằm cải thiện hiệu suất và giảm phụ thuộc vào nguồn cung ngoại.
Nghiên cứu và chế tạo các module điều khiển CNC mang nhãn hiệu Việt Nam dựa trên cấu trúc OpenCNC đang được tiến hành, bao gồm các module điều khiển động cơ, giao diện Tiếng Việt và các module điều khiển vào ra Mục tiêu không chỉ phục vụ ngành công nghiệp sản xuất mà còn thúc đẩy nghiên cứu của các nhà khoa học trẻ Việt Nam Với sự phát triển công nghệ thông tin, việc tạo ra phần mềm điều khiển CNC dạng PC-based là khả thi Nghiên cứu sẽ tập trung vào kiến trúc bộ điều khiển, các yếu tố cần thiết cho phần mềm, chức năng yêu cầu và cơ sở dữ liệu, dựa trên phần mềm mã nguồn mở và các nghiên cứu quốc tế Mục tiêu cuối cùng là phát triển một phần mềm điều khiển CNC thích ứng với nhiều loại máy, cho phép thay đổi cấu hình dễ dàng và mở rộng chức năng, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của người sử dụng.
Phần mềm điều khiển CNC
Thay đổi cấu hình phần cứng dễ dàng
Cho phép thêm bớt các chức năng
Có cơ sở dữ liệu dạng hướng đối tượng
Thích ứng với nhiều kết cấu máy
Giao diện thân thiện với người sử dụng
Hoạt động ổn định trong thời gian dài
Dễ dàng bảo trì Giá thành thấp
Hình 1.4 Các tiêu chí đặt ra cho phần mềm điều khiển CNC
Để phát triển máy CNC sử dụng phần mềm điều khiển mang thương hiệu Việt Nam, cần xác định các tiêu chí cần đạt được và nghiên cứu các thuật toán điều khiển như điều khiển động cơ, nội suy, tăng tốc và giảm tốc Những thuật toán này đóng vai trò mấu chốt trong hoạt động của máy CNC, do đó, cần tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để đánh giá độ chính xác Quá trình nghiên cứu này sẽ giúp hình thành một nhóm chuyên gia về bộ điều khiển CNC, từ đó mở rộng ứng dụng của bộ điều khiển này vào các lĩnh vực khác như y học và hóa học, không chỉ giới hạn ở máy công cụ.
Cùng với việc sản xuất máy CNC công nghiệp, việc phát triển bộ CNC cho giáo dục cũng rất quan trọng Các bộ CNC này có thể là máy nhỏ gọn hoặc bộ kit điều khiển CNC đầy đủ chức năng như máy công nghiệp Những bộ kit điều khiển CNC và máy CNC cỡ nhỏ có giá thành thấp hơn nhiều so với sản phẩm nước ngoài, giúp các trường đại học dễ dàng trang bị cơ sở vật chất, nâng cao chất lượng đào tạo Điều này sẽ tạo ra nguồn nhân lực với tư duy hiện đại về hệ thống sản xuất, đồng thời khuyến khích sinh viên tích cực tham gia học tập và nghiên cứu.
Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào thiết bị tự động hóa nước ngoài và khắc phục khó khăn trong sản xuất, cần kết hợp với nhà sản xuất các module cho máy CNC với cấu trúc điều khiển mở OpenCNC Hơn nữa, việc chế tạo các module phần cứng điều khiển như card điều khiển động cơ Motion card cho động cơ Step và Servo, cũng như thiết kế bộ biến tần điều khiển động cơ sẽ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
Nghiên cứu về CAD/CAM và các bộ PostProcessor là bước quan trọng để tự tạo chương trình điều khiển mã G-code, nhằm thực hiện gia công tự động trên máy với phần mềm điều khiển chuyên biệt.
Việc đáp ứng tất cả các yêu cầu trên sẽ góp phần nâng cao ngành công nghiệp sản xuất máy CNC, từ đó cung cấp máy móc cần thiết cho quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước.
Những nghiên cứu cần tiến hành để thỏa mãn được các yêu cầu trên
Để đáp ứng các yêu cầu hiện tại, cần tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng nhằm phát triển sản phẩm tích hợp đầy đủ tính năng và phù hợp với xu hướng công nghệ toàn cầu Đặc biệt, đối với hệ thống điều khiển CNC, việc phân tích sâu về công nghệ và khả năng hỗ trợ trên thị trường là rất quan trọng.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển CNC bao gồm các thành phần chính tạo nên sự hoạt động hiệu quả của máy công cụ CNC trong công nghiệp Nghiên cứu này không chỉ tập trung vào các phần tử tự động mà còn xem xét các thành phần cơ khí và các thuật toán điều khiển cần thiết Đặc biệt, yêu cầu về môi trường làm việc cũng đóng vai trò quan trọng, vì độ chính xác của hệ thống điều khiển phụ thuộc vào sự tương tác giữa tất cả các thành phần này.
Xu hướng phát triển hệ thống điều khiển CNC đang trở nên cấp thiết do công nghệ trong nước còn hạn chế Việc nghiên cứu cần xem xét xu hướng sản phẩm, tồn tại hiện tại và các kết quả nghiên cứu trước đó để đưa ra lựa chọn đúng đắn cho các nghiên cứu tiếp theo Đối với hệ thống điều khiển CNC, cần phân tích các cấu trúc tiên tiến, đánh giá ưu nhược điểm của chúng và lựa chọn cấu trúc phù hợp cho mục đích nghiên cứu Ngoài ra, việc tìm kiếm sản phẩm mã nguồn mở với các đặc tính yêu cầu và nghiên cứu sâu về cách thức hoạt động của chúng sẽ giúp tìm ra những tương đồng để áp dụng vào sản phẩm nghiên cứu sau này.
Luận văn nghiên cứu một cấu trúc PC-based cho hệ thống điều khiển CNC, bắt đầu bằng việc phân tích cấu trúc và tính năng của các thành phần trong hệ thống, đặc biệt là máy công cụ CNC Tiếp theo, bài viết sẽ xem xét tình hình phát triển hiện tại và xu hướng tương lai của các hệ thống CNC Dựa trên những yếu tố này, luận văn đề xuất cấu trúc điều khiển mở OpenCNC và tiến hành phân tích chi tiết các đặc tính của cấu trúc này Cuối cùng, các phương án tiếp cận sẽ được đưa ra nhằm giải quyết các yêu cầu của hệ thống điều khiển, bao gồm yêu cầu về hệ điều hành thời gian thực RTOS, các thuật toán nội suy, tạo quỹ đạo chuyển động và điều khiển vòng đóng.
Cấu trúc của bộ điều khiển CNC
Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển số CNC
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển số NC
2.1.1.1 Giới thiệu về hệ thống điều khiển số NC
Máy công cụ, hay còn gọi là "máy mẹ", là thiết bị dùng để gia công các thành phần cho các máy khác Nhờ sự tiến bộ của khoa học, máy vận hành bằng tay đã được nâng cấp thành máy công cụ NC, đáp ứng vai trò của một máy mẹ hoàn hảo Các máy công cụ NC này cho phép gia công chính xác và nhanh chóng, nâng cao hiệu suất sản xuất.
Các máy NC có thể chia ra làm 2 loại bao gồm “ cutting machines” và
Các máy "non-cutting" là những thiết bị không thực hiện thao tác cắt gọt, khác với các máy "cutting" như máy phay hay máy tiện Thay vào đó, các máy "non-cutting" thay đổi hình dạng vật liệu bằng cách tác động lực lên chúng, ví dụ như máy ép Ngoài ra, các hệ thống robot hàn và robot sơn cũng được xếp vào loại máy này.
Máy NC được phát triển nhằm gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, ban đầu được ứng dụng trong máy phay và khoan Gần đây, máy CNC đã trở nên phổ biến để tăng năng suất, dẫn đến sự ra đời của nhiều loại máy CNC khác như máy tiện CNC và trung tâm CNC Hệ thống NC cũng được áp dụng cho các máy công cụ gia công hiện đại như máy EDM và máy cắt laser Trong quá trình hiện đại hóa, hệ thống NC được kết nối với các thiết bị sản xuất khác như robot, kho tự động và máy tính để tạo ra các hệ thống điều khiển linh hoạt FMS Hệ thống NC không chỉ được sử dụng cho máy công cụ mà còn cho các máy yêu cầu điều khiển động cơ servo, như máy đo tọa độ và máy cắt kim loại.
Hình 2.1 Các loại máy NC (a) Robot, (b) máy phay, (c) máy tiện, (d) trung tâm gia công, (e) Máy gia công tia lửa điện, (f), hệ thống FMS
Trong quy trình sản xuất hiện đại CAD/CAM/CNC, máy điều khiển số (NC machine) được sử dụng để gia công các chi tiết với độ chính xác cao về hình dạng và chất lượng bề mặt Quá trình gia công bắt đầu khi hệ thống NC đọc và biên dịch chương trình từ phần mềm CAM, điều khiển chuyển động của máy theo yêu cầu Hệ thống NC tạo ra các câu lệnh để điều khiển vị trí và vận tốc, trong khi động cơ servo thực hiện các chuyển động quay được chuyển thành chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu vít me bi Để đảm bảo độ chính xác của sản phẩm, cần có độ chính xác cao của động cơ, ray dẫn hướng, vít me bi và trục chính, cùng với độ cứng vững của máy Kết cấu máy phải được thiết kế để ít nhạy cảm với nhiệt độ và rung động, đồng thời việc sử dụng encoder và cảm biến trong hệ thống điều khiển giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.
NC Các thành phần này sẽ được trình bày cụ thể hơn ở các phần tiếp theo
Trong quá trình gia công, việc quản lý chặt chẽ các trạng thái của máy và quá trình là rất quan trọng Việc phát hiện gãy dao, bù đắp biến dạng nhiệt, điều khiển thích nghi và bù độ võng của dao dựa vào việc kiểm soát lực cắt, nhiệt độ và dòng điện sử dụng trong gia công.
2.1.1.2 Lịch sử của NC và các máy công cụ NC
Hệ thống NC cho phép máy công cụ gia công chi tiết phức tạp một cách chính xác và nhanh chóng, nhờ vào việc sử dụng động cơ servo để điều khiển theo quy trình của người vận hành Động cơ servo cần có bộ drive đi kèm để kích hoạt hoạt động, giúp thực hiện lệnh từ hệ thống NC Khi kết hợp với công nghệ máy tính, hệ thống NC trở thành CNC (Computer Numerical Control), bao gồm các ống chân không, transistor, mạch điện và các phần tử logic như mạch điện tích hợp với số lượng lớn (LSI).
CNC và quy trình gia công trên nó
Cấu trúc của máy công cụ “Hardwired NC” thực hiện các hàm NC thông qua kết nối dây điện giữa các phần tử, thường thấy ở các máy CNC cũ với nhiều bo mạch và đầu nối Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính đã chuyển đổi cách thức thực hiện các hàm NC sang phần mềm trên bộ điều khiển CNC, thay vì sử dụng các phần tử logic và mạch điện Sự thay đổi này được thúc đẩy bởi công nghệ vi xử lý và hệ thống nhớ, dẫn đến việc CNC còn được gọi là “Softwaried”.
Sự phát triển của hệ thống NC bắt nguồn từ sự tiến bộ của các thành phần cấu thành nó Ban đầu, hệ thống NC chỉ là tập hợp hàng vạn ống phóng điện tử và các máy NC được điều khiển thông qua động cơ dầu và relay theo một quy trình logic Tuy nhiên, với sự ra đời của linh kiện bán dẫn vào những năm 1960, động cơ điện trong những năm 1970 và sự phát triển của máy tính vào thập niên 1980, hệ thống NC đã có những bước tiến vượt bậc.
“Hardwired NC” đã tiến lên trở thành các “Softwired NC” dựa trên các bộ vi xử lý, năng lượng điện, công nghệ điện tử và máy tính
Hiện nay, NC và CNC đều được hiểu là các bộ điều khiển só, không còn sự khác biệt giữa chúng Do đó, các máy điều khiển số chính là những máy công cụ được trang bị hệ thống điều khiển CNC.
2.1.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống tự động trong máy CNC
2.1.2.1 Các thành phần của hệ thống dẫn động
Hệ thống điều khiển NC sử dụng động cơ servo để thực hiện các chuyển động chính xác của máy, với các thành phần bao gồm động cơ servo và thiết bị truyền động Động cơ servo, được điều khiển bởi lệnh từ hệ thống NC, quay và truyền động qua các trục nối đến vít me bi, biến chuyển động quay thành chuyển động tiến của bàn máy Hệ thống dẫn động servo điều chỉnh vận tốc và mômen tác động lên bàn máy dựa trên yêu cầu từ hệ thống điều khiển số NC Động cơ trục chính CNC chuyển động quay qua hệ thống đai truyền, trong khi các động cơ điện từ như BLDC đã thay thế động cơ DC cũ nhờ vào kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao hơn Một số máy sử dụng hộp số để truyền động, nhưng không phù hợp cho gia công tốc độ cao Gần đây, truyền động trực tiếp đã được áp dụng, cho phép tăng tốc độ quay của trục chính lên tới 10.000 vòng/phút.
Hình 2.3 Cơ cấu dẫn truyền động của máy công cụ
Phần dưới đây sẽ trình bày về các đặc tính của các thành phần trong hệ dẫn động a) Cảm biến và động cơ dẫn động
Động cơ dẫn động trong máy CNC bao gồm động cơ cho bàn máy và trục chính, với trục chính đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra chuyển động cắt và mômen cắt cần thiết Yêu cầu đối với trục chính là tốc độ cao và mômen cắt lớn, do đó, động cơ điện cảm ứng thường được sử dụng để đáp ứng các tiêu chí này Trong khi đó, động cơ servo cần có mômen cao, khả năng tăng tốc nhanh, đáp ứng tốt ở tốc độ thấp và có khả năng điều khiển đồng thời vị trí và vận tốc Các máy công cụ NC như máy tiện và trung tâm gia công cần có mômen cắt lớn để gia công hiệu quả ở tốc độ thấp, đồng thời yêu cầu tốc độ cao để thực hiện quá trình chuyển động nhanh chóng.
Sau đây là các đặc tính cần thiết của động cơ servo trong máy công cụ CNC (hình 2.4)
1) Đưa ra được các năng lượng hoạt động phù hợp với tải
2) Đáp ứng nhanh với các lệnh yêu cầu
3) Có tính chất tăng tốc và giảm tốc tốt
4) Có khoảng tốc độ rộng
5) Có khả năng điều khiển vận tốc an toàn trong tất cả các khoảng vận tốc Động cơ Servo
Mô men thích hợp với tải Đáp ứng nhanh Đặc tính gia tốc tốt
Khoảng vận tốc rộng Điều khiển tốc độ tốt
Hoạt động không bị gián đoạn
Gia tốc có thể thay đổi theo qui luật Độ phân giải cao
Chính xác ở tốc độ cao Đáng tin và bền Dễ bảo trì
H ình 2.4 Các đặc tính yêu cầu đối với động cơ servo
6) Hoạt động liên tục trong một thời gian dài
7) Cho phép gia tốc tăng và gia tốc giảm một cách thường xuyên
8) Có độ phân giải cao để có thể đưa ra được mômen thích hợp trong trường hợp phôi nhỏ
9) Dễ dàng chuyển động và có độ chính xác cao về tốc độ
10) Có mômen thích hợp cho việc dừng lại
11) Có tính tin cậy cao và hoạt động trong một thời gian dài
Hình 2.5 Các loại động cơ servo
Một số động cơ có cấu tạo như hình 2.5 đáp ứng các tính chất cần thiết, cùng với những ưu và nhược điểm của từng loại Các động cơ này sở hữu những tính chất khác nhau, được so sánh trong bảng 2.1 Động cơ Servo một chiều (DC Servo Motor) và động cơ servo xoay chiều đồng bộ (Synchronous-type) là hai loại động cơ tiêu biểu trong danh sách này.
AC Servo Motor) Động cơ servo xoay chiều kiểu từ dẫn (Induction-type AC Servo Motor) Ưu điểm Giá thành thấp
Không có chổi than Dừng dễ dàng
Cấu trúc đơn giản Không cần sensor
Nhược điểm Nóng vì nhiệt
Cấu trúc phức tạp Mômen không đều
Không thể phanh khi đang hoạt động
Có tiếng ồn Cần sensor vị trí
Có rung động Cần sensor vị trí
Kích thước Nhỏ Nhỏ, trung bình Trung bình, lớn
Cảm biến Không cần thiết Encoder, revolver Không cần thiết
Tuổi đời Phụ thuộc vào tuổi đời của chổi than
Phụ thuộc vào tuổi bền của vòng bi
Phụ thuộc vào tuổi bền của vòng bi
Tốc độ cao Không đáp ứng Có thể đáp ứng Tốt Điện trở Kém Tốt Tốt
Bảng 2.1 Tổng hợp về các loại động cơ servo dùng trong các máy CNC
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí và tốc độ của động cơ, được chia thành hai loại chính: cảm biến vị trí và cảm biến tốc độ Trong số các cảm biến vị trí, encoder và resolver là hai loại phổ biến nhất.
Hình 2.6 Các loại cảm biến sử dụng trong hệ dẫn động
Dưới đây làm mô tả bằng hình vẽ hai loại Encoder tuyệt đối và tương đối
Hình 2.7 encoder tương đối a) Đĩa quay b) các thành phần của encoder
Hình 2.8 Encoder tuyệt đối b) Phần dẫn hướng chuyển động tịnh tiến LMG (Linear Movement Guide)
Vít me bi chuyển đổi chuyển động quay của động cơ servo thành chuyển động tịnh tiến, giúp tăng độ chính xác và mượt mà cho LMG LMG bao gồm thanh ray dẫn hình chữ M và có ổ bi giữa ray dẫn và phần dịch chuyển Bề mặt của LMG được bôi trơn để giảm ma sát trong quá trình dịch chuyển.
Bước của vit me liên quan đến đơn vị khoảng cách của bàn máy công cụ trong máy CNC Độ dài dịch chuyển của bàn máy tương ứng với một xung điều khiển từ bộ NC được định nghĩa là BLU (Basic Length Unit) – đơn vị độ dài cơ bản Chẳng hạn, nếu mỗi xung làm cho động cơ servo quay một độ và bàn máy dịch chuyển 0.0001mm, thì 1BLU sẽ tương đương với 0.0001mm.
Hình 2.9 Phần dẫn hướng chuyển động tịnh tiến và bộ truyền vít me bi c) Phần nối trục
Các vấn đề gặp phải với từng thành trong cấu trúc của bộ điều khiển
CNC trong điều kiện của nước ta
Giao diện bằng tiếng Anh hoặc các ngôn ngữ nước ngoài như Trung Quốc, Nhật Bản có thể gây khó khăn cho người dùng trong quá trình vận hành, sửa chữa và bảo trì Điều này cũng ảnh hưởng đến những người tham gia chuyển giao công nghệ.
Các thao tác trên máy có sự tương đồng giữa các hãng cung cấp, nhưng vẫn tồn tại những khác biệt nhất định Điều này có thể gây khó khăn cho người sử dụng và những người chuyển giao công nghệ.
Các giao diện MMI chủ yếu thông báo trạng thái làm việc của máy và cho phép thực hiện các thao tác kiểm tra cơ bản Tuy nhiên, việc mô phỏng hoạt động của máy trên các bộ MMI thường chỉ dừng lại ở các chương trình đơn giản do hạn chế về cấu hình và khả năng đồ họa Để đảm bảo sự ổn định, các chức năng của MMI thường được tối giản, dẫn đến khó khăn cho người sử dụng khi sửa chữa và điều chỉnh chương trình cho phù hợp với máy.
- Đối từng bộ điều khiển sẽ có các khối NCK khác nhau các thuật toán được thực thi trong khối cũng khác nhau tùy vào từng hãng cung cấp
Các bộ NCK có cấu trúc đóng, gây khó khăn cho người chuyển giao công nghệ và người sửa chữa trong việc hiểu rõ các tính năng hoạt động của chúng.
Giá thành phần cứng của PLC tương đối hợp lý, nhưng do cấu trúc đóng, việc can thiệp vào quá trình điều khiển trở nên khó khăn Để thực hiện thao tác với các chương trình điều khiển đã được nạp sẵn, người dùng cần sử dụng các công cụ phần mềm chuyên dụng, thường có giá thành cao.
Chương trình PLC thường phức tạp và chứa nhiều tham số, đặc biệt là đối với máy CNC cũ, việc sửa chữa trở nên khó khăn do tài liệu không đầy đủ Điều này khiến người bảo trì không biết cần thay đổi tham số nào cho phù hợp, dẫn đến việc sửa chữa tốn nhiều thời gian và người sửa chữa thường phải làm việc trong tình trạng không chắc chắn.
2.2.4 Tính chất điều khiển thời gian thực của hệ thống
Một trong những yêu cầu quan trọng nhất của bộ điều khiển CNC là khả năng điều khiển theo thời gian thực Nếu bộ điều khiển không đáp ứng được yêu cầu này, việc tính toán vị trí tiếp theo của dụng cụ trong quá trình tự động sẽ không chính xác, dẫn đến việc các động cơ không thể hoạt động theo quỹ đạo mong muốn Hệ thống điều khiển thời gian thực cũng mở ra khả năng áp dụng bộ điều khiển CNC vào các máy móc đặc thù khác.
Trên thị trường Việt Nam, các phần cứng cho bộ điều khiển hoạt động ở chế độ thời gian thực còn khan hiếm Phần lớn các thiết bị như Motion Card, DSP Card và biến tần để điều khiển động cơ đều phải được nhập khẩu.
Để đảm bảo việc điều khiển thời gian thực cho các phần cứng đã chọn, cần có một hệ thống hoạt động thời gian thực (RTOS) ngay cả khi phần cứng đáp ứng yêu cầu Điều này đặc biệt quan trọng khi sử dụng bộ điều khiển dạng PC-based, vì các hệ điều hành phổ biến như Windows và Linux không có tính chất realtime Do đó, cần xem xét sử dụng các thư viện hỗ trợ để các hệ điều hành này có thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian thực.
Các giải pháp cho những vần đề trên
Hiện nay với một bộ điều khiển PC-based có cấu trúc OpenCNC cho phép khắc phục được các vấn đề nêu trên cụ thể như sau:
MMI với bộ điều khiển PC-based sử dụng cấu trúc OpenCNC cho phép tùy chọn ngôn ngữ giao diện Người dùng có thể xây dựng cơ sở dữ liệu ngôn ngữ nếu bộ điều khiển chưa hỗ trợ Sau đó, các thiết kế này có thể được thực hiện trên phần mềm điều khiển hoặc đơn giản là chạy mô phỏng chính xác quá trình hoạt động của máy.
PLC cho phép sử dụng các module IO với chi phí thấp hơn, đồng thời đi kèm với phần mềm giá rẻ, giúp thao tác trực tiếp với hệ thống điều khiển một cách hiệu quả.
NCK và bộ điều khiển thời gian thực thường được cung cấp sẵn cho từng cấu trúc điều khiển mở và hoạt động ổn định Do đó, việc can thiệp vào chúng không cần thiết, trừ khi có các thuật toán nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động và phục vụ cho mục đích thí nghiệm.
Để phát triển ngành công nghệ CNC tại Việt Nam, cần áp dụng các đặc tính của hệ điều khiển có cấu trúc mở nhằm khắc phục những hạn chế như khả năng tùy biến thấp, tính đóng kín và giá thành cao Việc xem xét kỹ các tính năng, yêu cầu và xu hướng phát triển của hệ điều khiển CNC có cấu trúc mở là rất cần thiết Hiểu rõ những yếu tố này sẽ giúp định hướng rõ ràng trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm phù hợp trong tương lai Phần tiếp theo của luận văn sẽ trình bày chi tiết về xu hướng phát triển của các hệ thống điều khiển CNC, các hệ thống CNC có cấu trúc mở hiện nay, và ứng dụng hệ thống CNC có cấu trúc mở để xây dựng cơ sở dữ liệu cho phần mềm điều khiển dạng PC-based cho máy 3 trục CNC.
Hệ thống điều khiển CNC có cấu trúc dạng mở (Open-
Giới thiệu về hệ điều khiển cấu trúc mở OAC
Hệ thống mở OA (OS Open System) không phải là khái niệm mới trong kỹ thuật phần mềm Theo tổ chức IEEE 1003.0, OA là hệ thống cho phép các ứng dụng chạy trên nhiều nền tảng từ nhiều nhà cung cấp, tương thích với nhiều hệ điều hành và ứng dụng, đồng thời cung cấp giao tiếp chuẩn với người sử dụng Định nghĩa này khá rộng, dẫn đến một số nhóm nghiên cứu trong ngành sản xuất phát triển định nghĩa riêng G.S Koren tại Đại học Michigan định nghĩa OAC là bộ điều khiển tích hợp các thiết bị đo lường và phần mềm, cho phép truy cập vào các biến bên trong Trong khi đó, OSACA tập trung vào giao tiếp giữa các module phần mềm, định nghĩa OAC là tập hợp các thành phần rời rạc, với giao tiếp đã được quy định từ các nhà cung cấp khác nhau, nhằm tạo ra bộ điều khiển hoàn chỉnh, tương thích với nhiều nền ứng dụng và giao tiếp hiệu quả với người sử dụng cũng như các hệ thống tự động khác.
3.1.2 OAC trong máy công cụ CNC trong quá khứ, hiện tại và tương lai
Trước đây, thị trường máy công cụ CNC chủ yếu được chi phối bởi các hệ thống thiết bị hỗn hợp, bao gồm nhiều thành phần phần cứng và phần mềm không đồng nhất.
Sự liên kết chặt chẽ giữa phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng và phần cứng tạo ra các hệ thống phức tạp, khó bảo trì và phát triển Hệ thống CNC hiện đại tích hợp nhiều tính năng để sản phẩm gia công đạt chất lượng cao và giảm thời gian gia công, đang chuyển hướng sang giải pháp PC-based với môi trường chuẩn hóa và khả năng lắp ghép Cấu trúc hệ thống CNC sử dụng phần mềm hướng đối tượng cho phép thiết lập cấu hình dựa trên giao tiếp và nền tảng phần mềm đã định nghĩa Giao tiếp điều khiển mở là yếu tố quan trọng cho việc tích hợp các chức năng mới và quyết định khả năng tái cấu hình của hệ thống Phần cứng và phần mềm không đóng chặt mang lại lợi ích trong việc phát triển hệ thống dựa trên tiến bộ công nghệ thông tin và điện tử, cho phép sử dụng lại phần mềm và đơn giản hóa việc nâng cấp hệ thống chỉ bằng cách nâng cấp phần cứng.
Hình 3.1 PC- based, p hần mềm hệ thống điều khiển hướng đối tượng
Xu hướng phát triển các hệ thống điều khiển mở đang thúc đẩy sự tiến bộ trong phần cứng và phần mềm điều khiển, dẫn đến việc giảm giá thành phần cứng và tăng giá phần mềm ứng dụng cũng như phần mềm hệ thống Điều này mang lại lợi ích cho người sử dụng và phát triển, giúp giảm chi phí nâng cấp hệ thống nhờ tính tái sử dụng của phần mềm Đồng thời, chi phí sản xuất phần cứng cũng ngày càng giảm Ngoài việc tiết kiệm chi phí, hệ thống mở còn cung cấp nhiều lợi ích cho cả nhà cung cấp và người sử dụng, với mức độ mở cao và giao tiếp nội bộ trong hệ thống CNC, tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà thiết kế và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Hình 3.2 Phần cứng và phần mềm CNC Xu hướng thực tế –
Đối với người sử dụng, tính chất mở phía ngoài của hệ thống là rất quan trọng, vì nó cung cấp các phương pháp và tiện ích cho phép tích hợp ứng dụng theo nhu cầu cá nhân vào hệ thống điều khiển hiện tại Điều này bao gồm các giao diện tùy chỉnh cho người sử dụng và việc thu thập dữ liệu về sản phẩm và máy móc Tính chất mở phía ngoài (External Openness) chủ yếu dựa vào tính chất mở bên trong, nhưng có những giới hạn nhất định về chức năng và cách hoạt động.
Hệ thống điều khiển CNC là một hệ thống phức tạp, yêu cầu tính điều khiển thời gian thực và độ tin cậy cao Giao tiếp giữa phần cứng và phần mềm là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Trong hệ thống CNC, có hai loại giao tiếp chính: giao tiếp nội bộ (InI) và giao tiếp bên ngoài (ExI) Giao tiếp nội bộ thực chất là quá trình trao đổi dữ liệu giữa các thành phần để xây dựng lõi của hệ thống Một tiêu chuẩn quan trọng là hỗ trợ các thành phần chạy thời gian thực, đòi hỏi cấu trúc bên trong phải dựa trên khái niệm nền tảng xây dựng, nhằm giấu đi chi tiết phần cứng và thiết lập kết nối linh hoạt giữa các thành phần phần mềm Các API (giao diện lập trình ứng dụng) sẽ đáp ứng các yêu cầu này, cho phép các chức năng của hệ thống điều khiển được chia thành các thành phần phần mềm module và giao tiếp qua các API đã được định nghĩa trước.
Việc sử dụng hệ thống điều khiển mở mang lại nhiều lợi ích cho giao tiếp bên ngoài, kết nối hệ thống điều khiển với các khối quản lý cao hơn và thấp hơn, cũng như với người sử dụng Giao tiếp này có thể được chia thành giao tiếp lập trình và giao tiếp trao đổi thông tin Giao tiếp lập trình như NC và PLC tuân theo các tiêu chuẩn quốc tế hoặc quốc gia, chẳng hạn như RS-274 (G-code), DIN 66025, và IEC61131-3 Trong khi đó, giao tiếp trao đổi thông tin bị ảnh hưởng bởi nhiều tiêu chuẩn khác nhau, ví dụ như hệ thống Fieldbus với các chuẩn như SERCOS, Profibus và DeviceNet, được sử dụng cho việc kết nối các thiết bị dẫn động và thiết bị vào ra Ngoài ra, mạng LAN dựa trên Ethernet và TCP/IP cũng được sử dụng để giao tiếp với các hệ thống quản lý cao hơn như máy chủ.
Hình 3.4 Các giao tiếp bên trong và bên ngoài của hệ thố ng điều khiển 3.1.2 Tổng quan về thị trường bộ điều khiển có tính mở
Hình 3.5 Các tiêu chuẩn của hệ thống điều khiển mở
Hình 3.6 mô tả khái quát những đặc tính liên quan đến mức độ mở của hệ thống điều khiển hiện nay
Tiêu chuẩn Đặc tính Ví dụ
Phần cứng Phần cứng tiêu chuẩn với một hệ thống bus truyền tiêu chuẩn Điều khiển dnạg PC- based
Hệ điều hành Hệ điều hành tiêu chuẩn hoạt động thời gian thực (real-time)
Window, RTLinux, VxWorks Phần trung gian Phần trung gian tiêu chuẩn hoạt động thời gian thực
Chuẩn truyền thông vật lý (giao thức trao đổi thông tin)
Chuẩn truyền thông vật lý (giao thức trao đổi thông tin)
Giao tiếp nối tiếp(SERCOS )
Chuẩn truyền thông vật lý (giao thức trao đổi thông tin)
NC Ngôn ngữ lập trình NC theo tiêu chuẩn
PLC Ngôn ngữ lập trình PLC theo tiêu chuẩn
Sự tích hợp phần mềm HMI
Giao tiếp lập trình ứng dụng API theo tiêu chuẩn
Sự tích hợp phần mềm CNC
Giao tiếp lập trình ứng dụng API theo tiêu chuẩn
Các chu trình bien dịch
Bảng 3.1 Các đặc tính của hệ thống điều khiển mở
Mặc dù nhiều hệ thống điều khiển hiện nay cung cấp giao tiếp mở cho việc tích hợp phần mềm như OPC, nhưng vẫn chưa có một định nghĩa chung cho dữ liệu
Hình 3.6 Tổng quan về các hệ thống CNC thương mại hiện nay
3.1.2 Xu hướng phát triển của hệ điều khiển cấu trúc mở trong máy CNC
3.1.2.1 Các tiêu chuẩn đánh giá một hệ thống mở
Tính di động của một module ứng dụng (AM) cho phép nó hoạt động trên nhiều nền tảng khác nhau mà không cần thay đổi, đồng thời vẫn đảm bảo các tính năng hoạt động hiệu quả.
Tính mở rộng (Extendibility) nhiều AM có thể chạy trên một nền ứng dụng mà không bị xung đột với nhau
Tính tương tác (Interoperability) cho phép các AM hoạt động đồng bộ và trao đổi thông tin một cách hiệu quả theo các quy định đã được thiết lập trước.
Hình 3.7 Tiêu chuẩn của hệ thống điều khiển mở
Tính co dãn (Scalebility) của hệ thống điều khiển mở phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng và cách hoạt động của các AM, cũng như khả năng tương thích của phần cứng Để đáp ứng các tiêu chuẩn về tính mở của hệ thống, cần có những tính chất nhất định.
Việc cho phép tồn tại nhà cung cấp trung gian (vendor neutral) đảm bảo tính độc lập và công bằng trong việc tiếp cận các sản phẩm, tránh sự chi phối từ các lợi ích độc quyền của từng hãng cung cấp.
- Thống nhất: điều này được quản lý bởi một nhóm các nhà cung cấp và người sử dụng
- Dựa trên các tiêu chuẩn: để đảm bảo một sự phân phối rộng rãi theo các tiêu chuẩn
3.1.2.2 Phân loại các hệ thống điều khiển mở
Khi nói về một hệ thống mở thì chúng có thể là một trong các loại hệ thống mở , hình 3.9, như sau:
Hình 3.8 Mức độ mở của hệ thống điều khiển mở
HMI mở rộng chủ yếu giới hạn ở các thành phần không yêu cầu thời gian thực trong hệ thống điều khiển Các ứng dụng hướng tới người dùng, như GE Fanuc và Siemens, thường sử dụng môi trường phát triển trên Windows kết hợp với lõi NC để giải quyết vấn đề điều khiển chuyển động thời gian thực.
Lõi CNC với sự mở rộng bị giới hạn cho phép người dùng thêm các sự kiện tác động vào hệ thống thông qua các giao tiếp, đặc biệt trong các tính năng yêu cầu thời gian thực, như trong trường hợp của Sinumerik 840C với sự đồng ý từ Siemens Nhiều nhà cung cấp nhỏ đã phát triển giải pháp PC-based mở bằng cách gắn thêm các thẻ xử lý tín hiệu số DSP để điều khiển chuyển động, trong khi các hãng khác sử dụng hệ điều hành thời gian thực chạy song song với MS Windows trên cùng một bộ xử lý Để phát triển ứng dụng, người dùng cần có một API dựa trên nền tảng mở của nhà cung cấp.
Một số cấu trúc điều khiển dạng mở áp dụng cho máy CNC
Hình 3.12 thể hiện 3 loại hệ thống điều khiển CNC dạng mở trên thị trường hiện nay bao gồm :
1 - Một CNC hoàn chỉnh và một máy tính PC (Existing CNC + PC)
2 - Một mạch CNC và một máy tính PC (Board type CNC + PC)
3- Phần mềm định hướng CNC (Software – oriended CNC hoặc software type Controller based)
Hệ thống CNC + PC là một giải pháp điều khiển CNC kết hợp giữa bộ điều khiển CNC hoàn chỉnh, bao gồm phần điều khiển chuyển động MC và PLC, cùng với một máy tính cá nhân Ví dụ điển hình là các dòng máy FANUC series 150/160/180/210 Việc tích hợp PC nhằm nâng cao khả năng giao tiếp với người sử dụng, mặc dù hệ thống này vẫn giữ nguyên tính chất đóng.
Hệ thống điều khiển CNC kết hợp với PC là một giải pháp công nghệ tiên tiến, sử dụng một mạch PC mở rộng để hoạt động như một bộ điều khiển CNC và máy tính PC Sự kết hợp này mang lại hiệu suất cao và tính linh hoạt trong quá trình điều khiển máy móc.
Hệ thống PC-CNC kết hợp chặt chẽ giữa CNC và PC, tương tự như dạng Existing CNC + PC Một ứng dụng phổ biến là sử dụng card điều khiển chuyển động (MCC) kết nối với máy PC qua cổng PCI hoặc cổng máy in Card mở rộng này sử dụng khối xử lý tín hiệu số DSP để thực hiện tác vụ lõi NC theo thời gian thực, trong khi PC xử lý các chức năng không cần thời gian thực Hai CPU trao đổi thông tin qua kênh truyền của PC hoặc dual port RAM, tăng cường giao tiếp và tính linh động cho nhà chế tạo và người sử dụng Mô hình này đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều hãng cung cấp phần cứng và phần mềm như Delta tau, Advantect, Adlink, PMC… Sự đa dạng của sản phẩm yêu cầu người dùng lựa chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu của mình.
Hình 3.11 Các loại hệ thống điều khiển cấu trúc mở hiện nay a) CNC hoàn chỉnh + PC, b) Mạch CNC + PC, c) Phần mềm CNC
Phần mềm định hướng CNC cho phép thực hiện các chức năng cơ bản của CNC trên máy PC, với giao tiếp phần cứng thông qua các thiết bị vào ra như động cơ servo Giải pháp này lý tưởng cho các hệ thống mở hiện nay, nhờ vào sự phát triển của công nghệ phần cứng và phần mềm Các tác vụ trong lõi CNC có thể hoạt động thời gian thực với sự hỗ trợ của hệ điều hành RTOS, cho phép chuyển đổi từ hệ thống theo hướng thiết bị sang hệ thống hướng phần mềm.
Hình 3.12 mô tả các phần cứng và phần mềm đối với từng loại cấu trúc điều khiển CNC dạng mở
Hình 3.12 Phần cứng và phần mềm của một số loại hệ thống CNC
Hệ thống điều khiển mở CNC dạng phần mềm sẽ là xu hướng phát triển chính trong tương lai Để nâng cao tính mở của hệ thống CNC, cần có một nền tảng phát triển ứng dụng cùng các API chuẩn, giúp tích hợp dễ dàng các phần cứng điều khiển từ nhiều nhà sản xuất khác nhau Một số nhóm nghiên cứu đã giới thiệu các cấu trúc mở và API vào cuối thế kỷ 20, nhưng sự thiếu thống nhất giữa các hệ thống đã gây khó khăn cho việc phát triển phần mềm điều khiển Bài viết này sẽ trình bày tổng quan về các cấu trúc phần mềm mở hiện nay và so sánh các đặc tính ứng dụng của chúng trong một ứng dụng cụ thể.
Một số cấu trúc phần mềm CNC dạng mở (Software – controlled CNC)
Trong các hệ thống điều khiển mở không phụ thuộc vào nhà cung cấp hiện nay, ba hệ thống nổi bật nhất là OMAC, OSACA và OSEC Bài viết này sẽ lần lượt phân tích các đặc điểm của từng hệ thống Để giữ nguyên ý tưởng của các nhà phát triển, các thuật ngữ và tên thành phần trong cấu trúc sẽ được giữ nguyên bằng tiếng Anh theo sự thống nhất của các nhóm phát triển, điều này sẽ giúp thuận tiện hơn cho việc tiếp cận các hệ thống trong tương lai.
3.3.1 OMAC (Open Modular Architecture Controller) hệ thống điều khiển cấu trúc module mở
Năm 1994, ba nhà sản xuất ô tô lớn tại Mỹ đã công bố các yêu cầu về hệ thống điều khiển module mở trong tương lai OMAC không xác định một cấu trúc tham chiếu cố định, mà cung cấp một tập hợp các module để xây dựng các hệ thống điều khiển khác nhau Hiện tại, hệ thống API có 14 module phức tạp, được viết bằng ngôn ngữ định nghĩa giao tiếp IDL (Interface Definition Language), với nhiều module bao hàm các phần nhỏ khác Ví dụ, module Axis bao gồm hơn 10 phần nhỏ và hơn 400 thao tác, cho thấy sự mô tả chi tiết của các module được đưa đến mức tối đa.
Hình 3.13 H ệ thống điều khiển dựa trên cấu trúc module của OMAC
Hình 3.13 minh họa các module của OMAC và cách kết nối chúng để hình thành hệ thống điều khiển OMAC hỗ trợ cấu trúc nội bộ của các module thông qua việc định nghĩa các trạng thái cuối của FSMs Mặc dù OMAC đã bắt đầu đề cập đến các vấn đề như HMI, môi trường thời gian thực trên Windows, và một ngôn ngữ lập trình NC mới, nhưng hiện tại vẫn chưa có kế hoạch cụ thể, dẫn đến tốc độ phát triển chậm.
3.3.2 OSACA (Open System Architecture for Controls within
Automation Systems) hệ thống cấu trúc mở cho điều khiển các hệ thống tự động
Trong dự án OSACA (Pritchow, 1992), các tổ chức như trường đại học, nhà sản xuất máy công cụ và nhà cung cấp hệ thống điều khiển đã hợp tác để phát triển một hệ thống cấu trúc mở với đặc tính vendor-neutral Kết quả của dự án này là sự ra đời của hai thành phần cơ bản.
Một API chung, độc lập về hạ tầng cấu trúc thông tin, được gọi là nền phát triển ứng dụng của OSACA (OSACA platform) Hiện tại, có khoảng 6-8 nền tảng OSACA đang tồn tại API này có thêm các tầng dưới để quản lý các loại đối tượng khác nhau như sự kiện, biến và hành động, nhằm trao đổi thông tin hiệu quả.
Hình 3.14 Nền lập trình với các đối tượng ứng dụng cơ bản (OSACA, 1997)
Cấu trúc tham chiếu định nghĩa các module OSACA cơ bản, với các hình hộp nhỏ trên hình 3.15, xác định chức năng của chúng Trong OSACA, các chức năng của lõi NC được phát triển một cách chính xác, bao gồm điều khiển chuyển động, điều khiển các trục, điều khiển trục chính và quản lý chuyển động Tuy nhiên, các phần khác như PLC, với vai trò là chức năng điều khiển logic, vẫn chưa được định nghĩa rõ ràng.
Hệ thống cấu hình dễ dàng sử dụng giúp hỗ trợ tổng hợp các đối tượng ứng dụng cần thiết cho hệ thống điều khiển, đồng thời cũng đơn giản hóa việc quản lý khởi tạo của hệ thống này.
OSACA gặp vấn đề lớn do không có bất kỳ cải tiến nào kể từ năm 1998, khi dự án EC ngừng hoạt động công khai Được thiết kế vào đầu những năm 90, nhiều giải pháp phần mềm hiện tại đã trở nên không phù hợp, đặc biệt là trong việc đặt tên các biến.
3.3.3 OSEC(Open System Environment for Controller) môi trường hệ thống mở cho các hệ thống điều khiển Ở Nhật bản một số các nhà cung cấp quan trọng đã thiết lập một nhóm để phát triển một hệ thống điều khiển mở bằng tiếng Nhật Sau đó nhiều sự cố gắng tương tự của các nhóm nghiên cứu liên quan đến tự động hóa các xí nghiệp đã kết hợp với nhau dưới sự quản lý của JOJ (Japan FA Open System Promotion Group) OSEC ra đời tập trung chủ yếu vào nền phát triển ứng dụng PC và môi trường Windows và nó không cho phép điều khiển phân tán
Hình 3.15 Cấu trúc OSEC (OSE, 1998)
OSEC định nghĩa 7 lớp mô hình tương tự như mô hình OSI, tập trung vào giao tiếp lập trình giữa các lớp khác nhau thông qua trường quản lý thông điệp Hệ thống OSEC cũng cung cấp các hàm ngôn ngữ C riêng biệt cho từng lớp, mặc dù chỉ có một số chức năng nhất định là bắt buộc trong hệ thống điều khiển này.
JOP đã giới thiệu một API mới có tên PAPI để kết nối giữa lõi NC và HMI Tuy nhiên, OSEC và PAPI không tương thích, khiến việc ánh xạ các hàm giữa hai API này trở nên khó khăn, mặc dù chúng có cùng ý nghĩa logic.
So sánh các cấu trúc hệ thống điều khiển mở
3.4.1 So sánh vể tập API (Bảng 3.2)
Hệ thống OMAC được phát triển với mức độ trừu tượng hóa và logic cao hơn, cho thấy sự tiên tiến và chi tiết hơn so với các hệ thống khác.
Logic Hướng đối tượng Hướng chức năng Thành phần hướng đối tượng Tính chất nhân Tốt Nhiều phần lớn Nhiều phần nhỏ
Ngôn ngữ C++ C IDL Độ phức tạp ~100 đối tượng
150 hàm Hơn 1000 hàm cùng nhiều kiểu dữ liệu Ưu điểm Kích thước nhân chương trình nhỏ
Dễ hiểu Hoàn thiện nhất
Nhược điểm Sử dụng các biến thay có các hàm
Không thực hiện theo hướng đối tượng
Bảng 3.2 Các đặc tính khác nhau của các API
3.4.2 So sánh về cấu trúc tham chiếu
Bảng 3.3 so sánh các cấu trúc mở dựa trên các tiêu chí như cấu trúc, số lượng module và số lượng module áp dụng trong một ứng dụng lý thuyết.
Cấu trúc Hướng đối tượng Hướng chức năng Thành phần hướng đối tượng
Các module dùng theo lý thuyết
Từ 4 đến 9 Tất cả Tất cả
Mức độ ứng dụng Chấp nhận được trong một số lĩnh vực
Chấp nhận được trong một số lĩnh vực
Mô tả phần trong của các module
Chưa được định nghĩa Được mô tả bởi các FSM
Bảng 3.3 So sánh về đặc tính của cấu trúc tham chiếu
Cấu trúc OMAC sở hữu số lượng module lớn hơn so với hai loại còn lại, đồng thời được mô tả chi tiết hơn về quy trình xử lý bên trong các module Điều này mang lại tính linh hoạt cao, cho phép áp dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
3.4.3 So sánh về hạ tầng thông tin
Bảng 3.4 so sánh hạ tầng thông tin cho các ứng dụng, bao gồm nền phát triển, môi trường làm việc và công cụ thao tác OMAC nổi bật với khả năng mở cho nhiều nền tảng phát triển phần mềm, trong khi OSACA cần một nền tảng riêng để hoạt động, gây khó khăn trong việc phát triển ứng dụng mới OSEC lại bị giới hạn trong môi trường lập trình PC/Windows.
Nền ứng dụng Định nghĩa riêng Định nghĩa riêng Bất kỳ
PC-intel Nhiều loại Chỉ dùng một loại Bất kỳ
Windows Nhiều loại Chỉ dùng một loại Bất kỳ
Ngôn ngữ lập trình C/C++ C/C++ C/C++/Java
Tính hiện đại Lỗi thời Lỗi thời Mới
Bảng 3.4 So sánh về đặc tính của hạ tầng thông tin áp dụng cho các cấu trúc
OMAC sẽ được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển, mang lại cho người phát triển nhiều lựa chọn về phần cứng và môi trường phát triển liên quan.
3.4.4 Tính tương đồng của các loại cấu trúc mở (Bảng 3.5)
Theo bảng 3.5, các cấu trúc mở được chia thành nhiều phần nhỏ với chức năng riêng biệt Mặc dù có các thuật ngữ và tư duy khác nhau về cách phân chia và tương tác giữa các module, tất cả yêu cầu cơ bản của hệ thống điều khiển CNC đều được mô tả trong các cấu trúc này.
Cấu trúc OMAC chia nhỏ các module để đảm nhiệm các chức năng đặc thù, trong khi hai hệ thống OSEC và OSACA có sự tổng hợp hơn Về khả năng phát triển hệ thống nhanh chóng, OSEC và OSACA có nhiều ưu điểm hơn OMAC Tuy nhiên, OMAC lại chiếm ưu thế về tính linh hoạt và khả năng mở rộng Nhờ vào OMAC, người phát triển có thể thực hiện các thao tác rõ ràng và xây dựng một mô hình hệ thống với đầy đủ yêu cầu của hệ thống CNC.
Part Program Interpreter Interpreter/Machining
Task Coordination Machining Process Control
Axis Group Trajectory Control Axis Control (Axis Group)
Axis Axis Control Axis Control
Human Interface Agent Communications Man-Machine Control
Discrete Control Discrete Event Control Logic Controls
Communications Communications Man-Machine Control
Bảng 3.5 Sự tương đồng về chức năng của các hệ thống điều khiển cấu trúc mở
Qua phân tích và so sánh các đặc tính của hệ thống điều khiển có cấu trúc mở, việc phát triển một hệ thống điều khiển mở vẫn là một thách thức lớn Các so sánh cho thấy rằng người phát triển cần chọn một loại hệ thống làm điểm khởi đầu, vì việc kết hợp các hệ thống khác nhau là rất khó khăn Rõ ràng, không thể xây dựng một hệ thống điều khiển mở dựa trên cấu trúc của OSACA và OMAC đồng thời.
Hệ thống OMAC được đánh giá là tiềm năng nhưng có nhược điểm là cấu trúc API phức tạp Để đơn giản hóa OMAC, cần chia các phương thức của các module thành phần bắt buộc và tùy chọn, giữ lại những module quan trọng trong phần bắt buộc Việc này sẽ tạo ra một hệ thống điều khiển cơ bản, từ đó phát triển các hệ thống phức tạp hơn với các module bổ trợ Nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển CNC tại Việt Nam dựa trên cấu trúc mở OMAC là một hướng đi phù hợp, giúp hình dung rõ ràng về các thành phần, tính năng thiết yếu và thao tác trong hệ thống Điều này sẽ hỗ trợ trong việc đề xuất mô hình hệ thống phù hợp, giải pháp cho từng module nhằm tăng tính chính xác, lựa chọn phần cứng thích hợp và nâng cao tư duy về hoạt động của hệ thống điều khiển CNC Dựa trên những ưu điểm của OMAC, phần tiếp theo sẽ đề xuất mô hình hệ thống điều khiển CNC phát triển từ OMAC, trình bày dưới dạng các module chức năng để cung cấp cái nhìn rõ ràng và ứng dụng trong các nghiên cứu tương lai.
Xây dựng cấu trúc của bộ điều khiển PC-based cho máy
trục
Việc phân chia các chức năng của hệ thống điều khiển CNC thành các module riêng biệt giúp đơn giản hóa quá trình phân tích cấu trúc hệ thống Các hệ thống này được thiết kế dựa trên yêu cầu ứng dụng cụ thể, cho phép lắp ráp các khối module để đạt được các tính năng cần thiết Nhờ vào sự phân chia rõ ràng về nhiệm vụ và khả năng giao tiếp linh hoạt giữa các module thông qua FSM và CPU, quá trình xác định qui trình hoạt động của hệ thống trở nên dễ dàng hơn Khi cần thay đổi thao tác, chỉ cần điều chỉnh quá trình xử lý của các module mà không cần thay thế toàn bộ Khả năng tùy biến tính năng của các module cho phép lập trình viên thêm thuật toán điều khiển để kiểm tra và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Với các module chức năng, công việc xây dựng và chuyển giao hệ thống trở nên thuận lợi hơn, đồng thời việc sửa chữa cũng đơn giản hơn so với các hệ thống CNC truyền thống.
Các module này sẽ là nền tảng để phát triển một API phục vụ cho việc lập trình các hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là trong lĩnh vực chuyển động và các máy công cụ CNC.