Đổi mới quản lý nhà nước về tiền lương trong các loại hình doanh nghiệp đến năm 2020

ờ các bộ cảm biến hoặc các bộ chuyển đổi đo lường. Một số loại DAQ Hiện nay NI đã phát triển các thiết bị DAQ đa năng, bao gồm: M Serial DAQ, S Serial Multifuntion DAQ, R Serial- Intelligent DAQ 236 2.4. Thiết kế bài giảng mô phỏng ứng dụng LabVIEW 1. Yêu cầu khi thiết kế bài giảng mô phỏng ứng dụng LapVIEW Khi ứng dụng LabVIEW thiết kế bài giảng mô phỏng phải đảm bảo các yêu cầu: yêu cầu về học thuật, yêu cầu về sư phạm, yêu cầu về kỹ thuật, yêu cầu về hiệu quả kinh tế, yêu cầu về hiệu quả xã hội, tính dễ sử dụng. 2. Quy trình thiết kế bài giảng mô phỏng không có kết nối thiết bị ngoại vi Bài giảng mô phỏng không có kết nối thiết bị ngoại vi là bài giảng chỉ sử dụng các khối thiết bị ảo được thiết kế trong phần mềm LapVIEW. Quy trình gồm các bước sau: 1/ Xác định mục tiêu bài học Mục tiêu là cái đích cần phải đạt tới sau mỗi bài học, do chính giảng viên đề ra để định hướng hoat động dạy học. Xác định mục tiêu đúng, cụ thể mới có căn cứ để tổ chức hoạt động dạy học khoa học và đánh giá khách quan, lượng hóa kết quả dạy học. Mục tiêu trong giáo dục kỹ thuật nghề nghiệp gồm ba yếu tố: kiến thức, kỹ năng, thái độ hình thành ở người học sau bài học. 2/ Lựa chọn những nội dung trọng tâm cần thiết kế bài giảng mô phỏng Việc xác định nội dung môn học để mô phỏng cần được xem xét kỹ cả về yêu cầu cũng như mức độ triển khai để có hiệu quả thiết thực. Không nên áp dụng mô phỏng cho toàn bộ bài giảng. Nội dung mô phỏng tập trung vào những cơ chế, quá trình động xảy ra bên trong mà không thể quan sát trực tiếp được hoặc những quá trình phức tạp khó hình dung, hoặc diễn ra trong một thời gian dài mà với khuôn khổ một tiết học không mô tả được. 3/ Mô hình hoá hệ thống cần mô phỏng Sau khi lựa chọn được nội dung trọng tâm của bài học, cần thực hiện mô hình hóa đối tượng cần mô phỏng. Để thực hiện bước này phải phân tích thật kỹ nội dung cần mô phỏng, phân tách ra được những thành nội dung nhỏ để có thể trực quan hóa bằng hình vẽ, bằng biểu tượng, bằng đồ thị, bằng dạng sóng, bằng bảng biểu, bằng âm thanh Để thiết bị ảo tăng tính giống thiết bị thực thì ngoài việc xây dựng mã nguồn mô tả phương trình động học của thiết bị thực, cần phải xây dựng giao diện sử dụng của thiết bị ảo giống như thiết bị vật lý được mô phỏng. 237 4/ Xây dựng kịch bản, viết chương trình mô phỏng Khi xây dựng bài giảng mô phỏng phải bảo đảm sự đồng bộ giữa thiết bị, nội dung và phương pháp, tạo ra được mâu thuẫn, kích thích hứng thú của sinh viên; phối hợp chặt chẽ giữa các bước chuyển động của hình vẽ phù hợp với phương pháp angorit và các tình huống nêu vấn đề. Để xây dựng một chương trình trên LabVIEW cần thực hiện theo các bước sau: + Thiết kế giao diện mặt máy (Front panel): Tạo một VI mới bằng cách chọn File >> New VI. Đặt các Control và Indicator cần thiết lên Front Panel bằng công cụ Position Tool , nháy phải chuột vào một Con- trol và chọn Properties từ thực đơn kéo xuống để thay đổi các thuộc tính của chúng. + Xây dựng mã nguồn trên Block diagram: Chọn Window >> Show Block diagram (hoặc nhấn tổ hợp phím Control+E) để bật cửa sổ soạn mã lệnh Block diagram của VI. + Chạy chương trình: Tại cửa sổ Front Panel chọn công cụ Operation Tool để nhập các thông số đầu vào và kích hoạt chương trình kiểm tra lỗi và đánh giá thuật toán. + Lưu chương trình vào đĩa: Ghi chương trình với đuôi mở rộng *.VI bằng các chọn File >> Save (Control+S), hoặc lưu với tên mới File >> Save as. 5/ Thực hiện và gỡ rối chương trình trên LabVIEW Thực hiện chương trình Cho VI chạy bằng cách chọn Operation >> Run hoặc nhấp chuột vào nút Run trên thanh công cụ. Muốn huỷ bỏ việc thực hiện chương trình ta nhấp chuột vào nút Abort trên thanh công cụ. Gỡ rối chương trình Một VI không thể biên dịch hoặc chạy được nếu nó bị lỗi. Nút Run VI sẽ bi biến dạng gãy khúc, trong trường hợp khi đang soạn thảo hoặc ta nối chưa hoàn thành hết việc nối giữa các đối tượng. 6/ Chạy thử chương trình, chỉnh sửa Sau khi xử lí xong chương trình mô phỏng, phải chạy thử chương trình để quan sát một cách tổng thể hiệu quả của chương trình (có phản ánh đúng nội dung, có đảm bảo tính sư phạm, tính khoa học không?). Đây là bước quan trọng không thể bỏ qua bởi đó là giai đoạn thẩm định kết quả của quá trình xử lí. 238 3. Quy trình thiết kế bài giảng mô phỏng có kết nối thiết bị ngoại vi Việc thiết kế bài giảng mô phỏng có kết nối thiết bị ngoại vi gồm các bước sau: 1/ Xác định mục tiêu bài học, 2/ Lựa chọn những nội dung trọng tâm cần thiết kế bài giảng mô phỏng, 3/ Mô hình hoá hệ thống cần mô phỏng, 4/ Lựa chọn phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi, 5/ Xây dựng kịch bản, viết chương trình mô phỏng, 6/ Thực hiện và gỡ rối chương trình trên LabVIEW, 7/ Chạy thử chương trình, chỉnh sửa. Các bước tương tự như thiết kế bài giảng mô phỏng không có kết nối thiết bị ngoại vi, nhưng do có kết nối thiết bị ngoại vi nên cần có thêm bước lựa chọn phương pháp giao tiếp, kết nối thiết bị ngoại vi. Trong bước này cần lưu ý các vấn đề sau: Các phương pháp kết nối thiết bị ngoại vi, Lựa chọn cấu hình DAQ, Tổ chức các VIs thu thập dữ liệu với DAQmx KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 LabVIEW là một phần mềm được sử dụng rất rộng rãi trong khoa học – kỹ thuật – giáo dục, nhằm nhanh chóng và dễ dàng tạo ra các ứng dụng giao tiếp máy tính, đo lường, mô phỏng hệ thống, kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính theo thời gian thực. LabVIEW có thể đo lường được từ bất kỳ cảm biến (tín hiệu dạng điện áp, dòng điện, xung), LabVIEW có thể điều khiển được bất kỳ cơ cấu chấp hành (động cơ DC/AC, động cơ xăng, bơm thủy lực, lò nhiệt, pistion thủy khí,vv.), LabVIEW truyền qua bất kỳ chuẩn giao tiếp máy tính-máy tính, máy tính - thiết bị như chuẩn RS232, chẩn USB, chuẩn PCI, PXI, Wifi, Bluetooth, TCP/IP,... LabVIEW hỗ trợ đắc lực cho các kỹ sư ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Robotics, Ôtô, Viễn Thông và Điện tử trong việc: tính toán và thiết kế sản phẩm, sản xuất mẫu (prototyping), mô phỏng và đánh giá chất lượng sản phẩm. LabVIEW được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, trường đại học và các viện nghiên cứu trên thế giới như một phần mềm chuẩn để thu nhận dữ liệu và điều khiển thiết bị. LabVIEW có thể biến một máy tính (PC) thành một thiết bị ảo dùng cho bất kỳ phép đo và kiểm tra nào. Lab- VIEW có thể học nhanh nhất và phù hợp cả với những người chưa có kiến thức lập trình. Việc nghiên ứu ứng dụng LabVIEW thiết kế các bài giảng mô phỏng có ý nghĩa rất lớn trong việc nâng cao chất lượng và hiệu quả đào tạo tại các cơ sở GDKT-DN. NTC RTD LM335 Cảm biến2.2. Kỹ thuật lập trình DAQ NI USB6008 Máy tính Thiết bị chấp hành TC 239 CHƯƠNG III THỬ NGHIỆM MỘT SỐ BÀI GIẢNG MÔ PHỎNG ỨNG DỤNG LABVIEW 3.1. Xây dựng bài giảng mô phỏng ứng dụng LabVIEW 1. Xây dựng bài giảng mô phỏng có kết nối thiết bị ngoại vi Để minh họa cho việc ứng dụng phương pháp mô phỏng đặc biệt là mô phỏng hệ thống bán tự nhiên (có giao tiếp với thiết bị phần cứng) vào giảng dạy kỹ thuật nghề nghiệp, chúng tôi xin đưa ra một ví dụ về ứng dụng LabVIEW thiết kế mô hình mô phỏng thực hiện bài giảng Đo nhiệt độ thuộc modul “Đo lường - cảm biến”. Các vấn đề được đặt ra khi xây dựng bài giảng mô phỏng này là: - Minh họa được nguyên lý đo với nhiều cảm biến khác nhau. - Mô phỏng được mạch đo với các cảm biến khác nhau. - Có khả năng nghiên cứu các mạch đo trong chế độ tương tác và có thể phân tích được ảnh hưởng của các tham số (như dải nhiệt độ, thang nhiệt độ, chế độ hiển thị, điều khiển...) lên mạch đo. Sơ đồ khối của hệ thống mô phỏng quá trình đo nhiệt độ gồm các khối sau: Khối cảm biến, Khối thu thập dữ liệu (DAQ), Máy tính có xây dựng các VI mô phỏng. Lựa chọn phương pháp giao tiếp. Tín hiệu đo dạng tương tự, tốc độ biến thiên chậm, số kênh không nhiều, vì vậy chọn Card DAQ NI USB 6008 của hãng NI để thiết kế bài giảng mô phỏng. Viết chương trình mô phỏng Chương trình thu thập dữ liệu Vào Measurement I/O/Ni – DAQmx/ DAQmx Create Virtual Channel.VI để khởi tạo một kênh thu thập dữ liệu: - Chương trình xuất dữ liệu ra - VI xử lí tín hiệu với cảm biến nhiệt RTD 240 - Xây dựng chương trình con xử lí thang đo: VI chuyển đổi thanh đo độ C sang độ K VI chuyển đổi thanh đo độ C sang độ F Sau đó tập hợp các chương trình con lại ta được một VI chính có giao diện: 2. Xây dựng bài giảng mô phỏng không có kết nối thiết bị ngoại vi Phần mềm LabVIEW cho phép thiết kế một số thiết bị ảo, mô phỏng nguyên lý hoạt động của thiết bị thật và có giao diện sử dụng đúng như một thiết bị vật lý thực. Như vậy có thể xây dựng một hệ thống thiết bị ảo theo các thiết bị vật lý hiện đại, cho phép người sử dụng làm quen với thiết bị, sử dụng chúng như một thiết bị thực. Mặt khác với các thiết bị ảo, khi sinh viên làm thí nghiệm sẽ cảm nhận như làm với thiết bị thật vì giao diện và thao tác trên chúng giống như trên thiết bị thật. Hơn nữa thí nghiệm trên các thiết bị ảo sẽ an toàn và dễ gỡ rối vì nếu có sai sót gì (về nguyên lý) thì sẽ có thông báo lỗi. Một thiết bị ảo cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Thiết bị ảo phải được xây dựng theo phương trình động học của thiết bị thực, để thiết bị ảo có thể hoạt động chính xác như thiết bị vật lý thực. - Thiết bị ảo cần có một front panel (giao diện) như thiết bị vật lý thực, nghĩa là thiết bị đo lường ảo có các núm, nút, màn hiển thị như thiết bị thật. 241 242 Ví dụ thiết kế một số thiết bị ảo phục vụ việc thực tập đo lường. Thiết kế máy hiện sóng ảo LS1020 Nguyên lý hoạt động của LS1020 được trình bày ở dạng sơ đồ khối: Lưu đồ thuật toán và chương trình mô phỏng thiết bị LS1020. Xuất phát từ sơ đồ nguyên lý trình bày ở mục trước ta có thể xây dựng được lưu đồ thuật toán điều khiển hoạt động của Oscillo LS1020: Tín hiệu vào Tín hiệu đồng bộ CMạch đồng bộ Bắt đầu Mở kết nối tới các thiết bị phát để thu tín hiệu Xác định chế độ quét và kênh dữ liệu cần hiển thị Hiển thị chế độ ra màn hình Kết thúc ? Kết thúc Bộ tạo quét Khuếch đại X Khuếch đại Y Màn hình Có Không 243 Toàn bộ quá trình mô phỏng được đặt trong một vòng lặp While Loop: Thiết kế giao diện cho máy hiện sóng ảo LS1020. Với mục đích hỗ trợ cho các bài toán kết nối và điều khiển, các controls trong LabVIEW được xây dựng như các núm, nút, bộ hiển thị trong thiết bị vật lý thực cho phép người sử dụng nhập dữ liệu vào chương trình và quan sát các kết quả nhận được từ chương trình. Ví dụ một số Controls cơ bản trên LabVIEW: Mặc dù các controls được xây dựng trong LabVIEW khá phong phú và đa dạng về kiểu loại song vẫn không thể theo kịp sự phát triển liên tục của các thiết bị kỹ thuật. Để giải quyết điều này, LabVIEW cho phép từ những Controls cơ bản (Default Controls), người lập trình có thể thay đổi các thuộc tính, kiểu hiển thị,.. để tạo những Controls của riêng mình (Custom Controls). Điều này tạo ra một hiệu quả cao và đặc biệt có ý nghĩa trong bài toán mô phỏng những thiết bị vật lý cụ thể. Ví dụ từ Con- trols cơ bản (núm điều chỉnh) có thể thiết kế thành núm điều chỉnh giống hoàn toàn núm điều chỉnh của LS1020. 244 Với cách làm như vậy có thể thiết kế giao diện máy hiện sóng LS1020 ảo giống như thiết bị thật: Tương tự, có thể thiết kế máy đo tần số ảo LDC-823A 3.2. Thử nghiệm sư phạm kỹ thuật 1. Mục đích, đối tượng, nội dung thử nghiệm a) Mục đích Đánh giá hiệu quả sư phạm, hiệu quả kinh tế các bài giảng mô phỏng ứng dụng phần mềm LabVIEW. b) Đối tượng thử nghiệm Sinh viên lớp Cao đẳng nghề Điện tử công nghiệp khoá 5 (SV năm thứ nhất) và Cao đẳng nghề Điện tử công nghiệp khoá 4 (SV năm thứ hai) Controls cơ bản Núm điều chỉnh của LS1020 245 Phân tích kết quả thử nghiệm - Thời gian làm thí nghiệm ở nhóm dùng thiết bị mô phỏng giảm đi một nửa, nguyên nhân: + Khi làm thí nghiệm trên thiết bị mô phỏng bán tự nhiên việc đặt nhiệt độ hoàn toàn được tự động khống chế, thao tác dơn giản (chỉ bằng c) Nội dung thử nghiệm Giảng dạy theo công nghệ truyền thống và theo công nghệ mô phỏng bài: - Cảm biến nhiệt độ thuộc modul Đo lường - cảm biến; - Sử dụng máy hiện sóng thuộc modul Đo lường điện. 2. Phương pháp thử nghiệm Chia mỗi lớp làm hai nhóm, một nhóm được dạy theo phương pháp truyền thống, một nhóm ứng dụng công nghệ mô phỏng với cùng một giảng viên và cùng một quỹ thời gian như nhau. - Bài Cảm biến nhiệt độ thử nghiệm trên hai nhóm sinh viên, mỗi nhóm 10 người, lần lượt từng SV vào làm thí nghiệm. - Bài Sử dụng máy hiện sóng, SV được chia làm hai nhóm, mỗi nhóm 10 người. Nhóm đối chứng có 5 máy hiện sóng hai tia, nhóm sử dụng thiết bị thí nghiệm áo có 10 máy tính đã thiết kế bài thí nghiệm đo lường ảo. Kiểm tra đánh giá kết quả: dùng chung đề. 3. Đánh giá kết quả thử nghiệm Sau khi thử nghiệm chúng tôi tiến hành so sánh một số thông số sau đây: thời gian hoàn thành bài thí nghiệm, kỹ năng thực hành, kết quả học tập, chi phí. a) Đánh giá kết quả thử nghiệm bài Đo nhiệt độ Tiêu chí đánh giá Thời gian trung bình hoàn thành bài thí nghiệm (tính cho một SV) Tính chính xác của các đặc tuyến sau khi thí nghiệm Kết quả kiểm tra (điểm bình quân) Chi phí thí nghiệm 60 phút Một số SV vẽ chưa thật chính xác 7,5 điểm Cao 30 phút Tất cả SV đều vẽ chính xác 9,5 điểm Thấp Nhóm đối chứng Nhóm mô phỏng 246 Tiêu chí đánh giá Thời gian tr.bình hoàn thành bài học (tính cho một SV) Hiểu chức năng các núm, nút trên mặt máy Sử dụng MHS đo biên độ tín hiệu (điểm bình quân) Sử dụng MHS đo tần số tín hiệu (điểm bình quân) Sử dụng MHS đo độ lệch pha hai tín hiệu (bình quân) Chi phí thí nghiệm 60 phút 6,5 điểm 6,2 điểm 6,7 điểm 6,3 điểm Cao 50 phút 7,5 điểm 7,3 điểm 7,8 điểm 7,5 điểm Thấp Nhóm đối chứng Nhóm mô phỏng kích chuột ở cửa sổ “Nhiệt độ đặt”trên thiết bị ảo); điều này thực hiện trên thiết bị thật rất khó, nếu thực hiện được thì thiết bị trở nên phức tạp. + Thao tác chọn loại cảm biến ở thiết bị mô phỏng rất nhanh chóng, chỉ cần kích chuột ở cửa sổ “Chọn cảm biến”, thiết bị ảo sẽ tự động chuyển đổi cảm biến và mạch đo, trong khi đó thao tác ở nhóm đối chứng mất nhiều thời gian. + Việc đọc dữ liệu về nhiệt độ, điện áp ở nhóm đối chứng theo phương pháp thủ công, trong khi đó ở nhóm thiết bị ảo được phần mềm tự động cập nhật. - Tính chính xác của đặc tuyến vẽ sau khi thí nghiệm ở nhóm đối chứng có một số sinh viên vẽ không chính xác vì do sai số của dụng cụ đo, sai số khi đọc dữ liệu, sai số ở thời điểm lấy dữ liệu Ở nhóm sử dụng thiết bị thí nghiệm ảo tất cả các SV đều vẽ đặc tuyến chính xác vì các sai số trên đã được loại bỏ. - Kết quả kiểm tra: nhóm sử dụng thí nghiệm ảo có kết quả tốt hơn vì khi thời gian làm thí nghiệm được rút ngắn, đặc tuyến vẽ chính xác, việc phân tích, đánh giá thuận lợi hơn. - Chi phí thí nghiệm: nếu xét ở một bài thì khi sử dụng thiết bị ảo phải chi phí nhiều hơn vì ngoài cảm biến phải có máy tính, phần mềm Lab- VIEW, thiết bị giao tiếp DAQ Tuy nhiên xét về tổng thể những trang bị sử dụng ở bài thí nghiệm ảo có thể sử dụng ở rất nhiều bài thí nghiệm khác do vậy về mặt kinh tế vẫn có lợi hơn. b) Đánh giá kết quả thử nghiệm bài Sử dụng máy hiện sóng 247 Đánh giá kết quả thử nghiệm. - Thời gian thực hành của hai nhóm gần tương đương nhau, tuy nhiên nhóm thực hành trên thiết bị ảo có thời gian ngắn hơn vì: + Do số lượng thiết bị thực hành của nhóm đối chứng ít hơn nên mức độ thành thạo kém hơn. + Ở nhóm thực hành trên thiết bị ảo, khi thao tác nhầm phần mềm sẽ thông báo lỗi nên việc khắc phục sai sót dễ dàng hơn và an toàn hơn. - Kết quả thực hành ở tất cả các nội dung ở nhóm đối chứng đều có kết quả thấp hơn vì thời gian thực tế thực tập ít hơn. - Chi phí thực hành, trong trường hợp này chi phí cho thực hành trên các thiết bị ảo thấp hơn nhiều so với thiết bị thật vì giá thành của máy hiện sóng, máy phát xung cao hơn nhiều so với trang bị máy tính. Mặt khác khi các máy tính nối mạng nội bộ, LabVIEW có thể hỗ trợ thiết kế giao diện để giáo viên giao bài tập, quản lý quá trình thực hành và đánh giá kết quả thực hành trực tuyến rất thuận lợi. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 Qua việc thử nghiệm sư phạm có thể thấy việc ứng dụng LabVIEW để thiết kế một số bài giảng mô phỏng có kết nối thiết bị ngoại vi (bán tự nhiên) và không có kết nối thiết bị ngoại vi (thiết bị ảo) có những ưu điểm sau: - Việc viết chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ đồ hoạ rất dễ thực hiện với các CBGD, giao diện thân thiện rất gần gũi với thiết bị vật lý thực. - Về hiệu quả kinh tế: + Đầu tư thiết kế một thiết bị ảo rẻ hơn nhiều so với trang bị một thiết bị vật lý thực có tính năng tương đương, mặt khác việc nhân bản các thiết bị ảo rất đơn giản. + Thường xuyên cập nhật được các thiết bị mới, đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và công nghệ. + Trong một hệ thống chỉ cần mua sắm những thiết bị không thể mô hình hoá được, do vậy giảm chi phí đầu tư rất nhiều. + Tận dụng được công năng các phòng máy vi tính đã được trang bị. - Hiệu quả sư phạm: + Việc ứng dụng công nghệ mô phỏng có thể minh hoạ được nhiều nội dung khó, trìu tượng một cách sinh động giúp sinh viên nhanh 248 chóng nắm vững bản chất của vấn đề, điều này đặc biệt có ý nghĩa với các cơ sở đào tạo nghề. + Cho phép sinh viên có thời gian thực hành thực tế nhiều hơn, thao tác tối ưu hơn, các lỗi trong quá trình thực hành được thông báo và gỡ rối do vậy kỹ năng thực hành tăng lên đáng kể so với thực hành chỉ dùng thiết bị thật. + Khi làm việc với các thiết bị ảo có tính tương tác cao, giúp sinh viên nắm vững kiến thức, kịp thời xử lý các tình huống, hình thành tác phong nghiên cứu điều này giúp ích sinh viên rất nhiều khi công tác tại các môi trường thực tế sau khi ra trường. + Sinh viên được cập nhật làm quen các thiết bị mới, công nghệ mới để không bỡ ngỡ trước sự phát triển nhanh chóng của sản xuất, dịch vụ. + Mặc dù thiết bị ảo không thể hoàn toàn thay thế thiết bị thật, nhưng nếu kết hợp một cách hợp lý giữa thực hành trên thiết bị ảo và thiết bị thật sẽ có khả năng nâng cao đáng kể kỹ năng thực hành cho sinh viên. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ A. Kết luận 1. Việc nâng cao chất lượng đào tạo, đặc biệt kỹ năng thực hành nghề cho sinh viên các cơ sở GDKT&DN đang là một đòi hỏi bức bách được xã hội quan tâm. Một trong các yếu tố quan trọng tác động đến chất lượng đào tạo của các cơ sở GDKT&DN đó là thiết bị phục vụ giảng dạy học tập. Trong thời gian qua mặc dù được nhà nước quan tâm, đầu tư, nhưng do điều kiện kinh tế đất nước còn nhiều khó khăn, thiết bị của các GDKT&DN còn nhiều bất cập, chưa đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường lao động. Việc ứng dụng công nghệ mô phỏng vào trong giảng dạy đang là một xu thế tất yếu nâng cao hiệu quả về kinh tế và có ý nghĩa rất lớn trong công tác đào tạo, giảng dạy và nghiên cứu tại các trường Đại học kỹ thuật, Cao đẳng kỹ thuật và Dạy nghề. 2. LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineerring Work- bench) là một phần mềm chuyên dụng cho các bài toán mô phỏng thiết bị. LabVIEW có thể thu thập dữ liệu từ tất cả các loại cảm biến, Lab- VIEW có thể điều khiển được mọi loại cơ cấu chấp hành (động cơ DC/AC, động cơ xăng, bơm thủy lực, lò nhiệt, pistion thủy khí,) vì vậy 249 LabVIEW rất thích hợp để thiết kế các bài giảng mô phỏng trong các chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử; Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hoá, Công nghệ chế tạo máy, Công nghệ kỹ Cơ khí, Công nghệ kỹ thuật ôtô LabVIEW có bộ công cụ hỗ trợ mạnh cho việc thiết kế giao diện mặt máy của các thiết bị mô phỏng. LabVIEW là một ngôn ngữ lập trình đa năng, với bộ thư viện các hàm phong phú, đáp ứng yêu cầu mô phỏng động học hoạt động của các thiết bị cần mô phỏng. LabVIEW hỗ trợ mạnh ghép nối hệ thống và trao đổi thông tin qua mạng, cho phép xây dựng nhiều thiết bị ảo trong phòng thí nghiệm mà chúng có thể kết nối, trao đổi dữ liệu với nhau một cách dễ dàng. Mặt khác với hệ thống thiết bị ảo cho phép các dữ liệu thu được có thể lưu trữ trên các cơ sở dữ liệu để sau đó có thể thực hiện những quá trình xử lí offline hoặc có thể dùng cho các phép đo online khác. Với những ưu điểm đó, LabVIEW đang là một lựa chọn tối ưu để thiết kế các bài giảng mô phỏng ở các cơ sở GDKT&DN. 3. Qua thử nghiệm thiết kế một số bài giảng mô phỏng tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định đã cho thấy phần mềm LabVIEW có nhiều tiện ích, ngôn ngữ lập trình đồ họa dễ sử dụng, rất phù hợp với các giảng viên các chuyên ngành kỹ thuật (không có kiến thức sâu về công nghệ thông tin). Kết quả thử nghiệm cũng chứng tỏ hiệu quả kinh tế và hiệu quả sư phạm trong việc thiết kế các bài giảng mô phỏng ứng dụng LabVIEW dùng trong giảng dạy tại các cơ sở GDKT&DN. B. Một số khuyến nghị Qua quá trình nghiên cứu, thử nghiệm chúng tôi có một số khuyến nghị sau: 1. Các cơ sở GDKT&DN cần nhận thức đúng đắn vai trò công nghệ mô phỏng, thiết bị mô phỏng trong giáo dục đào tạo; nhận thức được các phần mềm dạy học nói chung và các phần mềm mô phỏng nói riêng là một loại phương tiện kỹ thuật dạy học, từ đó có kế hoạch đầu tư và đề xuất chiến lược xây dựng và áp dụng các bài giảng mô phỏng trong quá trình đào tạo. 2. Có kế hoạch bồi dưỡng kiến thức về mô hình hoá, mô phỏng; cập nhật kiến thức về một số phần mềm mô phỏng, sử dụng thành thạo phần mềm LapVIEW trong thiết kế các bài giảng mô phỏng cho đội ngũ giáo viên của các cơ sở GDKT&DN. 3. Các trường sư phạm kỹ thuật cần đưa vào chương trình đào tạo học phần “Ứng dụng công nghệ thông tin trong kỹ thuật”, trong đó cần đào 250 tạo cho các giáo viên kỹ thuật, kỹ sư tương lai các kỹ thuật mô phỏng, các nguyên tắc, quy trình thiết kế bài giảng mô phỏng phục vụ giảng dạy. 4. Đầu tư xây dựng hệ thống bài giảng thực hành kết hợp giữa thiết bị thật và thiết bị mô phỏng cho từng môn học, modul phù hợp với điều kiện của từng cơ sở GDKT&DN. 5. Nghiên cứu xây dựng các phòng thí nghiệm, thực hành ảo theo một tiêu chí thống nhất dùng chung cho các cơ sở GDKT&DN để tiết kiệm chi phí đầu tư. Bước sang thế kỷ 21, máy tính đã trở nên một yếu tố không thể thiếu của công nghệ dạy học. Ngôn ngữ lập trình đồ hoạ LabVIEW có một sức hấp dẫn và chiếm phần lớn thị phần trong các ứng dụng thu nhận tín hiệu và điều khiển thiết bị trong lĩnh vực đo lường và kiểm tra tự động. Ngôn ngữ lập trình đồ họa LabVIEW cũng rất phù hợp với giáo viên các cơ sở GDKT&DN trong việc thiết kế các bài giảng mô phỏng, tạo nên sự thay đổi nền giáo dục một cách căn bản đầu thế kỷ này do ảnh hưởng của công nghệ thông tin, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả giáo dục - đào tạo. 251 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ 1. Tổng quan về lý thuyết thiết kế máy CNC 1.1.2 Lịch sử và tiến trình phát triển của máy CNC - Năm 1949 mẫu đầu tiên của máy NC do MIT thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của không lực Hoa kỳ. - Năm 1952 chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng Cinninnati Hy drotel được trưng bày tại MIT. - Năm 1960 máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp. - Đầu năm 1970 các bộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời. - Ngày nay các máy CNC được chế tạo hiện đại hơn: + Có màn hình, bàn phím, có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo... trong hệ thống sản xuất. + Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại. 1.2. Khảo sát một số công trình thiết kế và chế tạo máy phay CNC ở trong nước Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu cải tiến một số mẫu máy CNC công nghiệp được nhập ngoại; thiết kế, chế tạo một số mẫu máy CNC đơn giản, ít trục điều khiển, thực hiện mục đích phục vụ nghiên cứu và dùng trong đào tạo; những kết quả nghiên đó được triển khai ở một số trường đại học và viện nghiên cứu, như: Công ty BKMech, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Viện máy và dụng cụ công nghiệp (IMI),... Tuy nhiên, những sản phẩm này là kết quả của sự hợp tác với các đối tác nước ngoài, phần lớn các thiết bị được NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC DÙNG CHO ĐÀO TẠO NGHỀ TẠI CÁC CƠ SỞ DẠY NGHỀ MÃ SỐ CB2011- Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Chủ nhiệm đề tài: TS. Trần Văn Khiêm Thư ký đề tài: ThS. Trần Xuân Thảnh 252 nhập ngoại (trục vít me đai ốc bi, động cơ truyền động, hệ thống điều khiển,...); các máy đã chế tạo có những hạn chế khác nhau về độ chính xác của máy, khả năng công nghệ, khả năng điều khiển... 1.3. Khảo sát máy phay CNC Armoni tại trường ĐHSPKT Nam Định và một số mẫu máy phay CNC khác 1.3.1 Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý điều khiển của máy phay Armoni c. Cấu tạo: Máy Armoni về kết cấu giống với các loại máy phay CNC khác. Gồm 2 phần chính: - Phần cơ sở: Thân máy, bàn máy, hệ thống chạy dao, - Các thiết bị phụ trợ (làm mát, bôi trơn, chiếu sáng) Hình 1. 3: Kết cấu máy Armoni CHƯƠNG II THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN SỐ 2.1. Thiết kế kỹ thuật 2.1.1 Thiết kế hệ thống cơ khí a. Cơ sở thiết kế hệ thống cơ khí cho máy phay CNC Khi thiết kế máy công cụ nói chung và thiết kế máy CNC nói riêng thì thiết kế động lực học cho máy có ý nghĩa rất quan trọng, phải phân tích bề mặt tạo hình của chi tiết gia công, xác định phương trình hình học tạo Truyền động trục X Bàn máy Ray trượt Thân máy dẫn hướng trục Z Truyền động trục Y Truyền động trục Z Hệ thống truyền động trục chính 253 ra đường sinh và đường chuẩn của bề mặt đó. Từ đó quyết định các chuyển động của máy và xác định mối liên hệ giữa các chuyển động ấy. Đồng thời phải xác định được vị trí của xác xích trong máy như thế nào để đảm bảo độ chính xác của xích vì nó có ảnh hưởng quyết định đến độ chính xác bề mặt chi tiết gia công. b. Thông số kỹ thuật máy phay CNC dùng cho dạy nghề - Thiết kế máy phay CNC điều khiển 2,5D loại nhỏ với giá thành hợp lý. - Thông số kỹ thuật dự kiến đạt được sau khi chế tạo: Bảng 2. 1: Thông số kỹ thuật c. Giải pháp kỹ thuật 1) Thân và đế máy: để đảm bảo độ cững vững cho máy, dễ chế tạo và lắp ráp, chọn vật liệu thép tấm. Gia công cắt gọt sơ bộ, sau đó hàn thành từng khối, gia công cắt gọt lần cuối và Lắp ráp. 2) Bàn máy: bằng thép, thực hiện chuyển động theo phương dọc và phương ngang bằng cơ cấu vít me đai ốc bi. 3) Trục chính: sử dụng động cơ 1,5KW, điện áp 220V, tần số 400Hz, tốc độ 24.000vòng/phút, làm mát bằng nước. 4) Động cơ điều khiển chạy dao: động cơ bước có góc bước 1,80, dòng điện 3A, mô men xoắn 12,6Kgf.cm. 5) Truyền động của bàn máy và cụm trục chính: dùng con trượt bi với thanh trượt có bề rộng 15mm. 6) Cơ cấu truyền động: biến chuyển động quay thành chuyển động Hành trình lớn nhất theo trục X Hành trình lớn nhất theo truc Y Hành trình lớn nhất theo trục Z Vật liệu kim loại đen và kim loại màu Tốc độ dịch chuyển nhanh nhất (trục X) Tốc độ dịch chuyển nhanh nhất (trục Y) Tốc độ dịch chuyển nhanh nhất (trục Z) Động cơ trục chính Động cơ điều khiển các trục X, Y, Z 200mm 200mm 200mm 1000mm/phút 1000mm/phút 1000mm/phút DC 3A - 1.80 250kg Khả năng hoạt động của máy Vật liệu gia công Tốc độ tới hạn Động cơ Khối lượng 254 tịnh tiến, nguồn truyền động từ động cơ nối trực tiếp với trục vít me thông qua khớp nối đàn hồi. Sử dụng vít me đai ốc bi, đường kính trục vít O16mm, bước ren 5. 7) Điều khiển: lập trình điều khiển phối hợp giữa các trục, xây dựng các mô đun nội suy. d. Xây dựng mô hình cơ khí Sau khi tìm hiểu, tham khảo một số mẫu máy phay CNC đơn giản trên thực tế, đặc biệt là việc khảo sát máy phay CNC-Armoni, mô hình cơ khí của máy phay CNC dùng cho dạy nghề được thiết kế cơ bản như sau: Hình 2. 2: Mô hình kết cấu tổng thể 2.1.2 Thiết kế kết cấu phần cứng hệ thống điều khiển của máy phay CNC a. Sơ đồ kết nối phần cứng máy phay CNC: được thực hiện như Hình 2. 3 - Controller: Phần điều khiển máy sử dụng phần mềm Mach 3 được chạy trên một máy tính cá nhân. - Giao tiếp giữa máy tính và mạch điều khiển, các cảm biến thông qua cổng song song. - Động cơ dẫn động các trục XYZ sử dụng động cơ bước có góc 255 bước 1,8o điều khiển vi bước 1/8. Động cơ trục chính sử dụng động cơ AC 3 pha có công suất 1,5kW, tốc độ tối đa 24000 vòng/phút, điều khiển thông qua biến tần Fuji mode FRN1-SC1S-2DP. Hình 2. 2: Sơ đồ kết nối phần cứng máy phay CNC b. Module điều khiển Hình 2. 3: Module điều khiển động cơ dẫn động các trục X,Y,Z * Sơ đồ nguyên lý chi tiết module điều khiển động cơ bước 256 - Mạch ghép quang Hình 2. 4: Sơ đồ nguyên lý mạch ghép quang cổng LPT - Mạch công suất Hình 2. 5: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver điều khiển các trục X,Y,Z dùng vi mạch TB6560HQ 257 c. Động cơ dẫn động của máy phay CNC Việc sử dụng các động cơ truyền động cho các trục của máy phay đóng vai trò rất quan trọng, nó quyết định đến việc lựa chọn phương án điều khiển và kết cấu cơ khí. Hiện nay trên thực tế có rất nhiều loại động cơ có thể áp dụng để điều khiển các chuyển động của máy phay như động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo... Với mục tiêu là tạo ra những máy CNC cơ nhỏ phục vụ cho việc đào tạo nghề tại các cơ sở dạy nghề nên trong đề tài đã lựa chọn phương án sử dụng động cơ bước làm động cơ dẫn động cho các trục XYZ của máy phay nhằm hạ thấp giá thành sản phẩm. 2.1.3 Thiết kế phần mềm điều khiển cho máy phay CNC Việc đầu tư nghiên cứu thiết kế phần mềm điều khiển cho máy CNC ngày càng được nhiều hãng quan tâm. Hiện nay đã có khá nhiều phần mềm điều khiển máy CNC khác nhau. Qua tìm hiểu thì phần mềm Mach3 do hãng ArtSoft USA thiết kế có nhiều ưu điểm hơn trong việc điều khiển các máy CNC cỡ nhỏ. a. Giao diện phần mềm mach3 Mach 3 được thiết kế mở để có thể thiết lập, điều chỉnh giao diện phù hợp với phương thức của người sử dụng.Trong trường hợp này chúng tôi chỉ quan tâm đến giao diện Mach3 Mill để điều khiển máy phay CNC. b. Thiết lập các thông số điều khiển cho máy CNC *) Thiết lập tín hiệu vào ra (I/O) Để thực hiện thiết lập tín hiệu I/O cho máy CNC, trước hết ta phải căn cứ vào sơ đồ kết nối phần cứng của cổng giao tiếp giữa PC và module điều khiển. Trong đề tài sử dụng giao tiếp qua cổng máy in (cổng LPT). Thanh ghi dữ liệu (Data register): Thanh ghi dữ liệu có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của cổng LPT và được sử dụng để quản lý bus dữ liệu. Thanh ghi trạng thái (Status Register). Thanh ghi trạng thái dùng quản lý các bit trạng thái. Từ hình 2.23 có thể nhận thấy các bit D0, D1, D2 không sử dụng. Như vậy thanh ghi trạng thái chỉ sử dụng 5 bit D3 đến D7, các bit này luôn có chiều đi vào máy tính. Thanh ghi điều khiển (Control Register) Bus điều khiển của cổng LPT được quản lý bởi thanh ghi điều khiển có cấu trúc như trình bày ở hình 2.24. Theo đó có thể thấy các bit D7, D6 258 , D5 không sử dụng. Còn bit D4 được sử dụng cho mục đích ngắt truyền thông của cổng do đó không được đưa ra đầu nối. Thanh ghi điều khiển có địa chỉ bằng địa chỉ cơ bản của cổng 37AH (LPT+2). Việc nối máy in với máy tính được thực hiện qua rắc cắm DB25 ở phía sau máy tính. Tất cả các đường dẫn của cổng này đều tương thích TTL, nghĩa là chúng đều cung cấp một mức điện áp nằm giữa 0V và 5V. *) Tính toán và thiết lập thông số điều khiển cho các trục Vấn đề tính toán chuyển động cho trục điều khiển khá phức tạp, nó phụ thuộc khá nhiều yếu tố và lại là nhân tố quyết định đến độ chính xác, độ ổn định và hiệu suất làm việc của máy. Đầu tiên ta phải xác định được khoảng cách di chuyển nhỏ nhất, đây là giá trị để xác định dịch chuyển và khả năng tăng tốc chuyển động. Trong đề tài sử dụng động cơ bước mã hiệu 57BYGH76-401A có góc bước là 1,8o và lựa chọn chế độ điều khiển vi bước 1/8 để đảm bảo độ chính xác. Như vậy số xung để động cơ quay hết một vòng sẽ là: 360o / 0,225o = 1600 xung. Phần cơ khí thực hiện nối trục động cơ đồng trục với trục vít me bi có bước ren 5 (tỷ số truyền 1/1). Vậy khi thực hiện quay hết một vòng ta đã thực hiện biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến với vị trí dịch chuyển là 5mm so với điểm đầu. Vậy để dịch chuyển 1mm ta có số xung/1mm là: 1600/5 = 320 (xung/mm) Tiếp đến xem xét đến tốc độ thực tế có thể và tốc độ của PC, nếu PC có tốc độ 1GHz có thể sinh ra 35000 xung/s đồng thời trên mỗi trục. Vì thế vận tốc tối đa có thể đạt được là: 35000*60/320 = 6562,5mm/phút. Tuy nhiên, không phải như vậy là đã an toàn cho động cơ, máy hay mạch điều khiển, ta phải có thử nghiệm để có thể tìm ra vận tốc tối ưu nhất. Để thiết lập moment quay thì cần phải đo đạc bằng cách chọn phôi và chiều dài giới hạn có thể đạt đến của máy sau đó dùng lực kế đo. Dựa trên cơ sở thực tế phần cứng và phần cơ khí của máy ta tiến hành thiết lập các thông số cho các trục. 2.3. Kết nối, chạy thử phần mềm điều khiển Để chạy thử chương trình, trên thanh công cụ ta chọn file – chọn load Gcode để nạp chương trình đã lập trình dưới dạng mã G. 2.2. Mô hình hóa và mô phỏng máy phay CNC ảo Với mục đích tạo ra môi trường luyện tập cho người học trước khi vận hành máy thật, chúng tôi đã thiết kế ra mô hình máy phay CNC ảo với 259 các tính năng lập trình, mô phỏng quá trình gia công giống với máy thật. Công cụ được sử dụng cho thiết kế mô hình máy phay CNC ảo là phần mềm Vericut. 2.2.1 Thiết kế mô hình máy phay CNC ảo a. Sơ đồ thiết kế mô hình máy phay CNC bằng phần mềm VeriCUT Các công việc thiết kế cụ thể được thể hiện trên sơ đồ hình 2.42 b. Mô hình hóa hình học máy bằng phần mềm SolidWorks Từ kết quả khảo sát thực tế trên cơ sở hỗ trợ thiết kế của phần mềm SolidWorks chúng tôi đã thiết kế thành công mô hình chi tiết, cụm chi tiết 3D tương ứng như của máy thực. Từ các bộ phận chính như trên ta lắp ghép được mô hình tổng thể của máy phay ảo trong môi trường SolidWorks như hình 2.43 dưới đây: 260 Hình 2. 7: Mô hình tổng thể máy được mô phỏng 3D bằng Solid- Works 2.2.2 Thiết kế máy phay CNC ảo bằng phần mềm VeriCUT. Việc thiết kế mô hình máy phay CNC bằng VeriCUT tuân thủ theo trình tự thiết kế được trình bày ở trên. a. Thiết lập chuỗi động học Trên cơ sở phân tích kết cấu của máy, ta có sơ đồ chuỗi động học của máy như hình 2.44. Hình 2. 8: Sơ đồ chuỗi động học máy phay CNC Armoni Từ sơ đồ chuỗi động học của máy, ta xây dựng mô hình động học trong VeriCUT. - Trước tiên cần khởi tạo 1 project mới với đơn vị đo mm: - Hiển thị các hệ trục toạ độ. - Định nghĩa chuỗi động học dao, bắt đầu từ thân máy --> trục Z --> dao. - Định nghĩa chuỗi động học phôi. Các bước tiếp theo định nghĩa các thành phần từ "Base" tới "Stock". Các thành phần được định nghĩa theo thứ tự: thân máy “Base” --> trục Y --> trục X --> Attach --> đồ gá Phôi Thân máy X Y Z Dao 261 “Fixture” --> phôi “Stock” --> Design b. Nạp mô hình cho từng thành phần máy Từ phần thiết kế máy phay bằng phần mềm SolidWorks ta định dạng cho các cụm bộ phận cơ khí của máy bằng định dạng *.stl . - Nạp mô hình thân máy "Base" - Nạp mô hình 3D cho trục Z - Nạp mô hình trục Y - Nạp mô hình trục X - Nạp đồ gá "Fixture" - Nạp phôi "Stock" - Nạp thư viện dao "Tool" - Nạp chương trình NC - Thiết đặt điểm gốc chương trình (program Zero) - Nạp file định nghĩa bộ điều khiển máy - Hoàn thiện và ghi lại file cấu hình máy *.mch - Ghi Project File Kết quả ta có mô hình máy ảo như hình dưới đây Hình 2. 9: Mô hình máy ảo trong môi trường VeriCUT 2.2.3 Thử nghiệm máy phay CNC ảo a. Chi tiết mô phỏng gia công thử nghiệm : Logo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định. Logo được gia công trên phôi nhôm có kích thước 100x100x20. c. Mô phỏng quá trình gia công trên máy phay CNC ảo Trình tự tiến hành kiểm tra mô phỏng. 262 - Bước 1: Thiết lập phôi có kích thước 100x100x20mm - Bước 2: Thiết lập dao (có đường kính T1=0.5mm) - Bước 3: Thiết đặt điểm gốc chương trình (Program zero) - Bước 4: Nạp chương trình NC - Bước 5: Tiến hành chạy mô phỏng - Bước 6: Phát hiện và sử lý lỗi khi mô phỏng quá trình gia công. Sau khi tiến hành sửa chương trình và chạy lại chương trình để kiểm tra. Hình 2. 10: Mô hình máy phay CNC ảo hoàn thiện - Bước 7: Kiểm tra độ chính xác của chi tiết sau khi mô phỏng 2.3. Gia công, chế tạo và lắp ráp máy phay CNC 2.3.1 Phân tích yêu cầu, xác định chi tiết gia công Kết cấu cơ khí của máy phay CNC cỡ nhỏ có khoảng hơn 50 chi tiết lớn nhỏ. Trong đó có các chi tiết tiêu chuẩn mua sẵn, như bulong, đai ốc, vít, vòng bi, trục vít me bi, đai ốc bi, thanh trượt bi, con trượt bi, các động cơ truyền động cho các trục, động cơ trục chính, tủ điện... Để đảm bảo chất lượng của quy trình công nghệ, đồng thời giảm bớt số lượng quy trình công nghệ tương tự nhau, tạo thuận lợi cho việc thiết kế, chế tạo và đảm bảo vật tư, cần ứng dụng các nguyên tắc của điển hình hoá quá trình công nghệ trên cơ sở phân các chi tiết gia công thành từng họ. Sau khi phân loại, mỗi họ được đại diện bằng 1 hoặc vài chi tiết điển hình. Quy trình công nghệ được thiết kế cho chi tiết điển hình, sau đó áp dụng cho các chi tiết tương tự trong cùng họ. 263 Trong số các chi tiết được gia công, có thể chia ra thành các nhóm chi tiết sau: - Nhóm chi tiết dạng hộp (bàn máy, bàn trượt trục Y, đầu gá động cơ trục chính, gá đai ốc bi...), hình 2.46 a), b) - Nhóm chi tiết dạng tấm (tấm gá động cơ, tấm gá vòng bi, các tấm thân máy, vỏ máy...), hình 2.46 e), f). - Nhóm chi tiết dạng bạc (bạc chặn đầu động cơ, ống nối đàn hồi,...), hình 2.46 h). - Nhóm chi tiết dạng thanh (thanh đỡ thân máy,...) hình 2.46 g). a b e f g h Hình 2. 11: Các họ chi tiết trong máy phay CNC 2.3.2 Xác định điều kiện sản xuất Trong phạm vi của đề tài, việc chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ thuộc quy mô sản xuất đơn chiếc. Mặt khác, trong quá trình chế thử không thể tránh được việc thay đổi kết cấu, thiết kế lại, vừa làm vừa sửa. Do vậy, việc chế tạo máy phay CNC cỡ nhỏ không thích hợp với các nhà máy có dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh và chuyên môn hoá cao mà được thực hiện tại các xưởng chế thử của các viện nghiên cứu, xưởng thực hành của nhà trường hoặc tại các cơ sở sản xuất tư nhân. Tại trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Nam Định, thiết bị rất đa dạng và nhiều chủng loại, như máy tiện, phay vạn năng thông thường, máy CNC các loại (máy tiện CTX310e, máy phay DMU50, cắt dây, gia công xung điện, máy cắt tấm Plasma, máy gấp, hàn,...), ngoài ra còn có các xưởng gò, xưởng nguội, nên đủ năng lực và điều kiện gia công chính xác. 2.3.3 Định hướng công nghệ Từ phân tích về đặc điểm kết cấu của sản phẩm về điều kiện sản xuất, có thể rút ra một số định hướng chung về công nghệ như sau: 264 - Sử dụng các loại phôi sẵn có trên thị trường, tạo hình sơ bộ bằng các phương pháp cắt, hàn, rèn uốn tự do, cắt dây,... - Sử dụng thiết bị công nghệ vạn năng để gia công các bề mặt thông thường, kết hợp sử dụng các máy điều khiển số cho các bề mặt có hình dạng phức tạp hoặc yêu cầu cao về độ chính xác kích thước, vị trí tương quan và độ nhám bề mặt. - Sử dụng đồ gá vạn năng, kết hợp rà gá hoặc vạch dấu để phân bố đều lượng dư gia công và thích ứng với điều kiện phôi kém chính xác; giảm chi phí để thiết kế, chế tạo các đồ gá chuyên dùng. - Quy trình công nghệ không thiết kế tỷ mỷ, tiến trình công nghệ và nội dung các nguyên công có thể được hiệu chỉnh. Chế độ cắt mang tính định hướng, tuỳ theo tình trạng của phôi, dao và máy mà công nhân có thể thay đổi để đạt yêu cầu kỹ thuật. - Là sản phẩm nghiên cứu khoa học, chưa sản xuất đại trà, thời gian làm việc ít nên vấn đề tuổi thọ chưa được đặt ra. Nguyên công nhiệt luyện, nếu không ảnh hưởng đến độ bền thì không cần thiết thực hiện. - Việc lắp ráp được thực hiện hoàn toàn thủ công. Độ chính xác tổng thể của máy phay CNC được đánh giá dựa trên độ chính xác của sản phẩm được gia công trên nó. 2.3.5 Chọn phương án công nghệ Phần lớn các chi tiết gia công được chế tạo từ thép 45 và gang. Ở trạng thái bình thường chúng có tính gia công rất tốt. Do vậy phương pháp gia công cơ áp dụng cho các chi tiết thuộc đề tài là phay, tiện, khoan, khoét, doa và ta rô. Do quy mô sản xuất đơn chiếc nên việc tra và tính chế độ cắt hoàn toàn mang tính thủ công, không cần thiết trình bày cho tất cả mọi chi tiết. Chế độ cắt ghi trong phiếu công nghệ của các chi tiết khác được xác định theo phương pháp tra bảng trong sổ tay công nghệ. 2.3.5 Thiết kế quy trình công nghệ gia công cho một số chi tiết điển hình a. Gia công bàn trượt theo phương Y *) Bản vẽ chi tiết *) Phân tích tính năng làm việc, xác định yêu cầu kỹ thuật và chọn máy *) Xác định dạng sản suất, chọn phôi *) Quy trình công nghệ gia công chi tiết Nguyên công 1:Gia công 6 mặt đạt kích thước 240x170x60(mm) 265 - Máy: Chọn máy phay vạn năng X6332B - Đồ gá : Ê tô máy - Định vị : Chi tiết được định vị 5 bậc tự do - Dao : Dao phay mặt đầu - Sơ đồ gá đặt: Nguyên công 2: Gia công mặt đáy - Máy: máy phay DMU50 - Đồ gá: Ê tô - Định vị: Chi tiết được định vị 5 bậc tự do - Trình tự các bước gia công: Nguyên công 3: Gia công mặt đối diện với mặt đáy - Máy: máy phay DMU50 - Đồ gá: Ê tô - Định vị: Chi tiết được định vị 5 bậc tự do - Trình tự các bước gia công: Nguyên công 5: Tổng kiểm tra 2.3.6 Lắp ráp hoàn thiện máy Bước 1 2 3 4 5 Tên bước gia công Phay 2 rãnh đạt kích thước 76(mm) Khoan 16 lỗ Ø3.5 trên 2 rãnh Tarô 16 lỗ M4 trên 2 rãnh Khoan Ø10 Phay hốc đạt kích thước Ø30+0.02 Bước 1 2 3 4 5 Tên bước gia công Phay rãnh đạt kích thước 64(mm) Khoan lỗ Ø10 Phay hốc đạt kích thước Ø30+0.02 Phay 2 rãnh đạt kích thước 50(mm) Khoan và tarô các lỗ M4 trên 2 rãnh 266 Quá trình lắp ráp máy được thực hiện theo nguyên tắc lắp riêng từng cụm máy, sau đó lắp hoàn thiện các cụm máy với nhau. Sản phẩm lắp được thể hiện như hình 2.49. Hình 2. 12: mô hình máy phay CNC sau khi lắp ráp hoàn chỉnh Hình 2. 13: hình ảnh máy phay CNC thực 267 CHƯƠNG III ĐÁNH GIÁ TÍNH NĂNG VÀ KHẢ NĂNG CÔNG NGHỆ CỦA MÁY PHAY CNC ĐÃ CHẾ TẠO Chương này sẽ trình bày: mục tiêu, phương pháp và kết quả thực nghiệm; đánh giá tính năng điều khiển và khả năng công nghệ, hiệu quả của máy phay CNC đã chế tạo. * Mục tiêu nghiên cứu Trong quá trình thực hiện đề tài, với các thiết bị hiện có gồm máy phay CNC chế tạo, máy tính, phần cứng giao diện và phần mềm cơ sở,... Ban chủ nhiệm đề tài đã tiến hành thử nghiệm quá trình cắt gọt bằng vật liệu chi tiết là nhôm có dạng khối hộp với một số kiểu dáng bề mặt chi tiết khác nhau. Những bề mặt được lựa chọn gia công thể hiện đặc trưng công nghệ có tính phức tạp, hiện đại mà công nghệ phay có thể thực hiện được trên máy CNC. Tuy nhiên, do hạn chế về năng lực, khó khăn về thời gian và điều kiện kinh tế kỹ thuật khác mà việc nghiên cứu lý thuyết cũng còn hạn chế nhất định. Nghiên cứu lý thuyết có vai trò định hướng, còn việc xác định kết cấu và giá trị cụ thể của các thông số điều khiển phải dựa vào nghiên cứu thử nghiệm. Vì vậy, nhiệm vụ trong chương này nhằm 2 mục tiêu chính: (1)- Tiến hành thử nghiệm quá trình cắt, từ đó đánh giá tính năng điều khiển của hệ thống điều khiển số được thiết kế, chế tạo; đánh giá khả năng công nghệ của máy phay CNC được chế tạo; (2)- Nhận xét, đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật. ** Phương pháp và quy mô thực nghiệm Đề tài đã tiến hành thực nghiệm trên nhiều kiểu dáng phôi, nhằm phản ánh quan hệ giữa khả năng điều khiển và khả năng cắt gọt của máy. Chúng tôi xin giới thiệu 3 mẫu sản phẩm đặc trưng: + Kiểu 1: cắt theo biên dạng hình tròn và hình ông sao Mục đích đánh giá: khả năng điều khiển của máy, độ chính xác nội suy, độ chính xác truyền động của hệ thống cơ khí. + Kiểu 2: cắt mặt phẳng bậc theo đường biên dạng cong Mục đích đánh giá: khả năng điều khiển, công suất của máy, độ cứng vững của máy. + Kiểu 3: cắt lô gô của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định Mục đích đánh giá: khả năng điều khiển tổng hợp và khả năng công nghệ phức tạp của máy. 268 3.1 Thử nghiệm và đánh giá tính năng điều khiển Tính năng của hệ thống điểu khiển được đánh giá thông qua chức năng của hệ thống và chất lượng điều khiển. Mà chất lượng điều khiển được đánh giá bởi các chỉ tiêu: thời gian quá độ; sai số điều khiển trong trạng thái xác lập; tính ổn định. Quá trình thực hiện đề tài đã tiến hành nhiều thử nghiệm để khảo sát các chỉ tiêu trên. Bằng kết quả thử nghiệm, cắt thực trên các chi tiết nhôm với những tốc độ cắt khác nhau, những bề mặt từ đơn giản đến phức tạp có thể khẳng định rằng: hệ thống điều khiển được thiết kế sử dụng cho máy phay CNC của đề tài đảm bảo các yêu cầu thông số kỹ thuật về điều khiển mà đề tài đã đặt ra. Về chất lượng điều khiển, hệ làm việc ổn định khi gia công bình thường và ngay cả khi thay đổi dạng điều khiển quá trình cắt gọt trên máy CNC. 3.2 Thử nghiệm và đánh giá khả năng công nghệ Để đánh giá về mặt công nghệ, đề tài đã khảo sát 3 tiêu chí cơ bản: (1) độ nhám bề mặt gia công; (2) độ chính xác kích thước gia công; (3) thời gian gia công. Các tiêu chí trên được dùng để so sánh kết quả gia công trên máy tự chế tạo và gia công trên máy nhập ngoại có kiểu dáng tương tự. Kích thước gia công được đo bằng thước cặp 1:20, bằng panme hiện số1:1000. Hình 2. 14: hình ảnh một số sản phẩm gia công thử nghiệm 3.3 Phân tích kết quả thử nghiệm Trong quá trình thử nghiệm, chúng tôi đã sử dụng cùng một chương trình gia công, cùng một chủng loại và kiểu dáng phôi đem cắt trên hai máy phay CNC: máy phay CNC tự chế tạo và máy phay CNC kiểu ARMONI tương tự. Chúng tôi đã thống kê và so sánh: năng suất gia công (thời gian cắt thực), chất lượng gia công (độ chính xác kích thước, 269 độ nhám bề mặt gia công,...). Kết quả cho thấy: Về chức năng, máy đã thực hiện đúng chức năng công nghệ của nó. Bộ điều khiển chấp nhận và thực hiện đúng lệnh điều khiển. Về tính năng, hệ thống điểu khiển được đánh giá thông qua chức năng của hệ thống và chất lượng điều khiển. Mà chất lượng điều khiển được đánh giá bởi các chỉ tiêu: thời gian quá độ; sai số điều khiển trong trạng thái xác lập; tính ổn định. Quá trình thực hiện đề tài đã tiến hành nhiều thử nghiệm để khảo sát các chỉ tiêu trên. 3.4 Đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật Tuy mức chi phí để thực hiện đề tài còn hạn hẹp, nhưng kết quả của đề tài đã mang lại những giá trị kinh tế - kỹ thuật nhất đinh: - Giảm chi phí do không phải đầu tư mua các thiết bị của nước ngoài. - Chủ động trong việc bảo hành, nâng cấp - Sinh viên được làm quen với mô hình máy CNC ảo trước khi làm việc với máy CNC thật giúp nâng cao hiệu quả đào tạo. - Có thể cài đặt các mô hình máy CNC ảo với số vị trí lập trình không hạn chế giúp cho môi trường, điều kiện học tập của Sinh viên tốt hơn. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Qua thời gian dài nghiên cứu, thực hiện đề tài. Ban chủ nhiệm đã hoàn thành, thực thi đầy đủ các nội dung nghiên cứu của đề tài đã được phê duyệt, có thể kết luận và khuyến nghị như sau: I. KẾT LUẬN 1) Về cơ sở lý luận: Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC); nghiên cứu 4 chuyên đề có giá trị về khoa học, có giá trị và ý nghĩa thực tiễn cao, phục vụ thiết thực cho nội dung nghiên cứu đề tài. 2) Về thực hành: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, lắp ráp thành công phần kết cấu cơ khí và phần điều khiển. 3) Sản phẩm đạt được là một máy phay điều khiển theo chương trình số (CNC), máy được chạy thử và thử nghiệm quá trình cắt gọt để đánh giá về tính năng điều khiển và khả năng công nghệ của máy. Bằng kết quả thực nghiệm đã khẳng định: + Khả năng nối ghép các mô-đun phần cứng, phần mềm để thu thập và xử lý dữ liệu, xuất tín hiệu điều khiển, nối ghép tín hiệu với máy CNC,... + Khả năng xây dựng các mô-đun phần mềm: xây dựng thuật toán, 270 xây dựng và nối ghép các mô-đun chức năng để thực hiện hiệu chỉnh; xây dựng giao diện người dùng và điều hành hệ thống rất thân thiện, dễ sử dụng,... + Máy có khả năng làm việc ổn định, thực hiện được chức năng công nghệ của máy phay CNC với mức độ tốt. + Song song với máy CNC thực là mô hình máy ảo được thiết kế với mục đích tạo ra nhiều trạm lập trình, mô phỏng kiểm tra chương trình trước khi gia công trên máy thật. Thiết kế này phù hợp với mục đích đào tạo. II. KHUYẾN NGHỊ Đề tài đã đạt được những thành công và có đóng góp như đã nêu trên, nhưng do khuôn khổ của nhiệm vụ nghiên cứu, do những hạn chế về điều kiện nghiên cứu và năng lực tài chính nên đề tài khó tránh khỏi những hạn chế. Mặt khác, đây là đề tài ứng dụng khoa học – công nghệ tiên tiến mang tính khai phá một hướng mới, mạnh dạn,... nên còn nhiều vấn đề cần được nghiên cứu tiếp. Sau đây xin được đề xuất một vài hướng để hoàn thiện và phát triển kết quả nghiên cứu: - Hoàn thiện kết cấu hệ thống theo kiểu dáng công nghiệp có kỹ mỹ thuật đẹp hơn, độ cứng vững tốt hơn, công suất lớn hơn và nâng cao khả năng công nghệ của máy,... - Tiếp tục thử nghiệm nhiều hơn và nêu các số liệu thống kê để đánh giá và lý giải rõ hơn về việc so sánh hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong các trường hợp khác nhau về hình dạng phôi, vật liệu và kích thước dao, chế độ gia công,... Tuy nhiên, có thể khẳng định cơ sở khoa học, các giải pháp kỹ thuật thiết kế, chế tạo được đề xuất là chính xác. Việc nghiên cứu khai phá khả năng chế tạo mang tính mạnh dạn trong điều kiện Việt Nam như đề tài thực hiện mới chỉ đạt kết quả bước đầu và nhỏ bé. Để hướng nghiên cứu được phát triển, nhất là kết quả nghiên cứu được đưa vào thực tế, vấn đề này rất cần được tổ chức nghiên cứu và chỉ đạo, trước hết là sự quan tâm của các nhà khoa học, các cơ sở giáo dục – đào tạo, sản xuất và các cơ quan quản lý khoa học công nghệ. Ban chủ nhiệm đề tài rất mong được sự quan tâm, góp ý và hợp tác của các đồng nghiệp để đề tài có thể tiếp tục nghiên cứu, triển khai, có sản phẩm tốt hơn và thực tế hơn./. 271