Khóa luận: Chế tạo hệ thống khung cơ khí máy phay CNC 3 trục, 4 đầu phay

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Chế tạo hệ thống khung cơ khí máy phay cnc 3 trục 4 đầu phay, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Lê Văn Lương
• Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Thành Trung
• Trường học: Đại Học Lâm Nghiệp
• Chuyên ngành: Công nghệ Kĩ thuật Cơ điện tử
• Đề tài: Chế tạo hệ thống khung cơ khí máy phay CNC 3 trục, 4 đầu phay
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan dự án chế tạo khung cơ khí máy phay CNC 3 trục

Dự án chế tạo hệ thống khung cơ khí máy phay cnc 3 trục 4 đầu phay là một bước tiến quan trọng trong nỗ lực tự chủ công nghệ chế tạo máy tại Việt Nam. Mục tiêu chính là tạo ra một hệ thống khung máy vững chắc cho máy phay CNC có kích thước làm việc 1200x1000 mm, có khả năng gia công các vật liệu phi kim như gỗ, mica, và nhựa PVC. Việc này không chỉ giảm sự phụ thuộc vào máy móc nhập khẩu có giá thành cao mà còn mở ra cơ hội làm chủ kỹ thuật, tối ưu hóa chi phí đầu tư và nâng cao năng suất sản xuất trong nước. Một khung sườn máy cnc chất lượng cao là nền tảng quyết định đến độ chính xác và tuổi thọ của toàn bộ cỗ máy. Theo nghiên cứu của Lê Văn Lương (2020) tại Đại học Lâm nghiệp, việc thiết kế và chế tạo thành công hệ thống khung này là tiền đề để phát triển các dòng máy CNC nội địa, đáp ứng nhu cầu đa dạng từ các xưởng sản xuất nhỏ đến các doanh nghiệp công nghiệp lớn. Hệ thống khung được yêu cầu phải có độ bền tải trọng cao, kết cấu ổn định để hỗ trợ đồng thời 4 spindle cnc, tối ưu hóa cho các công việc sản xuất hàng loạt. Nghiên cứu tập trung vào các yếu tố cốt lõi như hệ thống dẫn hướng, cơ cấu truyền động, và quy trình gia công khung máy cnc để đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt được các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe. Việc làm chủ công nghệ này sẽ góp phần thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo máy và tự động hóa trong nước phát triển mạnh mẽ.

1.1. Mục tiêu và phạm vi chế tạo khung máy CNC 4 đầu phay

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là chế tạo thành công hệ thống khung cơ khí máy phay CNC 3 trục (X, Y, Z) và 4 đầu phay, với vùng làm việc hiệu dụng là 1200x1000 mm. Hệ thống này được thiết kế để có độ bền và khả năng chịu tải trọng cao, chuyên dụng cho việc gia công các vật liệu phi kim phổ biến trong ngành quảng cáo và nội thất như gỗ, mica, nhựa PVC, alu. Phạm vi nghiên cứu của dự án tập trung chủ yếu vào phần cơ khí, bao gồm việc thiết kế khung máy cnc 3 trục trên phần mềm chuyên dụng, lựa chọn vật liệu, và xây dựng quy trình gia công, lắp ráp hoàn chỉnh. Cụ thể, nghiên cứu sẽ đi sâu vào việc tối ưu hóa hệ thống dẫn hướng và hệ thống truyền động vitme bi, hai thành phần quyết định trực tiếp đến độ chính xác và sự ổn định khi máy vận hành ở tốc độ cao. Dự án không đi sâu vào phần mạch điện tử điều khiển hay phần mềm, mà tập trung hoàn toàn vào việc xây dựng một nền tảng cơ khí vững chắc, làm cơ sở cho các nâng cấp và tích hợp sau này.

1.2. Tầm quan trọng của một kết cấu thép máy CNC vững chắc

Một kết cấu thép máy CNC vững chắc đóng vai trò là xương sống của toàn bộ hệ thống, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Độ cứng vững của khung máy là yếu tố tiên quyết để chống lại các biến dạng gây ra bởi lực cắt và trọng lượng của các cụm chi tiết chuyển động, đặc biệt là với máy CNC nhiều đầu phay. Khung máy yếu sẽ dẫn đến sai số gia công, giảm tuổi thọ của dao cắt và các linh kiện cơ khí khác. Hơn nữa, một khung sườn máy cnc được thiết kế và chế tạo tốt sẽ giúp giảm thiểu rung động, một trong những nguyên nhân chính gây ra bề mặt gia công không mịn và tiếng ồn lớn. Việc lựa chọn vật liệu làm khung máy CNC phù hợp, kết hợp với các kỹ thuật như hàn kết cấu khung máy đúng tiêu chuẩn và khử ứng suất nhiệt khung thép, là các bước không thể thiếu để đạt được độ cứng vững của khung máy tối ưu. Đây là nền tảng để máy có thể hoạt động ổn định ở tốc độ cao, đảm bảo độ chính xác lặp lại và mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài.

II. Thách thức lớn khi chế tạo khung máy phay CNC 4 đầu phay

Việc chế tạo hệ thống khung cơ khí máy phay cnc 3 trục 4 đầu phay đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Thách thức lớn nhất chính là đảm bảo độ cứng vững của khung máy và sự ổn định động học. Với bốn đầu phay hoạt động đồng thời, tổng trọng lượng và lực cắt tác động lên trục X và Z tăng lên đáng kể, đòi hỏi một kết cấu thép máy CNC cực kỳ chắc chắn để tránh biến dạng và cong vênh. Bất kỳ sai lệch nhỏ nào trong quá trình gia công khung máy CNC đều có thể bị khuếch đại, dẫn đến sai số lớn trên sản phẩm cuối cùng. Một vấn đề khác là giải quyết bài toán chống rung cho máy phay. Rung động sinh ra từ nhiều nguồn: động cơ, sự không đồng tâm của trục chính, và quá trình cắt gọt. Với bốn đầu phay, các tần số rung động có thể cộng hưởng, gây ra tác động tiêu cực đến chất lượng bề mặt và độ bền của máy. Do đó, việc tính toán kết cấu, lựa chọn vật liệu và phương pháp lắp ráp phải được cân nhắc kỹ lưỡng. Thêm vào đó, việc đảm bảo độ song song và vuông góc giữa các thanh trượt và trục vitme trên một khung máy kích thước lớn là một công việc đòi hỏi độ chính xác cao, đặc biệt là công đoạn phay mặt phẳng đế ray và lắp ráp khung máy cnc. Những thách thức này yêu cầu một quy trình chế tạo được kiểm soát chặt chẽ từ khâu thiết kế đến khi hoàn thiện.

2.1. Giải pháp đảm bảo độ cứng vững và khả năng chịu tải

Độ cứng vững của khung máy là yếu tố quan trọng hàng đầu, quyết định khả năng chống lại biến dạng dưới tác động của tải trọng tĩnh và động. Để giải quyết thách thức này, giải pháp được đưa ra là sử dụng thép hộp C45 có độ dày lớn cho các bộ phận chính của thân máy và chân đế. Theo tài liệu gốc, việc lựa chọn thép C45 cacbon trung bình mang lại sự cân bằng tối ưu giữa độ bền, độ cứng và chi phí. Kết cấu thép máy CNC được thiết kế theo dạng khung hộp kín, kết hợp với các gân tăng cứng tại các vị trí chịu lực chính. Kỹ thuật hàn kết cấu khung máy được thực hiện cẩn thận để đảm bảo các mối hàn ngấu sâu và chắc chắn. Sau khi hàn, toàn bộ khung được đưa qua công đoạn khử ứng suất nhiệt khung thép để loại bỏ các ứng suất dư, ngăn ngừa hiện tượng cong vênh theo thời gian. Các bề mặt lắp ráp quan trọng, như vị trí lắp thanh trượt vuông và gối đỡ vitme, đều được gia công chính xác bằng phương pháp phay mặt phẳng đế ray, đảm bảo độ đồng phẳng và song song tuyệt đối.

2.2. Phương pháp chống rung cho máy phay trong quá trình vận hành

Để chống rung cho máy phay, đặc biệt là loại máy CNC nhiều đầu phay, cần áp dụng đồng bộ nhiều giải pháp. Về mặt kết cấu, trọng lượng của khung máy được tăng lên bằng cách sử dụng vật liệu dày và đặc, giúp tăng quán tính và giảm biên độ rung. Thiết kế khung dạng hộp kín cũng góp phần tăng độ cứng chống xoắn, một yếu tố quan trọng để dập tắt các dao động tần số thấp. Về mặt cơ khí, việc sử dụng hệ thống truyền động vitme bi và thanh trượt vuông có độ chính xác cao giúp giảm thiểu ma sát và độ rơ, vốn là những nguồn phát sinh rung động. Các con trượt và đai ốc bi được chọn loại có khả năng tự bôi trơn và có cấp chính xác cao để đảm bảo chuyển động mượt mà. Ngoài ra, chân máy được thiết kế để có thể lắp đặt các đế chống rung chuyên dụng, giúp cách ly máy khỏi các rung động từ sàn nhà xưởng và ngược lại. Quá trình lắp ráp khung máy CNC cũng yêu cầu siết chặt tất cả các bu lông với lực siết tiêu chuẩn để loại bỏ mọi khe hở có thể gây ra rung lắc khi máy hoạt động ở tốc độ cao.

III. Hướng dẫn thiết kế khung máy CNC 3 trục trên phần mềm CAD

Quá trình thiết kế khung máy cnc 3 trục là giai đoạn nền tảng, quyết định toàn bộ đặc tính kỹ thuật của hệ thống. Sử dụng phần mềm CAD 3D như Autodesk Inventor cho phép mô hình hóa chi tiết từng bộ phận và lắp ráp chúng trong môi trường ảo. Điều này giúp phát hiện sớm các xung đột, kiểm tra khả năng lắp ráp và tối ưu hóa kết cấu trước khi đưa vào sản xuất. Quy trình thiết kế bắt đầu bằng việc lựa chọn vật liệu làm khung máy CNC. Dựa trên phân tích, thép C45 được chọn cho thân máy và nhôm hợp kim được chọn cho bàn máy để cân bằng giữa độ cứng và trọng lượng. Tiếp theo, các bản vẽ khung máy cnc 2D và 3D được xây dựng chi tiết, bao gồm kích thước, dung sai và các yêu cầu kỹ thuật cho từng bộ phận như thân máy, vai trục X, cụm trục Z. Một phần quan trọng trong thiết kế là việc tích hợp các hệ thống cơ khí. Việc bố trí hệ thống truyền động vitme bi và thanh trượt vuông phải đảm bảo tính đối xứng và song song để các trục chuyển động mượt mà, chính xác. Phần mềm Inventor cho phép mô phỏng chuyển động, giúp kiểm tra hành trình làm việc của các trục và đảm bảo không có va chạm trong toàn bộ không gian hoạt động. Quá trình này tạo ra một bộ tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, là cơ sở cho công đoạn gia công khung máy CNC.

3.1. Lựa chọn vật liệu làm khung máy CNC Thép và nhôm

Việc lựa chọn vật liệu làm khung máy CNC là một quyết định quan trọng ảnh hưởng đến chi phí, độ bền và độ chính xác của máy. Đối với phần thân và đế máy, nơi yêu cầu độ cứng vững của khung máy và khả năng hấp thụ rung động cao, thép C45 (loại cacbon trung bình) được lựa chọn. Đây là vật liệu phổ biến, giá thành hợp lý, dễ gia công hàn và có cơ tính tốt. Kết cấu thép máy CNC từ C45 đảm bảo sự ổn định lâu dài. Ngược lại, đối với bàn máy, nhôm đúc được ưu tiên sử dụng. Nhôm có trọng lượng nhẹ hơn thép, giúp giảm tải trọng động lên trục Y, cho phép máy di chuyển với tốc độ nhanh hơn mà không làm mất đi sự ổn định. Bề mặt bàn nhôm cũng dễ dàng gia công các rãnh chữ T để kẹp phôi. Sự kết hợp giữa khung sườn máy cnc bằng thép và bàn máy bằng nhôm là một giải pháp tối ưu, vừa đảm bảo độ cứng vững cho toàn bộ hệ thống, vừa giảm thiểu khối lượng các bộ phận chuyển động, nâng cao hiệu suất tổng thể.

3.2. Xây dựng bản vẽ khung máy CNC chi tiết với Inventor

Phần mềm Autodesk Inventor đóng vai trò trung tâm trong việc hiện thực hóa ý tưởng thiết kế. Quá trình bắt đầu bằng việc tạo các mô hình 3D (file .ipt) cho từng chi tiết riêng lẻ như chân máy, dầm ngang, vai trục X, mặt bích, và cụm trục Z. Các công cụ mô hình hóa khối rắn (solid modeling) được sử dụng để dựng hình với kích thước chính xác. Sau khi hoàn thành tất cả các chi tiết, chúng được tập hợp lại trong một môi trường lắp ráp (file .iam). Tại đây, các ràng buộc (constraints) được áp dụng để định vị chính xác vị trí tương đối giữa các chi tiết, mô phỏng đúng như quá trình lắp ráp khung máy CNC trong thực tế. Môi trường lắp ráp cho phép kiểm tra va chạm, phân tích động học và tính toán khối lượng. Cuối cùng, từ mô hình 3D hoàn chỉnh, các bản vẽ khung máy CNC 2D (file .idw hoặc .dwg) được xuất ra. Các bản vẽ này bao gồm đầy đủ hình chiếu, kích thước, dung sai và các ghi chú kỹ thuật cần thiết, làm tài liệu hướng dẫn trực tiếp cho quá trình gia công khung máy CNC.

IV. Phương pháp gia công và lắp ráp khung cơ khí máy phay CNC

Quy trình gia công và lắp ráp khung cơ khí máy phay CNC là giai đoạn biến những thiết kế trên bản vẽ thành một sản phẩm vật lý hoàn chỉnh. Đây là công đoạn đòi hỏi sự chính xác và tuân thủ nghiêm ngặt các nguyên công kỹ thuật. Quá trình bắt đầu từ việc chuẩn bị phôi, chủ yếu là các loại thép hộp C45. Các phôi này sau đó được cắt theo kích thước yêu cầu và đưa vào công đoạn hàn kết cấu khung máy. Việc hàn được thực hiện trong các bộ gá chuyên dụng để đảm bảo độ vuông góc và song song, giảm thiểu biến dạng do nhiệt. Sau khi hàn, một bước cực kỳ quan trọng là khử ứng suất nhiệt khung thép để ổn định kết cấu, tránh cong vênh trong quá trình sử dụng. Tiếp theo, khung máy được đưa lên các máy phay giường lớn để thực hiện công đoạn phay mặt phẳng đế ray, tạo ra các bề mặt lắp ghép có độ phẳng và độ chính xác cao. Các chi tiết nhỏ hơn như mặt bích, vai máy được gia công riêng lẻ trên các máy phay, tiện CNC. Cuối cùng là quy trình lắp ráp khung máy cnc, nơi các chi tiết được ghép nối lại với nhau. Việc lắp đặt thanh trượt vuông và hệ thống truyền động vitme bi yêu cầu các dụng cụ đo kiểm chuyên dụng như đồng hồ so, thước cặp để đảm bảo độ chính xác tuyệt đối.

4.1. Quy trình gia công khung máy CNC Từ phôi đến chi tiết

Quy trình gia công khung máy CNC được xây dựng một cách có hệ thống, đi từ tổng thể đến chi tiết. Đầu tiên, phôi thép được lựa chọn và cắt theo kích thước quy định trong bản vẽ khung máy CNC. Thân máy được tạo hình thông qua việc hàn các hộp thép lại với nhau. Sau khi hàn và xử lý nhiệt, toàn bộ thân máy được định vị trên máy phay lớn để gia công các mặt phẳng lắp ghép. Các chi tiết phức tạp hơn như vai trục X, thân trục X, và cụm trục Z được gia công riêng. Ví dụ, để chế tạo vai trục X, phôi nhôm được định vị, phay mặt, phay hốc, khoan và taro các lỗ ren cần thiết. Mỗi chi tiết đều có một quy trình công nghệ riêng, xác định rõ thứ tự các nguyên công, cách gá đặt, và dụng cụ cắt sử dụng. Quá trình này đảm bảo rằng tất cả các bộ phận đều đạt được dung sai cho phép, sẵn sàng cho công đoạn lắp ráp cuối cùng. Chất lượng của giai đoạn này quyết định trực tiếp đến độ chính xác của toàn bộ khung sườn máy cnc.

4.2. Kỹ thuật hàn và khử ứng suất nhiệt cho khung thép

Kỹ thuật hàn kết cấu khung máy đóng vai trò quyết định đến sự bền vững của khung. Các mối hàn phải được thực hiện bởi thợ hàn có tay nghề cao, sử dụng phương pháp hàn phù hợp (như hàn MIG/MAG) để đảm bảo mối hàn ngấu sâu, không bị rỗ khí hay nứt. Quá trình hàn sinh ra một lượng nhiệt lớn, gây ra ứng suất dư bên trong vật liệu. Nếu không được xử lý, ứng suất này sẽ tự giải phóng theo thời gian, gây ra hiện tượng cong vênh, làm mất đi độ chính xác của máy. Do đó, khử ứng suất nhiệt khung thép là một nguyên công bắt buộc. Khung thép sau khi hàn sẽ được đưa vào lò nhiệt, gia nhiệt từ từ đến một nhiệt độ nhất định (dưới nhiệt độ tới hạn), giữ nhiệt trong một khoảng thời gian, sau đó làm nguội chậm trong lò. Quá trình này giúp các tinh thể kim loại sắp xếp lại, giải tỏa gần như hoàn toàn ứng suất dư, đảm bảo kết cấu thép máy CNC ổn định về mặt kích thước trong suốt quá trình sử dụng.

4.3. Các bước lắp ráp khung máy CNC đảm bảo độ chính xác

Quy trình lắp ráp khung máy CNC được thực hiện theo từng cụm chi tiết và sau đó lắp ráp tổng thể. Đầu tiên là lắp ráp các cụm nhỏ như cụm vai trục X, cụm đỡ đai ốc bi. Sau đó, các cụm này được lắp lên thân máy chính. Bước quan trọng nhất là lắp đặt hệ thống dẫn hướng và truyền động. Các thanh trượt vuông được lắp lên bề mặt đã được phay phẳng. Quá trình này yêu cầu sử dụng căn mẫu và đồng hồ so để đảm bảo hai thanh trượt trên cùng một trục phải song song với nhau với sai số cực nhỏ. Tương tự, hệ thống truyền động vitme bi được lắp đặt sao cho trục vitme song song với thanh trượt. Sau khi lắp đặt xong các thành phần cơ khí, các kỹ thuật viên sẽ tiến hành căn chỉnh, kiểm tra độ vuông góc giữa các trục X, Y, Z bằng thước vuông và các thiết bị đo chính xác khác. Mỗi bước trong quy trình đều được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo toàn bộ hệ thống hoạt động trơn tru, không bị kẹt và đạt được độ chính xác theo yêu cầu thiết kế.

V. Ứng dụng của khung máy phay CNC 4 đầu phay trong thực tiễn

Hệ thống khung cơ khí máy phay CNC 3 trục 4 đầu phay sau khi chế tạo thành công mở ra nhiều ứng dụng thực tiễn giá trị, đặc biệt trong các ngành sản xuất yêu cầu năng suất cao. Với khả năng vận hành đồng thời bốn spindle cnc, cỗ máy này có thể sản xuất cùng lúc bốn sản phẩm giống hệt nhau, giúp tăng năng suất lên gấp bốn lần so với máy một đầu phay truyền thống. Đây là một lợi thế cạnh tranh rất lớn. Ứng dụng phổ biến nhất là trong ngành chế biến gỗ, biến nó thành một khung máy đục gỗ CNC hiệu suất cao. Máy có thể dùng để chạm khắc các chi tiết hoa văn phức tạp trên cửa, tủ, giường, hoặc sản xuất hàng loạt các sản phẩm mỹ nghệ, đồ chơi bằng gỗ. Ngoài ra, trong ngành quảng cáo, máy có thể cắt chữ mica, cắt vách ngăn nhựa PVC, hay khắc trên tấm alu một cách nhanh chóng và chính xác. Khả năng gia công đa dạng các vật liệu phi kim làm cho máy trở nên rất linh hoạt. Việc tự chủ chế tạo hệ thống khung cơ khí này không chỉ tạo ra một công cụ sản xuất hiệu quả mà còn chứng minh năng lực công nghệ, là tiền đề để phát triển các loại máy CNC nhiều đầu phay phức tạp hơn trong tương lai.

5.1. Chế tạo khung máy đục gỗ CNC với năng suất vượt trội

Một trong những ứng dụng chính của hệ thống này là làm nền tảng cho khung máy đục gỗ CNC. Ngành công nghiệp đồ gỗ và mỹ nghệ thường có nhu cầu sản xuất hàng loạt các chi tiết có hoa văn lặp lại. Với thiết kế 4 đầu phay, máy có thể gia công đồng thời 4 sản phẩm, rút ngắn đáng kể thời gian sản xuất và giảm chi phí nhân công. Độ cứng vững của khung máy đảm bảo máy có thể hoạt động ổn định khi gia công các loại gỗ cứng mà không bị rung lắc, tạo ra bề mặt sản phẩm sắc nét và tinh xảo. Hệ thống truyền động vitme bi chính xác cho phép tái tạo các chi tiết hoa văn phức tạp một cách hoàn hảo. Nhờ đó, các xưởng sản xuất có thể đáp ứng các đơn hàng lớn trong thời gian ngắn, nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Đây là một minh chứng rõ ràng về lợi ích của việc đầu tư vào máy CNC nhiều đầu phay.

5.2. Khả năng gia công vật liệu phi kim và ứng dụng quảng cáo

Bên cạnh gỗ, khung cơ khí máy phay CNC này còn có khả năng gia công hiệu quả nhiều loại vật liệu phi kim khác. Trong ngành quảng cáo và làm biển hiệu, máy được sử dụng để cắt mica, alu, formex, và PVC. Bốn đầu phay cho phép sản xuất hàng loạt các bộ chữ, logo, hoặc các tấm trang trí một cách nhanh chóng. Độ chính xác cao của máy đảm bảo các chi tiết cắt ra có đường nét sắc sảo, đồng đều. Ngoài ra, máy cũng có thể được ứng dụng trong việc sản xuất các chi tiết máy bằng nhựa kỹ thuật, làm khuôn mẫu thử nghiệm, hoặc các sản phẩm trong lĩnh vực giáo dục và sáng tạo. Sự linh hoạt trong việc xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau làm cho cỗ máy này trở thành một công cụ đa năng, đáp ứng được nhiều nhu cầu sản xuất đa dạng, từ đó tối đa hóa hiệu quả đầu tư.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU MÁY CNC 1. Tổng quan về máy CNC và quá trình phát triển 1. Sơ lược về máy CNC CNC viết tắt từ tiếng Anh “Computer Numeric Control” là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Sự xuất hiện của công nghệ này là một cuộc cách mạng trong sản xuất công nghiệp, nhất là ngành kim loại.

Sự chuyển động kết hợp giữa ba chiều X-Y-Z của máy CNC giúp thực hiện các công việc gia công trở nên dễ dàng, nhanh chóng và chuẩn xác mà con người không thể làm được, làm giảm thiểu sức của con người. Việc ứng dụng CNC đã trở nên rộng rãi sau một thời gian ngắn, chủ yếu là các ngành kim khí điện máy, ngành may mặc, ngành quảng cáo, ngành điện tử, ngành mỹ nghệ…các chất liệu sử dụng CNC để gia công là: sắt, inox, đồng, nhôm, mica, gỗ, MDF. Một máy CNC bao gồm các thành phần chính sau:  Khung máy và kết cấu cơ khí.  Các động cơ dẫn truyền chuyển động di chuyển các trục và động cơ khoan.

 Mạch lực (mạch công suất) điều khiển các động cơ.  Mạch điều khiển.  Phần mềm điều khiển máy CNC. Đề tài này sẽ nghiên cứu các vấn đề về máy CNC, trong đó tập trung vào thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục và thử nghiệm trong điêu khắc gỗ 3D.

Lịch sử phát triển của máy CNC Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự , hàng không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng …là cao nhất. Ngày này, lịch sử phát triển CNC đã trải qua quá trình phát triển không 12 ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit,… cho đến nay đã đạt 32 bit và cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và sử lý.1 Mô hình điều khiển CNC Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí, chế biến gỗ đã phát triển và đạt đến trính độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM ( Conputer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện tại được đưa vào áp dụng đem lại nhưng hiệu quả kinh tế rất lớn.2 Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 13 1. Cơ sở máy CNC Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ.3 Cơ sở của các máy CNC Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải.

Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục X, Y, Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z.4 Miêu tả các trục của máy công cụ Để có thể tính toán quỹ đạo chuyển động của dụng cụ nhằm xây dựng chương trình điều khiển máy CNC như mô tả ở phần trên, một điểm quan trọng là việc xác định hệ thống tọa độ và các điểm gốc, điểm gốc chuẩn Thông thường, trên các máy điều khiển theo chương trình số, người ta thường sử dụng hệ tọa độ Descarte OXYZ theo quy tắc bàn tay phải hình 1.4 và nó được gắn vào chi tiết gia công. Gốc của hệ trục tọa độ có thể đặt tại bất kỳ một điểm nào đó trên chi tiết, nhưng thông thường người ta sẽ chọn tại những điểm thuận lợi cho việc lập trình, đồng thời dễ dàng kiểm tra kích thước theo bản vẽ của chi tiết gia công mà không phải thực hiện nhiều bước tính toán bổ sung.

Một đặc điểm mang tính quy ước là trên các máy điều khiển theo chương trình số, chi tiết gia công được xem là cố định được gắn với hệ thống tọa độ cố định nói trên, còn mọi chuyển động tạo hình và cắt gọt đều do dụng cụ thực hiện. Trong thực tế, điều này đôi khi là ngược lại, ví dụ như trên máy phay thì chính bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động tạo hình, còn dụng cụ chỉ thực hiện chuyển động cắt gọt. Vì vậy khi sử dụng máy điều khiển theo chương trình số cần phải luôn luôn tạo nên một thói quen để tránh những nhầm lẫn đáng tiếc có thể gây ra nguy hiểm cho máy, dụng cụ và con người. Theo quy ước chung, phương của trục chính của máy là phương của trục OZ, còn chiều dương của nó được quy ước khi dao tiến ra xa chi tiết.

Ví dụ: với máy tiện 2D thông thường thì trục hình của nó nằm ngang và trùng với phương OZ của hệ tọa độ, chiều dương của nó hướng ra khỏi ụ trục chính (hướng về phía bàn dao). Phương chuyển động của bàn xe dao theo hướng chính là phương OX và chiều dương của nó là hướng ra xa bề mặt chi tiết gia công. Đối với máy phay thẳng đứng, trục Z hướng theo phương thẳng đứng lên trên, còn trục X và trục Y được xác định theo quy tắc 15 bàn tay phải, tuy nhiên trong thực tế các nhà chế tạo máy lại thường ưu tiên chọn trục X là trục mà có chuyển động bàn máy dài hơn. Đối với các chuyển động quay xung quanh các trục tương ứng X, Y, Z được xác định bằng các địa chỉ A, B, C sẽ được xác định là dương khi chiều quay đó có hướng thuận chiều kim đồng hồ khi nhìn theo chiều dương của các trục tương ứng (khi nhìn vào gốc của hệ trục toạ độ từ phía các trục thì chiều quay của chúng là ngược chiều kim đồng hồ).

Ngoài ra, còn một số chuyển động phụ song song với các trục tương ứng với các trục X, Y, Z là các địa chỉ U, V, W và hướng của chúng. Đặc điểm và phân loại Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm sau.  Truyền động : Thủy lực, khí nén và điện.  Phương pháp điều khiển : Tọa độ hay quỹ đạo.

 Hệ thống định vị: Định vị kich thước tuyệt đối và định vị nối tiếp  Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.  Số trục tọa độ : 3 trục, 4 trục, 5 trục. Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, có thể được chia thành các nhóm sau: - Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài. - Nhóm máy khoan, doa để gia công khoan, doa các phôi.

- Nhóm máy phay để gia công phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên công bằng cách thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp. - Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ.

- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa. Một số máy CNC hiện hành Tại thị trường Việt nam đã xuất hiện nhiều loại máy CNC chủ yếu là sản xuất tại Trung Quốc, một số do các nước Đông Âu sản xuất, tuy nhiên số lượng ít, những 16 máy này thường được dùng ở các nhà máy đóng tầu, các cơ sở sản xuất công cụ, chế tạo cơ khí. Và hiện nay, đã xuất hiện các máy CNC dùng chế tác sản phẩm phi kim. Dưới đây dẫn chứng một số máy đang bán và dùng tại Việt Nam.5 là hình ảnh của máy CNC 1325 QC gia công chất liệu kim loại và phi kim loại.

Máy do Trung Quốc sản xuất được nhập khẩu và bán bởi công ty Eramachinery, Việt Nam.5:Máy phay CNC 1325  Kết cấu và các thông số của máy: Kết cấu bàn máy: Khung thép, mặt bàn nhôm đúc, khay nước, vòi nước phun trực tiếp để gia công sắt, tủ điều khiển liền khung tiết kiệm diện tích, thông số máy và các tính năng khác được liệt kê ở bảng 1.1: Thông số và tính năng của máy phay CNC 1325 Ray trượt loại: X-Y-Z trượt vuông Hiwin Taiwan. Trục Z: Vitme bi 2510 Taiwan. Khổ làm việc: 1300 x 2500 x 160mm. Tốc độ chạy lớn nhất của 24,000mm/min máy: Độ chính xác: 0.02mm Phần mềm: Artcut Wentai 2002, Wentai V8, ArtCAM, Jdpaint, Aspire 3.

Tổng công suất: 10kW. 17 Nguồn Cung cấp điện: 220/50/60Hz AC (1 pha). Động cơ bước: X- Z Leadshine Công suất động cơ trục (spindle): 3.2Kw chính: Trên hình 1.6 là máy tiện CNC MC3015II. Máy do Trung Quốc chế tạo, vật liệu gia công có thể là kim loại và phi kim.

Thông số và tính năng của máy cho trong bảng 1.6 Máy tiện CNC MC3015II Bảng 1.2 Thông số và tính năng của máy tiện CNC MC3015II Khung máy và chi tiết máy Hợp Kim nhôm đúc, thép Ray trượt các trục XYZ Trượt vuông Taiwan Độ dài gia công tối đa 1500mm Đường kích gia công 160-300 mm Điện áp sử dụng 380 V Tốc độ trục chính 40000 vòng/phút Tổng công suất máy 9 kw Hệ thống điều khiển XZ AC Hybrit Servo 18 Phần mềm hỗ trợ Corel, card. Phần mềm điều khiển Nc studio Chất liệu gia công Kim loại, phi kim, gỗ, đá. Trọng lượng 2300kg 19 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHUNG CƠ KHÍ CHO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC, 4 ĐẦU PHAY 2. Kết cấu chung về cơ khí của máy CNC.

Thân máy và đế máy thường được chế tạo bằng các chi tiết thép đen vì thép đen là loại vật liệu vô cùng phổ biến trên thị trường, chủng loại đa dạng, phong phú cả về kích thước kích thước, giá thành hợp lý.