Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ NÂNG CẤP BỘ ĐIỀU KHIỂN TÍCH HỢP PHẦN MỀM MACH CHO MÁY PHAY CNC FESTO STUDYING ON DESIGNING AND UPGRADING CONTROLLER INTEGRATED MACH SOFTWARE FOR FESTO CNC MILLING MACHINE Bùi Tuấn Anh1a, Phạm Văn Hùng1b Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội a anh.buituan@hust.edu.vn; bhung.phamvan@hust.edu.vn TÓM TẮT Máy phay CNC Festo 2,5D đưa vào phục vụ thí nghiệm nghiên cứu Trường Đại học Bách Hhoa Hà Nội từ đầu năm 1990 Bộ điều khiển tích hợp phần mềm điều khiển TICAS chế tạo đồng theo tiêu chuẩn hãng Festo Tuy nhiên phần mềm TICAS phát triển môi trường DOS đến không phù hợp Bài viết trình bày phân tích đưa giải pháp thiết kế, chế tạo điều khiển CNC đại với tính bản, bao gồm: điều khiển trục chạy dao; quản lý hành trình; tạm dừng dừng khẩn cấp; đóng-mở động trục Cùng với việc sử dụng phần mềm lập trình tự động chuyên nghiệp để tạo chương trình gia công biên dạng khác tác giả thực nghiệm số loại vật liệu thông dụng Kết cho thấy, máy phay CNC Festo hoạt động ổn định với hệ điều khiển Chất lượng gia công đạt yêu cầu đề Từ khóa: máy phay CNC Festo, điều khiển, phần mềm điều khiển ABSTRACT The Festo 2.5D CNC milling machine was used for experiment and research at the Hanoi University of Science and Technology since the beginning of 1990 The controller integrated TICAS control software was manufactured according to synchronous standards of the Festo company However, the TICAS software developed on DOS environment is no longer appropriate for modern CNC machines This article presents an analysis and a design solution to build a modern CNC controller with basic features, including 3-axis toolpath control; manage of movements; pause and emergency stop; closed-open the spindle motor Along with the use of a professional automated programming software to create NC programs for machining different profiles was experimented on some common materials Results showed that, The Festo CNC milling machine has operated stably with the new control systems The quality of machining achieved has also met the requirements Keywords: Festo CNC milling machine, controller, control software GIỚI THIỆU Máy phay CNC mini Festo đưa vào phục vụ thí nghiệm nghiên cứu sinh viên khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội từ năm 1990 Máy phay CNC Festo thuộc dạng máy phay 2.5D có khả gia công biên dạng khác mặt phẳng XY với chiều sâu gia công thiết lập trước Kích thước bàn máy xấp xỉ 700 x 500 mm tương ứng theo hai phương X Y Các trục chạy dao dẫn động động bước độc lập Bộ điều khiển chế tạo đồng theo tiêu chuẩn hãng Festo, nhiên phần mềm điều khiển TICAS tích hợp điều khiển xây dựng môi trường DOS lạc hậu, không linh hoạt Hơn nữa, điều khiển không hoạt động sửa chữa thiếu linh kiện thay Do đó, việc thiết kế, chế tạo điều khiển tích hợp phần mềm đại, ứng dụng cho máy phay CNC Festo cần thiết 166 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV sở cho việc sửa chữa, thay điều khiển máy phay tương tự tương lai Hình mô tả giao diện phần điều khiển TICAS môi trường DOS điều khiển máy Festo hoạt động Hình Giao diện phần mềm điều khiển TICAS máy phay Festo Tủ điều khiển lắp đặt phận điều khiển động bước dẫn động trục X, Y Z, chúng kết nối với máy tính thông qua cổng giao tiếp RS 232 công suất nhỏ Vì vậy, giải pháp thiết kế chế tạo điều khiển CNC tích hợp phần mềm Mach thực nhằm thay điều khiển cũ, khôi phục hoạt động máy phay CNC Festo Bộ điều khiển phải đảo bảo nhiệm vụ bao gồm việc khởi động, dẫn dắt kết thúc xác chuyển động máy chuyển động trục chính, chuyển động chạy dao; Biến đổi tốc độ, lực, mômen hay công suất xích động theo yêu cầu điều khiển; Định vị xác đối tượng chuyển động để đảm bảo độ xác tương quan dao phôi [1-4] PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC FESTO TÍCH HỢP PHẦN MỀM MACH3 2.1 Phần mềm điều khiển máy Trên thực tế có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế tích hợp vào hệ thống điều khiển máy CNC Các phần mềm chia theo hai hướng phần mềm thương mại phần mềm mã nguồn mở Phần mềm thương mại cung cấp cho người dùng đầy đủ tính phần mềm, với hướng dẫn hỗ trợ kỹ thuật tin cậy từ hãng sản xuất, nhiên người dùng sửa đổi, cải tiến phát triển phần mềm Phần mềm mã nguồn mở cung cấp dạng mã nguồn, người sử dụng phát triển, sửa đổi, cải tiến nâng cấp theo nguyên tắc chung Các phần mềm điều khiển máy điều khiển số đại xây dựng môi trường Windows Mill Master For Windows, Kcam, NC Studio, Mach 3,… ngày ứng dụng rộng rãi Mỗi phần mềm điều khiển có đặc trưng riêng, thể điểm mạnh hạn chế Mach phần mềm điều khiển số hãng ArcSoft, xây dựng hệ điều hành Windows Giao diện trực quan, tùy biến hoàn toàn theo ý người sử dụng Phần mềm dễ sử dụng với thao tác chuột đơn giản Có thể dùng với hình cảm ứng Phần mềm có khả điều khiển máy CNC trục với đầy đủ tính điều khiển Ngoài chức bản, phần mềm cung cấp nhiều chức phụ khác tương tự phần mềm hoàn thiện cho máy công cụ công nghiệp Mach cho phép nhập mã lệnh G-code trực tiếp chương trình, nhập file G-code tạo từ phần mềm CAM thông dụng [5] Với ưu điểm giao diện thân thiện, dễ dàng thiết lập thông 167 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV số điều khiển,… Phần mềm Mach nhóm tác giả lựa chọn làm phần mềm điều khiển thực giải pháp thiết kế, nâng cấp điều khiển CNC cho máy phay Festo 2.2 Thiết kế điều khiển máy phay CNC tích hợp phần mềm Mach Trên máy công cụ điều khiển số, chuyển động bàn máy tính toán, điều khiển, dẫn động động vô cấp, độc lập Máy phay CNC Festo có chuyển động chạy dao theo trục X, Y Z, dẫn động động bước độc lập Hình mô tả sơ đồ nguyên lý điều khiển chuyển động chạy dao nhóm tác giả nghiên cứu, ứng dụng Theo đó, động bước điều khiển thông qua driver độc lập Các driver có nhiệm vụ cung cấp xung, tần số xung nguồn động lực cho động bước tương ứng Hình Sơ đồ nguyên lý điều khiển chuyển động chạy dao [6] Các driver điều khiển động kết nối với card điều khiển (Mach 3, NC studio,…) kết nối với máy tính điều khiển thông qua cổng giao tiếp song song cổng USB Việc thiết kế, chế tạo điều khiển sử dụng card Mach lựa chọn phương án thiết kế nâng cấp điều khiển cho máy phay CNC Festo Mô đun điều khiển động bước TB6560 mô đun chuyên dụng để điều khiển loại động bước lưỡng cực Mô đun có chế độ điều khiển nguyên bước, nửa bước vi bước Phương pháp điều khiển đơn giản, cho phép tùy chọn dòng điều khiển động từ 0,3A đến 3A Hình mô tả sơ đồ khối Driver TB6560 Động dẫn động bàn máy cụm trục chuyển động theo phương X, Y, Z kết nối với mạch điều khiển riêng biệt nối với máy tính điều khiển tích hợp phần mềm card Mach Trên máy phay CNC Festo, động dẫn động chạy dao thiết kế động bước có thông số bản, bao gồm: Ký hiệu ECM268-E2.8B-1; Hãng sản xuất: SC- JAPAN; Góc bước: 1,8º; Số pha: pha; Dòng lớn nhất: 4.0 A; Độ xác góc bước: 5 % toàn chiều dài chuyển động Các phận Card Mach bao gồm: IC đệm 74HC245 có chức đệm liệu chiều, có nhiệm vụ tăng “Công suất” tăng “Cường độ đòng điện cho tải”; IC 7805 với mục đích tạo ngồn 5V; Tụ điện đảm bảo ổn định nguồn 5V; Opto phận cách ly quang; Đèn led điện trở 330 Ω có tác dụng hiển thị tín hiệu đầu Hình mô tả cấu trúc card điều khiển Mach thiết kế phần mềm Proteus 168 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN CÁCH LY QUANG NGUỒN DRIVER ĐỘNG CƠ BƯỚC THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ ĐỘNG CƠ BƯỚC Hình Sơ đồ khối Driver TB6560 Hình Card Mach thiết kế phần mềm Proteus Hình Hệ thống máy phay CNC Festo với điều khiển tích hợp phần mềm Mach Ngoài ra, để điều khiển máy thực xác yêu cầu gia công, điều khiển tích hợp phận quản lý hành trình dịch chuyển bàn máy; quản lý đóng/mở động trục chính; dừng khẩn cấp; phận cảnh báo an toàn,… Thực vậy, điều khiển máy phay CNC Festo thiết kế, chế tạo, lắp đặt với yêu cầu nói Tác giả 169 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV tiến hành thử nghiệm vận hành điều khiển máy thực gia công số loại vật liệu thông dụng gỗ thông tự nhiên, gỗ công nghiệp,… Các chương trình NC tạo với hỗ trợ phần mềm hỗ trợ chuyên dụng Kết thử nghiệm cho thấy, máy phay CNC Festo hoạt động ổn định với điều khiển Tuy nhiên, để nâng cao khả gia công máy, chế độ gia công vật liệu gia công khác thử nghiệm nhằm tìm thông số phù hợp Hệ thống máy phay CNC Festo với điều khiển tích hợp phần mềm Mach mô tả Hình 2.3 Thiết lập điều khiển máy phay CNC FESTO Phần mềm điều khiển Mach thể tính linh hoạt cho phép người sử dụng thiết lập thông số điều khiển hệ đơn vị, tần số xung cấp cho động Lựa chọn đơn vị phải phù hợp với việc tính toán thông số phần tử lắp đặt thiết bị, thông thường nên chọn với hệ đơn vị với vít me - đai ốc bi sử dụng việc dẫn động trục chạy dao Thông số cổng giao tiếp LPT dễ dàng thiết lập phần mềm điều khiển Các thông số địa chị Pin/Port ban đầu cần cài đặt phù hợp với mạch điều khiển thiết kế Mach làm việc với tần số 25.000 Hz, 35.000 Hz, 45.000 Hz tùy thuộc vào tốc độ vi xử lý máy tính Tần số 25.000 Hz thích hợp hệ thống điều khiển động bước Ngoài ra, số xung mm S (bước sở) tính toán thiết lập phần mềm điều khiển thông qua thông số: góc bước nhỏ động (a), điều khiển vi bước (b), bước ren vít me dẫn động (c), tỷ số truyền từ động tới vít me (d) Trên máy phay Festo, động dẫn động trục X, Y cụm trục có bước a =1,80; điều khiển vi bước b =1/8; bước vít me mm; tỷ số truyền d =1 Do số xung mm (S) tính sau: S 360.d a.b.c 360.1 320 (bước/mm) 1 1,8 8 (1) Vận tốc chạy không lớn nhất: V0 f a.b.c 60 4, 687 (m/ph) 360.d 1000 (2) Hình Cài đặt thông số động chạy dao trục X Hình minh họa việc cài đặt thông số động chạy dao trục X phần mềm điều khiển Mach 3; trục chạy dao Y Z tính toán thiết lập tương tự 170 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 2.4 Kết thử nghiệm gia công máy phay CNC Festo Với mục đích kiểm tra ổn định gia công máy phay Festo tích hợp hệ thống điều khiển thiết kế chế tạo, số chương trình gia công với vật liệu khác xây dựng để tiến hành chạy thử nghiệm Trong nghiên cứu này, gỗ thông tự nhiên lựa chọn làm vật liệu gia công thử nghiệm Như phân tích trên, phần mềm Mach cho phép người vận hành lập trình trực tiếp, nhiên công việc phù hợp gia công biên dạng đơn giản Với hỗ trợ phần mềm CAM, chương trình gia công phức tạp bao gồm bề mặt 3D dễ dàng tạo Khi đó, người vận hành tiến hành kiểm tra điều chỉnh thông số phù hợp với chế độ gia công máy Trình tự vận hành phải tuân thủ nguyên tắc vận hành an toàn máy công nghiệp khác, như: Kiểm tra máy, khởi động máy tính hệ thống điều khiển; Chuẩn bị gá lắp phôi dụng cụ gia công; Nạp liệu Gcode vào máy; Load G-code; Thiết lập gốc tọa độ; Chạy theo dõi chương trình Hình Giao diện Mach thực chương trình gia công Hình Thực hành gia công máy phay CNC Festo Khi chương trình gia công thực hiện, người vận hành thay đổi thông số công nghệ phù hợp với điều kiện thực tế Việc quan sát phận cảnh báo thao tác 171 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV dừng chương trình dễ dàng thực hình Hình mô tả giao diện phần mềm Mach thực chương trình gia công Hình ảnh mô tả trình gia công thử nghiệm tranh gỗ gỗ thông tự nhiên minh họa Hình Chương trình gia công thiết lập với trợ giúp từ phần mềm ArtCam Theo đó, trình gia công thực thông qua hai bước: gia công thô gia công tinh Giai đoạn gia công thô thực với dao phay ngón 6, tốc độ quay trục n = 10000 vòng/phút, lượng chạy dao F = 2000 mm/phút Dao khắc nhọn 6, góc 300 lựa chọn cho trình gia công tinh Tốc độ quay trục lượng chạy dao lựa chọn tương ứng 15000 vòng/phút 2700 mm/phút Lưu ý rằng, thông số công nghệ tác giả chọn thử nghiệm để đánh giá tính điều khiển máy điều khiển Kết ban đầu cho thấy, máy phay CNC Festo hoạt động ổn định với điều khiển Chất lượng bề mặt gia công phù hợp với yêu cầu thiết kế Tuy nhiên, để đánh giá đầy đủ khả độ xác gia công máy, cần thiết phải tiến hành gia công thử nghiệm nhiều loại vật liệu chế độ cắt khác Tổng hợp, phân tích đánh giá kết để tìm thông số công nghệ phù hợp với loại vật liệu Đây công việc nhóm tác giả triển khai thực KẾT LUẬN Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo điều khiển tích hợp phần mềm Mach thay điều khiển tích hợp phần mềm TICAS giúp nâng cấp máy phay CNC Festo 2,5D trở thành máy phay CNC 3D Bộ điều khiển tích hợp phần mềm điều khiển TICAS phát triển môi trường DOS thay điều khiển mới, linh hoạt, có khả điều khiển đồng thời trục chạy dao; quản lý hành trình; tạm dừng dừng khẩn cấp; đóngmở động trục Máy phay CNC Festo hoạt động ổn định thực việc thử nghiệm gia công chi tiết có biên dạng phức tạp vật liệu gỗ thông tự nhiên Chất lượng gia công phù hợp với yêu cầu thiết kế đề Quá trình thử nghiệm gia công để tìm thông số công nghệ phù hợp cho vật liệu thông dụng triển khai Việc thiết kế, chế tạo thành công điều khiển cho máy phay CNC Festo giúp ích việc chủ động sửa chữa, thay điều khiển máy phay tương tự tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạ Duy Liêm, Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ, NXB KH&KT, 2001 [2] Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số công nghiệp, NXB KH&KT, 2003 [3] Đặng Xuân Phương, Máy công cụ phương pháp lập trình gia công,NXB Đại học Nha Trang, 2011 [4] Suk-Hwan Suh, Seong Kyoon Kang, Dae-Hyuk Chung, and Ian Stroud, Theory and Design of CNC Systems: Springer-Verlag London, 2008 [5] http://www.machsupport.com/software/mach3/ Available: http://www.machsupport.com/software/mach3/ [6] http://www.probotix.com Available: http://www.probotix.com/CNC-CONTROL-SYSTEMS THÔNG TIN TÁC GIẢ Bùi Tuấn Anh Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Điện thoại: 0977.535.066 Phạm Văn Hùng, Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 172 ... PHÂN TÍCH THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC FESTO TÍCH HỢP PHẦN MỀM MACH3 2.1 Phần mềm điều khiển máy Trên thực tế có nhiều phần mềm phục vụ cho việc thiết kế tích hợp vào hệ thống điều khiển máy. .. thực KẾT LUẬN Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo điều khiển tích hợp phần mềm Mach thay điều khiển tích hợp phần mềm TICAS giúp nâng cấp máy phay CNC Festo 2,5D trở thành máy phay CNC 3D Bộ điều khiển. .. thông số phù hợp Hệ thống máy phay CNC Festo với điều khiển tích hợp phần mềm Mach mô tả Hình 2 .3 Thiết lập điều khiển máy phay CNC FESTO Phần mềm điều khiển Mach thể tính linh hoạt cho phép người