ANH – Ông Ross Turnbull, Giám đốc Phát triển Kinh doanh và Kỹ thuật Sản phẩm tại Công ty Swindon Silicon Systems, chuyên thiết kế và cung cấp các vi mạch tích hợp chuyên dụng – ASIC (application-specific integrated circuit), khám phá lợi ích của vi mạch tích hợp (IC – integrated circuit) tùy chỉnh trong các ứng dụng công cụ thông minh.

Từ việc phát hiện độ mòn dụng cụ đến việc tự động thay đổi dụng cụ, cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc triển khai các phương pháp gia công thông minh dành cho máy CNC (computer numercial control). Nhưng làm thế nào để các doanh nghiệp sản xuất có thể đảm bảo những cảm biến này đạt tiêu chuẩn?

Việc tích hợp các cảm biến và tính năng kết nối trong các giải pháp dụng cụ, hay còn gọi là dụng cụ thông minh, mang lại lợi thế cho các nhà sản xuất từ dữ liệu thời gian thực và khả năng tự động hóa, giúp cải thiện hiệu quả sản xuất.

Hệ thống Silicon Swindon

Đo lường độ hao mòn
Cảm biến được sử dụng ngày càng phổ biến trong các máy CNC để theo dõi độ mòn của dụng cụ. Việc đo lường và dự đoán độ mòn của dụng cụ giúp hạn chế các vấn đề về chất lượng sản phẩm do sự xuống cấp của dụng cụ cắt theo thời gian. Tuy nhiên, các phương pháp giám sát như kính hiển vi và thiết bị laser yêu cầu tạm dừng gia công để thực hiện việc kiểm tra dụng cụ, do đó làm tăng thời gian ngừng hoạt động của máy và chi phí sản xuất. 

Ngược lại, công nghệ cảm biến cung cấp một phương tiện hiệu quả hơn về mặt thời gian để xác định tình trạng dụng cụ. Một ví dụ là máy đo gia tốc hệ thống vi cơ điện tử (MEMS – micro-electro mechanical system), thường được sử dụng để đo những thay đổi về mô hình rung động trong quá trình gia công. Hiểu biết về rung động có thể giúp nhà sản xuất tránh những thay đổi bất lợi cho chất lượng bề mặt và hình dạng của dụng cụ. 

Máy đo gia tốc MEMS áp trở đo độ rung bằng cách sử dụng một dầm công xôn (1) có gắn khối lượng cảm ứng (2) ở đầu tự do của dầm, và một cảm biến áp điện trở được đặt ở giữa dầm. Khi thiết bị di chuyển, quán tính sẽ làm dầm công xôn bị uốn cong, làm thay đổi sự phân bố khối lượng của dầm bằng tấm wafer silicon (3). Sự biến dạng này tạo ra một tín hiệu điện, tỷ lệ thuận với gia tốc của vật thể.
(1) Dầm công xôn (cantilever beam): Là một thanh hoặc dầm rất nhỏ, được chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử. Thanh này được gắn cố định tại một đầu vào thân của cảm biến, trong khi đầu còn lại hoàn toàn tự do và có thể di chuyển hoặc uốn cong.
(2) Khối lượng cảm ứng (proof mass): là một vật thể có khối lượng nhỏ, được gắn vào đầu tự do của dầm công xôn (có cấu trúc đàn hồi).
(3) Tấm wafer silicon: là một miếng silicon tinh thể mỏng, thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điện tử.

Việc tích hợp các cảm biến này vào hệ thống dụng cụ có thể giúp phát hiện những thay đổi nhỏ trong hình dạng dụng cụ và kiểu mài mòn, cho phép doanh nghiệp sản xuất lên lịch thay thế dụng cụ trước khi xảy ra hỏng hóc, do đó giảm tỷ lệ phát sinh phế liệu và duy trì tính nhất quán của các thông số kỹ thuật sản phẩm.

Thay đổi dụng cụ thông minh hơn
Cảm biến không thể thiếu trong hệ thống thay đổi công cụ tự động (ATC – automatic tool change) được sử dụng trên máy CNC dùng cho nhiều loại gia công vật liệu khác nhau, chẳng hạn như chuyển đổi giữa máy phay và máy mài. 

Hệ thống ATC giúp giảm xảy ra lỗi do con người và tai nạn liên quan đến việc thay đổi dụng cụ thủ công. Lợi ích của chúng không chỉ dừng lại ở sự an toàn, mà còn góp phần tăng tính linh hoạt trong sản xuất, cho phép doanh nghiệp sản xuất xử lý nhiều loại vật liệu và linh kiện hơn với mức tái cấu hình tối thiểu.

Nhiều loại cảm biến được triển khai để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống ATC. Hai ví dụ phổ biến là cảm biến vị trí và cảm biến tiệm cận (4).
(4) Cảm biến tiệm cận (proximity sensor): là loại cảm biến phát ra trường điện từ hoặc bức xạ điện từ, để phát hiện các vật thể ở khoảng cách gần mà không cần tiếp xúc vật lý. 

Cảm biến vị trí cung cấp phản hồi về vị trí của ba bộ phận cốt lõi của máy: ổ chứa dụng cụ cắt, bộ kẹp giữ và nhả dụng cụ trong quá trình chuyển đổi và bộ phận giữ dụng cụ cắt với trục chính. Trong khi đó, cảm biến tiệm cận xác định xem dụng cụ có được đặt đúng vị trí trong bộ kẹp hay không. 

Ưu điểm của vi mạch ASIC
Để khai thác hoàn toàn khả năng của công cụ thông minh, các doanh nghiệp sản xuất muốn phát triển công nghệ gia công dựa trên cảm biến cần xem xét vai trò của vi mạch tích hợp chuyên dụng (ASIC – application-specific integrated circuit). 

Không giống như các vi mạch tích hợp (IC) được sản xuất hàng loạt và có sẵn trên thị trường, vi mạch vi mạch ASIC được tùy chỉnh để đáp ứng chính xác nhu cầu của từng ứng dụng. Việc tùy chỉnh này mang lại các giải pháp hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí, tích hợp liền mạch với các hệ thống gia công tiên tiến. 

Ví dụ, vi mạch ASIC nâng cao hiệu suất của máy đo gia tốc MEMS trong máy CNC bằng cách cung cấp khả năng điều chỉnh tín hiệu tùy chỉnh để tối ưu hóa việc giám sát độ mòn của dụng cụ. Bằng cách tích hợp vi mạch ASIC, quá trình xử lý tín hiệu của máy đo gia tốc được điều chỉnh để cải thiện độ chính xác và khả năng chống nhiễu, đảm bảo dữ liệu tình trạng dụng cụ đáng tin cậy hơn. 

Thiết kế chip vi mạch ASIC được tối ưu hóa hoàn toàn giúp loại bỏ các thành phần không cần thiết, cho phép tập trung năng lượng vào các tính năng quan trọng nhất cho các ứng dụng gia công thông minh. Thiết kế hợp lý này đảm bảo các cảm biến vị trí và cảm biến tiệm cận có thể cung cấp phản hồi vị trí chính xác và đáng tin cậy. 

Một lợi ích nữa của việc lựa chọn vi mạch ASIC so với vi mạch tiêu chuẩn là nó mang lại khả năng bảo vệ vượt trội trước nguy cơ lỗi thời. Với chip bán sẵn, có nguy bị ngừng sản xuất nếu doanh số giảm và việc sản xuất linh kiện không còn khả thi về mặt tài chính. Tuy nhiên, vì vi mạch ASIC được thiết kế riêng cho ứng dụng của khách hàng, các nhà cung cấp có thể đảm bảo nguồn cung sẽ luôn sẵn sàng trong suốt vòng đời của sản phẩm cụ thể đó. 

Việc tích hợp vi mạch ASIC vào hệ thống dụng cụ thông minh mang lại những lợi thế cho doanh nghiệp, từ việc nâng cao hiệu suất cảm biến đến đảm bảo độ tin cậy lâu dài. Với khả năng tùy chỉnh cho các ứng dụng cụ thể, vi mạch ASIC cung cấp các giải pháp tối ưu giúp cải thiện hiệu suất, giảm thời gian ngừng hoạt động và giảm lỗi thời, biến chúng thành một thành phần thiết yếu cho máy CNC trong tương lai.

Để xem các tin bài khác về “Vi mạch”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Machinery