Báo cáo đề tài NCKH: Thiết kế và Chế tạo Máy phay CNC mini 5 trục (ĐH SPKT TPHCM)

Chuyên khảo phân tích Đề tài nckh máy phay cnc mini 5 trục, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Nguyễn Quyền Sơn
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Chí Thiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Chế tạo Máy
• Đề tài: Máy CNC mini 5 trục
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Máy Phay CNC Mini 5 Trục

Máy phay CNC mini 5 trục là một thiết bị chế tạo hiện đại được phát triển nhằm nâng cao khả năng gia công chi tiết phức tạp. Đề tài nghiên cứu khoa học này được thực hiện bởi sinh viên ngành Công nghệ Chế Tạo Máy tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM. Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 5 trục với khả năng hoạt động linh hoạt trên 5 trục tọa độ. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nằm ở việc ứng dụng công nghệ CAM/CNC hiện đại vào sản xuất, giảm chi phí gia công và tăng độ chính xác chi tiết. Máy được thiết kế dành cho các cơ sở đào tạo kỹ thuật và các xưởng gia công nhỏ, giúp nâng cao kỹ năng thực hành của sinh viên và hiệu suất sản xuất của doanh nghiệp.

1.1. Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn

Ý nghĩa thực tiễn của máy phay CNC mini 5 trục thể hiện trong việc cung cấp công cụ gia công hiện đại cho các trường đại học và doanh nghiệp nhỏ. Ý nghĩa khoa học là áp dụng các kiến thức về hệ thống truyền động, điều khiển tự động và thiết kế cơ khí. Máy hỗ trợ gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp với độ chính xác cao, tiết kiệm thời gian và chi phí so với gia công thủ công truyền thống.

1.2. Mục Tiêu Và Phạm Vi Nghiên Cứu

Mục tiêu chính là thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh một máy phay CNC mini 5 trục đạt hiệu suất cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế các chi tiết, lựa chọn phương án truyền động, tính toán kiểm nghiệm sức bền, và lập trình điều khiển bằng phần mềm Mach3. Máy được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho không gian làm việc hạn chế nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Máy Phay CNC Mini 5 Trục

Lý thuyết về máy phay CNC mini 5 trục dựa trên nguyên tắc hoạt động của các máy công cụ CNC hiện đại. Hệ thống bao gồm 5 trục tọa độ chính: ba trục tuyến tính (X, Y, Z) để di chuyển chi tiết hoặc dụng cụ cắt, và hai trục quay (A, C) để tạo các góc gia công phức tạp. Máy phay CNC mini 5 trục có thể là loại HEAD-HEAD, HEAD-TABLE hoặc TABLE-TABLE, mỗi loại có ưu điểm riêng. Hệ tọa độ của máy tuân theo quy tắc bàn tay phải, với điểm chuẩn M là gốc tọa độ máy, điểm O là gốc tọa độ chi tiết, và điểm P là chuẩn của dao cắt. Các điểm chuẩn này rất quan trọng trong quá trình lập trình CNC và điều chỉnh độ chính xác gia công.

2.1. Lịch Sử Phát Triển Và Cấu Tạo Máy CNC

Máy CNC đã trải qua quá trình phát triển từ máy công cụ cơ học sang máy điều khiển số. Từ những năm 1950, máy CNC bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp. Ngày nay, máy phay CNC thế hệ mới có tích hợp hệ thống thay dao tự động, cảm biến phản hồi vị trí, và hệ thống điều khiển tự động. Cấu tạo cơ bản gồm khung máy, hệ thống truyền động, đầu phay (spindle), và bộ điều khiển CNC.

2.2. Hệ Thống Tọa Độ Và Điểm Chuẩn

Hệ tọa độ CNC theo tiêu chuẩn quốc tế với trục X, Y, Z xác định vị trí không gian. Điểm chuẩn M là gốc tọa độ máy được thiết lập sẵn. Điểm W là gốc tọa độ chi tiết được người lập trình xác định. Điểm P là điểm chuẩn của dao dùng để điều chỉnh độ dài dao. Các điểm chuẩn khác bao gồm điểm T (giá dao), E (điều chỉnh dao), giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công.

III. Thiết Kế Và Lựa Chọn Phương Án Truyền Động

Thiết kế máy phay CNC mini 5 trục yêu cầu lựa chọn kỹ lưỡng các thành phần truyền động. Vít me - đai ốc bi được lựa chọn thay vì vít me thường vì có hiệu suất cao, ma sát thấp và tuổi thọ dài. Thanh trượt bi (linear guide rail) được sử dụng cho các trục X, Y, Z để đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác. Động cơ bước (step motor) được chọn để điều khiển các trục do chi phí thấp và điều khiển đơn giản. Cơ cấu dẫn hướng được thiết kế để giảm ma sát và tăng độ cứng. Spindle 800W ER11 được lựa chọn cho trục chính, cung cấp lực cắt đủ mạnh. Phần mềm điều khiển Mach3 được sử dụng để lập trình và điều khiển toàn bộ hệ thống máy.

3.1. Lựa Chọn Hệ Thống Truyền Động Và Vít Me

Vít me đai ốc bi có ưu điểm ma sát thấp (3-5%) so với vít me thường (10-15%), cho phép tốc độ cao và chính xác cao. Vít me THK được lựa chọn với đặc tính đảm bảo độ chính xác định vị trong khoảng 0.05mm. Cơ cấu dẫn hướng sử dụng thanh trượt vuông hoặc tròn, giảm sự quỳ ngạ trong quá trình gia công. Lựa chọn vít me và cơ cấu dẫn hướng là yếu tố quyết định độ chính xác và tuổi thọ của máy.

3.2. Lựa Chọn Động Cơ Và Phần Mềm Điều Khiển

Động cơ bước Sumtor 57 được lựa chọn với torque 1.9Nm và tốc độ quay tối đa 3000 vòng/phút. So sánh động cơ bước và servo motor cho thấy bước phù hợp hơn cho ứng dụng mini với chi phí thấp. Phần mềm Mach3 cung cấp giao diện thân thiện, hỗ trợ chuẩn G-code, cho phép lập trình điều khiển 5 trục linh hoạt và chính xác.

IV. Tính Toán Chế Tạo Và Lập Trình Điều Khiển

Tính toán kiểm nghiệm máy phay CNC mini 5 trục bao gồm các bước phân tích lực tác động lên thanh trượt, vít me, và khung máy. Tính toán thanh trượt bi xác định lực pháp tuyến, momen xoắn, và tuổi thọ ray trượt theo tiêu chuẩn ISO. Tính toán vít me - đai ốc bi kiểm tra độ cứng, khả năng chịu tải, và hiệu suất truyền động. Tính toán sức bền khung sử dụng nhôm hợp kim 6063 với độ bền cao, trọng lượng nhẹ. Chế tạo và lắp ráp thực hiện trên các máy công cụ hiện đại sau khi hoàn tất bản vẽ kỹ thuật. Lập trình phần mềm Mach3 bao gồm cài đặt thông số máy, thiết lập hệ tọa độ, và hướng dẫn sử dụng giao diện điều khiển cho người sử dụng.

4.1. Tính Toán Kiểm Nghiệm Chi Tiết Máy

Tính toán thanh trượt bi Hiwin dựa trên các lực tác động trong ba phương và momen xoắn. Quy trình chọn thanh trượt bao gồm: xác định loại rãnh bi, tính toán số lượng thanh trượt cần thiết, kiểm tra tuổi thọ theo km và giờ hoạt động. Cơ tính nhôm hợp kim 6063 đảm bảo sức bền cao với hệ số an toàn từ 2.5 đến 3.0, đáp ứng yêu cầu trong quá trình gia công.

4.2. Chế Tạo Lắp Ráp Và Hướng Dẫn Sử Dụng

Quá trình chế tạo bao gồm gia công các chi tiết trên máy CNC, mài và gọng các bề mặt tiếp xúc. Lắp ráp thực hiện tuần tự các chi tiết theo bản vẽ kỹ thuật, kiểm tra độ đồng tâm và song song. Thiết lập thông số Mach3 bao gồm cấu hình số xung/mm, vận tốc nhanh, và các điểm chuẩn. Hướng dẫn sử dụng cung cấp các bước khởi động máy, lập trình G-code, và an toàn lao động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU 1. Tổng quan Ngày nay, với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, ngành công nghiệp gia công chính xác đã đạt được nhiều thành tựu với sự xuất hiện của nhiều máy CNC hiện đại như máy CNC 4 trục, máy CNC 5 trục, các loại trung tâm gia công CNC. có khả năng xử lý các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, nâng cao năng suất lao động. Máy CNC rất quan trọng trong kỹ thuật chế tạo.

Bất kỳ máy CNC nào cũng có thể giảm tỷ lệ phế phẩm, tăng mức độ tự động hóa trong sản xuất, giảm số lượng nhân công từ đó tăng lợi nhuận cho doanh nghiệp. Sau khi được nhập chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động thực hiện gia công cho đến khi kết thúc để tiết kiệm nguồn nhân lực cho các công việc khác. Ngoài ra, với những máy CNC hiện đại không chỉ làm giảm thiểu sai sót, mà còn tính toán trước thời gian gia công, cho phép người lao động không có tay nghề cao trong việc vận hành máy dễ dàng sử dụng so với các máy gia công truyền thống.1 Máy VMC 650 CNC Hình 1.2 Máy CNC Proton 660 Hình 1.3 Máy CNC 4 trục RMX 2100 Hình 1.4 Máy CNC 5 trục tốc độ cao Máy móc ngày càng hiện đại hơn, đi kèm với chi phí vận hành ngày càng cao. Đó là lý do tại sao rất nhiều kỹ sư đã tự tìm hiểu và chế tạo các máy CNC nhỏ hơn, chi phí thấp hơn nhưng vẫn đủ các yếu tố để đáp ứng nhu cầu gia công và sản xuất.

12 Công nghệ gia công CNC ngày càng phát triển thì việc tích hợp khả năng thực hiện nhiều bước gia công trong cùng một máy để giảm số lượng nguyên công, tiết kiệm thời gian cũng như tăng năng suất sẽ trở nên cấp thiết. Do đó, đề tài: "Máy CNC mini 5 trục" là cần thiết và cấp bách đối với nhu cầu hiện nay. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nghiên cứu và sản xuất mô hình máy phay CNC mini 5 trục sẽ thúc đẩy sự sáng tạo và khả năng sử dụng kiến thức của sinh viên trong việc đề xuất các giải pháp mới khi thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 5 trục. Việc thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini 5 trục đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng quan về cơ khí, điện tử và tin học.

Đây cũng là cơ hội để kiểm tra, tìm tòi tự học hỏi và tăng hiểu biết về máy phay CNC mini 5 trục hiện đại để sản xuất máy CNC cho phù hợp với khả năng và nhu cầu. Mô hình máy phay CNC mini 5 trục mà nhóm đã hoàn thành giúp nhóm nắm vững những kiến thức và kỹ năng cơ bản nhất về gia công CNC. Sản phẩm hoàn chỉnh có thể được sử dụng cho giảng dạy hoặc gia công các chi tiết có độ cứng thấp. Mục tiêu nghiên cứu Để hiểu rõ kiến thức về cấu trúc, các nguyên tắc vận hành, điều khiển và lập trình mô hình máy phay CNC mini 5 trục tự chế tạo.

Áp dụng kiến thức đã học để thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini 5 trục. Lập trình, điều khiển để xử lý sản phẩm có độ cứng thấp như gỗ, mica,… Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng Mô hình máy phay CNC mini 5 trục.

Hệ điều hành Mach3 ( phần mềm điều khiển Mach3). Phần mềm thiết kế Autodesk Inventor 2020. Phần mềm lập trình gia công Mastercam 2020. Động cơ và phương pháp truyền động.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC mini 5 trục. 13 Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây: Diện tích làm việc: X 200mm Y 200mm Z 150mm A -30o => 90o C 0o => 360o Dung sai: < 0,2 (mm). Thời gian thực hiện: 3 tháng. Tốc độ quay trục chính tối đa: S = 3000 (vòng/phút).

Tốc độ cắt tối đa: F = 1000 (mm/phút). Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận: - Dựa trên kiến thức nền tảng, tìm hiểu thêm tài liệu về nguyên lý, phương thức hoạt động của mô hình máy phay CNC mini 5 trục để tiến hành thiết kế và chế tạo. - Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải quyết các hạn chế gặp phải.

Phương pháp nghiên cứu cụ thể: - Tìm hiểu, nghiên cứu kết cấu máy phay CNC mini 5 trục. - Xây dựng mô hình và thực nghiệm: chế tạo mô hình máy phay CNC mini 5 trục, vận hành thử, chế tạo sản phẩm. Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu của nước ngoài: - Ý tưởng về điều khiển máy bằng các lệnh nhớ ở các máy CNC đã xuất hiện từ thế kỷ XIV.

Ngày nay, các máy công cụ CNC (Computer Numerical Control) đã hoàn thiện hơn với tính năng vượt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công, với số lần gá đặt ít nhất. Đặc biệt chúng có thể gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp.[2] - Đối với máy phay CNC 5 trục, các thiết kế thường rất đa dạng về hình dáng, thiết kế và vật liệu chế tạo, thông thường gồm 3 loại chính: [4]  Loại Head - Head: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí trên trục chính, thông thường là trục A - B.5 Máy CNC 5 trục loại HEAD HEAD  Loại Head - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 1 trục xoay được bố trí trên trục chính và trục còn lại được bố trí ở bàn máy. Thông thường là trục B trên trục chính, trục A trên bàn máy Hình 1.6 Máy CNC 5 trục loại HEAD TABLE  Loại Table - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí hoàn toàn dưới bàn máy. Thông thường là trục A và B.7 Máy CNC 5 trục loại TABLE - TABLE 1.

Nghiên cứu ở Việt Nam: Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí trong nước đã và đang đầu tư dây chuyền sản xuất với hầu hết các thiết bị trong dây chuyền là máy CNC. Mặc dù công nghệ CNC đã được giới thiệu vào Việt Nam trong một thời gian ngắn nhưng có thể nói công nghệ này đã có một chỗ đứng vững chắc ở Việt Nam và tin tưởng rằng trong những năm tới, công nghệ này sẽ được sử dụng trong nhiều doanh nghiệp, hội thảo, nhà máy ở nước ta. Bởi vì nó mang lại hiệu quả kinh tế rất cao. Đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện tại ở nước ta.

Do đó, việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là một điều cần thiết cho các cơ sở sản xuất nói chung và ngành công nghiệp máy xây dựng nói riêng. Hiện nay, một số trường đại học, cao đẳng đã tập trung sản xuất các mô hình máy CNC phục vụ giảng dạy như mô hình máy phay CNC của Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt plasma, máy khoan mạch in của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, mô hình máy khắc của Đại học Bách khoa Đà Nẵng. Đối với các loại máy CNC, nước ta tuy có nhiều cơ sở nhà xưởng đã bắt đầu nhập khẩu để vận hành gia công các chi tiết cần độ chính xác và phức tạp cao. Nhưng do giá thành đắt đỏ và chuyên gia về máy CNC vẫn chưa nhiều nên việc tự thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini 5 trục ở nước ta vẫn chưa được đẩy mạnh.

16 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển máy CNC CNC (Computer Numeric Controlled) – Thuật ngữ dùng để chỉ sự hoạt động của máy công cụ (phay, tiện, cắt dây, đột dập, cắt khắc,…) dưới sự điều khiển số của máy tính. Ta có thể bắt gặp các loại máy cnc như: máy tiện, may phay, máy xung, máy cắt dây tia lửa điện, máy khắc laser, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột dập và nhiều máy công cụ khác tại các nhà máy cơ khí chính xác, các xưởng cơ khí, các trường kĩ thuật, viện nghiên cứu; nhưng đó là câu chuyện của hiện đại. Quay ngược về quá khứ, nguồn gốc, lịch sử hình thành của “máy CNC” đã trải qua những cột mốc lịch sử sau: - Năm 1808 Toseph và M. Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin).

- Năm 1938 Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MÍT (Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân. Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ. - Năm 1954 Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử. - Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT.

- Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng. - Năm 1960, kỹ thật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn điện tử. - Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer). - Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn.

- Năm 1972, hệ điều khiển NC (Numeric control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ. - Năm 1979, hình thành khối liên hoàn CAD/CAM-CNC. Đến nay gia công CNC hay gia công cơ khí chính xác là một trong những ngành chủ đạo. Điều này là đặc trưng chung của nền kinh tế sản xuất hiện đại chứ không riêng gì quốc gia nào.[3] Trong thực tế, không khó để nhận thấy những thành tựu đáng kể của ngành công nghiệp này trong suốt thời gian qua.

Và tất nhiên, để có thể tạo nên thành công đó không 17 thể bỏ qua vai trò của những máy móc hạ tầng cơ sở tiên tiến. Điển hình như máy CNC mini 5 trục. Máy phay CNC mini 5 trục 2. Khái niệm về máy phay CNC mini 5 trục Máy phay CNC mini là một loại máy được sử dụng phổ biến hơn cả vì nhỏ gọn hơn máy CNC công nghiệp nhưng vẫn đủ các tính năng phổ biến cần thiết.

Nó là tổ hợp của hàng loạt các tính năng cần thiết như: + Phay + Khoan + Taro ren 2. Cấu tạo chung của máy CNC Máy CNC thông thường gồm 2 phần chính là phần điều khiển và phần chấp hành.1 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của máy CNC Phần điều khiển: Chương trình điều khiển là một tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy tính, được mã hoá dưới dạng chữ, số và các ký hiệu khác như cộng, trừ, dấu chấm .