Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy công cụ điều khiển số CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò then chốt trong các ngành công nghiệp chế tạo hiện đại. Tại Việt Nam, phần lớn máy CNC phục vụ sản xuất đều phải nhập khẩu từ các quốc gia như Đức, Nhật Bản và Trung Quốc với giá thành rất cao. Các dòng máy CNC do trong nước thiết kế và sản xuất còn hạn chế về số lượng, phần lớn chỉ dừng lại ở mức độ tự chế thủ công để máy có thể vận hành cơ bản mà chưa đạt chuẩn hóa cao về mặt thiết kế kỹ thuật cũng như điều khiển. Xuất phát từ thực tế đó, nhóm tác giả thuộc Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài: "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy CNC mini 3 trục" dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS. TS. Nguyễn Anh Tú.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC mini 3 trục có kết cấu vững chắc, hoạt động ổn định và có khả năng gia công các vật liệu mềm, mạch in điện tử với chi phí hợp lý. Để đạt được mục tiêu này, các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan lịch sử phát triển máy CNC, các công nghệ gia công vật liệu phi kim và phân tích so sánh các dạng cấu trúc khung máy (C-frame, H-frame, Router) để lựa chọn cấu trúc tối ưu cho mô hình mini.
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cụm chi tiết cơ khí (trục chính Spindle, vít me bi - đai ốc bi, khung máy, đế máy, dụng cụ cắt) và giải pháp điều khiển.
  3. Nghiên cứu, lựa chọn phần mềm điều khiển CNC (Mach3), phần mềm CAM (Vectric Aspire 9.5) và xây dựng quy trình chuyển đổi dữ liệu thiết kế sang mã G-code.
  4. Tính toán thông số động học, chế độ cắt và lực cắt khi phay; thiết kế truyền động cơ khí cho các trục tọa độ X, Y, Z.
  5. Thiết kế và lựa chọn phần cứng hệ thống điện - điều khiển gồm mạch giao tiếp (BOB Mach3), động cơ bước, driver vi bước (microstep), nguồn biến áp xung, mạch điều khiển tốc độ trục chính bằng xung PWM và các thiết bị giới hạn hành trình.
  6. Chế tạo chi tiết, lắp ráp cơ khí, đấu nối tủ điện điều khiển và tiến hành thử nghiệm vận hành (điều khiển thủ công, thiết lập điểm gốc phôi, gia công phay mạch in PCB và khắc vật liệu mica).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy công cụ phay mini 3 trục điều khiển theo chương trình số, phục vụ gia công vật liệu mềm và mạch điện tử.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian hành trình gia công của máy: $160 \times 270 \times 60\text{ mm}$ (tương ứng các trục X, Y, Z).
    • Loại hình công nghệ: Gia công cơ khí cắt gọt (phay, khoan) trên các vật liệu phi kim và kim loại mềm (nhôm, gỗ, mica, phíp đồng mạch in PCB).
    • Giới hạn hệ thống: Thiết kế hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop) sử dụng động cơ bước và phần mềm Mach3 giao tiếp qua máy tính.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết cơ học máy, nguyên lý cắt gọt kim loại, kỹ thuật điều khiển tự động và công nghệ CAD/CAM/CNC.

Khung lý thuyết và công thức tính toán:

  • Lý thuyết truyền động vít me bi - đai ốc bi (Ballscrews): Cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến tuyến tính với ma sát lăn nhỏ, phân bố tải đều và hạn chế mài mòn.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ bước (Stepper Motor): Nguyên lý cấp xung điều khiển góc quay của rotor nam châm vĩnh cửu. Nghiên cứu 4 phương pháp điều khiển: điều khiển dạng sóng (Wave), đủ bước (Full step), nửa bước (Half step) và vi bước (Microstep).
  • Lý thuyết hệ thống điều khiển số vòng hở (Open-loop control): Điều khiển vị trí và tốc độ dựa trên tần số và số lượng xung cấp từ bộ phát xung mà không sử dụng cảm biến hồi tiếp góc quay (encoder).
  • Công thức tính toán chế độ cắt: Xác định tốc độ cắt $V_c$ khi phay ngón trên vật liệu nhôm theo tài liệu Sổ tay chi tiết máy (GS. Nguyễn Đắc Lộc): $$V_c = \frac{C_v \cdot D^q}{T^m \cdot t^x \cdot S_z^y \cdot B^u \cdot z^p} \cdot k_v$$ Trong đó: $C_v = 185{,}5$; $q = 0{,}45$; $x = 0{,}3$; $y = 0{,}2$; $u = 0{,}1$; $p = 0{,}1$; $m = 0{,}33$; chu kỳ bền của dao phay ngón $T = 80\text{ phút}$; hệ số điều chỉnh chung $k_v = k_{MV} \cdot k_{nv} \cdot k_{uv}$ (với $k_{MV} = 1$; $k_{nv} = 0{,}9$; $k_{uv} = 1$).

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và tổng hợp tài liệu: Thu thập, phân tích tài liệu chuyên ngành về động cơ dẫn động (động cơ DC, động cơ bước, động cơ servo), các dạng cấu trúc thân máy CNC, thuật toán phát xung và xử lý quỹ đạo chuyển động.
  • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lực cắt, momen uốn, lựa chọn công suất động cơ trục chính và động cơ bước cho từng trục tọa độ; thiết kế bản vẽ các chi tiết cơ khí (part nhôm, bệ đỡ, khớp nối).
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm để mô phỏng ứng suất chịu lực trên các tấm vai đỡ trục và mô phỏng đường chạy dao (Toolpaths) trên phần mềm CAM.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo và kiểm tra: Gia công các chi tiết gá nhôm tấm, lắp ráp cơ cấu cơ khí, đấu nối mạch điện tử, cấu hình phần mềm Mach3, chạy thử nghiệm không tải và gia công thực tế phôi mạch in PCB, mica nhằm đo kiểm độ lệch và đánh giá độ chính xác gia công.

Nguồn dữ liệu: Các bảng tra thông số chế độ cắt và hệ số tải trọng trong Sổ tay chi tiết máy, thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của nhà sản xuất đối với động cơ bước 57HS5125A4EP, gối đỡ KFL001-12mm, khớp nối mềm RS25X30, board mạch BOB Mach3 và driver điều khiển.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

1. Phân tích và lựa chọn cấu trúc cơ khí

Nhóm tác giả đã tiến hành so sánh ba dạng cấu trúc máy CNC phổ biến trong chế tạo máy công cụ:

Tiêu chí Cấu trúc C-frame Cấu trúc H-frame Cấu trúc Router
Đặc điểm chuyển động Spindle di chuyển trên trục Z cố định; bàn máy di chuyển trên cả trục X và Y. Bàn máy di chuyển theo trục Y; Spindle di chuyển theo trục X và Z. Bàn máy cố định (tĩnh); Spindle di chuyển linh hoạt trên cả 3 trục X, Y, Z.
Khả năng chịu tải & độ cứng vững Rất cao, gia công được kim loại cứng (sắt, thép), chiều sâu cắt lớn. Tương đối cao, phân bố lực đều trên hai cột đỡ. Trung bình, phù hợp gia công vật liệu mềm (gỗ, mica, nhôm, PCB).
Nhược điểm Trục Y chịu toàn bộ tải trọng phôi và bàn máy; chi phí phôi đúc lớn, không hợp với nhôm định hình. Rung lắc khi động cơ quay tốc độ cao; hành trình gia công bị giới hạn bởi khổ bàn máy. Sai số cộng dồn trên 3 trục lớn hơn; không tối ưu cho gia công vật liệu quá cứng.
Quyết định lựa chọn Không chọn Không chọn Được lựa chọn cho đề tài

Cấu trúc Router được chọn vì đáp ứng tối ưu yêu cầu làm mô hình thí nghiệm, hành trình chạy đáp ứng tốt các vật liệu có biên dạng lớn, gia công phôi phẳng (mạch in, mica) và dễ dàng chế tạo bằng khung nhôm định hình kết hợp phôi nhôm tấm.

2. Thiết kế hệ thống cơ khí và truyền động

  • Trục chính (Spindle): Đóng vai trò quyết định độ chính xác và năng suất cắt gọt, sử dụng chấu kẹp để gá dao phay ngón đường kính $D = 2\text{ mm}$ (3 me cắt, lượng chạy dao răng $S_z = 0{,}15 - 0{,}18\text{ mm/răng}$, chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$, hệ số an toàn $K = 2{,}5$).
  • Bộ truyền chuyển động tuyến tính: Sử dụng hệ thống vít me bi và đai ốc bi (Ballscrews) cho cả 3 trục X, Y, Z nhằm giảm ma sát, hạn chế độ rơ, chống mài mòn và duy trì độ chính xác lâu dài so với vít me thường.
  • Chi tiết liên kết và đỡ trục: Sử dụng gối đỡ vòng bi KFL001-12mm, khớp nối mềm RS25X30 để triệt tiêu độ lệch tâm giữa trục động cơ bước và trục vít me, hệ thống thanh trượt và con trượt dẫn hướng chính xác.

3. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

  • Động cơ truyền động các trục: Lựa chọn động cơ bước 57HS5125A4EP (2 pha) kết hợp phương pháp điều khiển vi bước (Microstep) qua mạch Driver chuyên dụng. Giải pháp này giúp động cơ vận hành êm, giảm hiện tượng cộng hưởng lực ở dải tốc độ thấp và tối ưu chi phí so với hệ thống servo.
  • Board mạch điều khiển trung tâm: Sử dụng board đệm CNC BOB (Breakout Board) Mach3 nhận tín hiệu từ cổng giao tiếp máy tính (USB/LPT) để phân phối xung Step/Dir đến các driver trục X, Y, Z.
  • Hệ thống cấp nguồn và điều khiển Spindle: Sử dụng bộ nguồn biến áp xung cung cấp điện áp DC ổn định; mạch điều khiển tốc độ động cơ trục chính nhận lệnh điều chế độ rộng xung (PWM) từ Mach3; tích hợp relay đóng/ngắt nguồn Spindle.
  • Hệ thống giới hạn hành trình: Bố trí công tắc hành trình kiểu bánh gạt và cảm biến tiệm cận trên các trục X, Y, Z để bảo vệ giới hạn chuyển động cơ khí và thiết lập điểm chuẩn máy (Home).

4. Quy trình xử lý dữ liệu và điều khiển gia công (CAD/CAM/CNC)

Quy trình gia công mạch in PCB và vật liệu mẫu được chuẩn hóa qua 5 giai đoạn:

  1. Thiết kế mạch (CAD): Vẽ sơ đồ nguyên lý và layout mạch in trên phần mềm Altium Designer, sau đó xuất ra tệp định dạng PDF.
  2. Chuyển đổi dữ liệu đồ họa: Chuyển đổi tệp PDF sang định dạng ảnh đơn sắc BMP thông qua phần mềm Adobe Photoshop hoặc công cụ chuyển đổi.
  3. Lập trình đường chạy dao (CAM): Nhập tệp BMP vào phần mềm Vectric Aspire 9.5, thiết lập kích thước phôi, tạo các đường chạy dao phay rãnh/khoan lỗ trong thẻ Toolpaths, cấu hình thông số dao cắt và tốc độ cắt.
  4. Mô phỏng và xuất G-code: Chạy mô phỏng 3D trên Aspire để kiểm tra trực quan đường cắt, sau đó xuất tệp chương trình gia công mã lệnh G-code.
  5. Gia công tự động (CNC Control): Nạp tệp G-code vào phần mềm Mach3, gá phôi, rà set gốc tọa độ phôi $(X_0, Y_0, Z_0)$ và kích hoạt chu trình gia công tự động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về công nghệ gia công vật liệu phi kim

  • Trình bày lịch sử phát triển của hệ thống máy công cụ điều khiển số: từ mẫu máy NC đầu tiên do Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nghiên cứu năm 1949 theo đặt hàng của Không lực Hoa Kỳ; máy phay đứng 3 trục Cincinnati Hydrotel trưng bày năm 1952; giai đoạn thập niên 1960 dùng đèn điện tử và băng đục lỗ; bước chuyển đổi linh kiện bán dẫn năm 1970; và sự ra đời của máy CNC tích hợp máy vi tính đầu những năm 1970 cho đến các hệ CNC vi xử lý hiện đại.
  • Tổng quan các công nghệ gia công vật liệu phi kim phổ biến: cắt Laser, máy CNC Router, cắt tia nước (Waterjet Cutting), công nghệ in 3D và ứng dụng CAD/CAM.
  • Phân tích các phương pháp gia công cơ khí (cắt, tiện, phay, khoan, mài), gia công nhiệt và gia công công nghệ cao trong sản xuất linh kiện điện tử (bảng mạch in PCB), thiết bị y tế và phụ tùng ô tô.
  • Khảo sát, phân tích ưu nhược điểm và sơ đồ phân bố lực của ba dạng kết cấu máy cơ bản: C-frame, H-frame và Router. Xác lập luận cứ lựa chọn cấu trúc Router cho mô hình máy mini gia công phôi mềm kích thước $160 \times 270 \times 60\text{ mm}$.

Chương 2. Cơ sở thiết kế máy gia công CNC mini 3 trục

  • Trình bày cấu tạo chi tiết các cụm cơ khí: khung máy hợp kim, bàn máy gá phôi, trục chính Spindle mang đầu kẹp dao, đế máy kim loại chịu tải trọng chống rung, cơ cấu vít me bi - đai ốc bi khử độ rơ và các loại dao phay chuyên dụng.
  • Khái quát nguyên lý vận hành khép kín của máy CNC: từ mô hình CAD/CAM $\rightarrow$ biên dịch mã G-code $\rightarrow$ bộ điều khiển trung tâm phát xung $\rightarrow$ động cơ dịch chuyển các trục X, Y, Z $\rightarrow$ kiểm tra, điều chỉnh và hoàn thiện sản phẩm.
  • Khảo sát và so sánh các giải pháp phần mềm điều khiển CNC trên thị trường: Mach3, Mach4, SheetCAM TNG và LinuxCNC; chứng minh tính phù hợp của phần mềm Mach3 đối với hệ thống mini nhờ giao diện trực quan, tính ổn định cao và khả năng hỗ trợ mở rộng.
  • Hướng dẫn quy trình 5 bước trên phần mềm CAM Vectric Aspire 9.5 để chuyển đổi bản vẽ mạch in sang mã lệnh G-code.
  • Phân tích so sánh đặc tính kỹ thuật giữa 3 dòng động cơ: động cơ bước, động cơ servo và động cơ DC; phân tích ưu thế của phương pháp điều khiển vi bước (Microstep).
  • So sánh hệ thống điều khiển vòng hở và vòng kín; khẳng định lựa chọn hệ thống vòng hở kết hợp Mach3 đáp ứng đủ yêu cầu kỹ thuật và tối ưu chi phí đầu tư.
  • Trình bày phương pháp cấu hình tham số phần mềm Mach3: cài đặt giới hạn hành trình ($160 \times 270 \times 60\text{ mm}$), cấu hình chân xuất tín hiệu Step/Dir cho động cơ bước, thiết lập chân tín hiệu đầu vào cho cảm biến tiệm cận/công tắc hành trình, thiết lập tín hiệu điều khiển Spindle qua xung PWM, cấu hình số xung trên mỗi milimet (Steps per unit), vận tốc và gia tốc cho từng trục.

Chương 3. Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC mini

  • Trình bày phương pháp tính toán cơ học: xác định vận tốc cắt $V_c$, tính toán công suất động cơ trục chính, lực cắt và momen uốn tác dụng lên kết cấu khi phay vật liệu nhôm bằng dao phay ngón $D = 2\text{ mm}$.
  • Tính toán truyền động tuyến tính cho từng trục tọa độ: phân tích lực dọc trục phần trăm trục Y, xác định hệ số tải trọng phụ thuộc rung động/va chạm, tính toán lực dọc trục tương ứng trên trục X và trục Z.
  • Mô phỏng ứng suất chịu lực trên phần mềm đối với tấm vai đỡ và khung máy.
  • Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển: lựa chọn board mạch BOB Mach3 (so sánh thông số kỹ thuật các dòng USB/LPT), lựa chọn thiết bị giới hạn hành trình (công tắc cơ khí, cảm biến tiệm cận quang/từ/điện dung), lựa chọn driver vi bước và thiết kế sơ đồ mạch nguồn biến áp xung.
  • Xây dựng sơ đồ đấu nối hoàn chỉnh giữa board Mach3, driver, động cơ bước 57HS5125A4EP, relay và mạch điều khiển tốc độ Spindle; thiết lập sơ đồ khối nguyên lý mạch điều khiển.
  • Thuyết minh quy trình chế tạo, gia công chi tiết cơ khí và lắp ráp từng cụm: lắp đế máy và trục Y (con trượt, part nhôm đáy, mặt trước, gối đỡ vít me); lắp cụm trục Z (thanh trượt, con trượt, gá motor Spindle); lắp cụm tay trục X; ghép nối 3 trục X-Y-Z thành khung máy hoàn chỉnh.
  • Triển khai chế tạo tủ điện, kết nối dây dẫn tín hiệu điều khiển, gắn công tắc hành trình các trục.
  • Tiến hành thực nghiệm và đánh giá hệ thống: thử nghiệm điều khiển thủ công qua bàn phím tại trang Program Run của Mach3; kiểm tra độ lặp lại và sai số khi di chuyển về điểm ban đầu (Home/Zero); thực hiện gia công phay thực tế sản phẩm mạch in điện tử (PCB) từ bản vẽ Altium và khắc mẫu trên tấm nhựa mica.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC mini 3 trục với không gian làm việc thực tế $160 \times 270 \times 60\text{ mm}$, kết cấu khung nhôm định hình kết hợp part nhôm tấm gia công chính xác, hoạt động vững chắc và ổn định.
  • Ứng dụng thành công hệ thống truyền động vít me bi kết hợp gối đỡ KFL001-12mm và khớp nối mềm RS25X30, giúp triệt tiêu ma sát và chuyển động êm ái trên cả 3 trục tọa độ.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mạch điện điều khiển trung tâm sử dụng board BOB Mach3, điều khiển chính xác 3 động cơ bước 57HS5125A4EP thông qua driver vi bước và điều chỉnh vô cấp tốc độ trục chính Spindle bằng tín hiệu xung PWM.
  • Thiết lập và kiểm chứng quy trình công nghệ khép kín từ khâu thiết kế mạch (Altium Designer), xử lý đồ họa (Photoshop), tạo đường chạy dao CAM (Vectric Aspire 9.5) đến điều khiển gia công tự động (Mach3).
  • Thực nghiệm gia công thành công các sản phẩm mẫu gồm bảng mạch in PCB (cắt rãnh cách ly đồng và khoan lỗ chân linh kiện) và chi tiết gia công tạo hình trên vật liệu Mica với chất lượng đường cắt sắc nét, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất:

  • Đề xuất giải pháp cấu trúc Router bàn tĩnh kết hợp hệ thống vít me bi và động cơ bước vi bước, tạo ra phương án chế tạo máy CNC mini có chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo độ cứng vững khi gia công vật liệu mềm.
  • Đề xuất phương pháp chuyển đổi trung gian từ file thiết kế mạch in điện tử sang ảnh BMP độ phân giải cao để nạp trực tiếp vào phần mềm CAM phổ dụng (Aspire), rút ngắn thời gian lập trình gia công PCB thủ công.

Đóng góp của đề tài:

  • Chứng minh tính khả thi của việc tự chủ tính toán, thiết kế và chế tạo máy CNC mini phục vụ nghiên cứu và sản xuất nhỏ từ các linh kiện cơ điện tử sẵn có trên thị trường trong nước.
  • Cung cấp tài liệu kỹ thuật có hệ thống từ tính toán chế độ cắt, thiết kế cơ khí, sơ đồ đấu nối mạch điện tử đến hướng dẫn cấu hình phần mềm điều khiển Mach3 cho các đề tài nghiên cứu tương tự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Hệ thống điều khiển sử dụng cấu trúc vòng hở (Open-loop) không có cảm biến phản hồi vị trí (encoder), do đó tiềm ẩn nguy cơ sai số tích lũy hoặc mất bước nếu máy gặp tải cắt đột ngột vượt quá momen giữ của động cơ bước.
  • Cấu trúc khung máy Router và vật liệu nhôm chỉ tối ưu cho gia công vật liệu mềm (gỗ, mica, phíp PCB, phôi nhôm mỏng); chưa đáp ứng được độ cứng vững để gia công các vật liệu kim loại có độ cứng cao như thép.
  • Phạm vi hành trình gia công còn giới hạn ($160 \times 270 \times 60\text{ mm}$), chưa thể gia công các chi tiết hoặc phôi tấm có kích thước thương mại lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu nâng cấp hệ thống điều khiển vòng kín (Closed-loop) bằng cách tích hợp động cơ bước có encoder phản hồi hoặc động cơ servo để giám sát và bù sai số vị trí theo thời gian thực.
  • Gia cố kết cấu khung máy bằng thép hợp kim hoặc tăng cường tiết diện part nhôm, nâng cấp trục chính Spindle công suất lớn hơn nhằm mở rộng khả năng gia công các vật liệu kim loại cứng hơn.
  • Mở rộng kích thước bàn máy và hành trình các trục X, Y để tăng tính ứng dụng trong sản xuất thực tế.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa.

Các nội dung có giá trị thực tiễn cao bao gồm:

  • Phương pháp tính toán chế độ cắt, lực cắt và công suất cắt cho nguyên công phay ngón trên vật liệu nhôm theo sổ tay cơ khí.
  • Sơ đồ đấu nối chi tiết giữa board mạch điều khiển BOB Mach3, driver vi bước, công tắc hành trình và mạch điều tốc Spindle bằng PWM.
  • Hướng dẫn từng bước cấu hình tham số phần mềm Mach3 (cài đặt chân tín hiệu In/Out, số xung/mm, gia tốc, vận tốc).
  • Quy trình ứng dụng chuỗi phần mềm Altium $\rightarrow$ Photoshop $\rightarrow$ Vectric Aspire $\rightarrow$ Mach3 để phay mạch in PCB và gia công vật liệu phi kim.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn cấu trúc Router thay vì C-frame hay H-frame cho mô hình máy CNC mini?
Trả lời: Do mục đích chính của mô hình là phục vụ thí nghiệm, phay bảng mạch in và gia công vật liệu mềm phẳng (mica, gỗ, nhôm mỏng) có biên dạng lớn. Cấu trúc Router có bàn máy cố định, Spindle di chuyển linh hoạt trên cả 3 trục X-Y-Z, kết cấu đơn giản, phù hợp để chế tạo bằng phôi nhôm tấm và nhôm định hình với chi phí thấp mà vẫn đảm bảo hành trình gia công mong muốn ($160 \times 270 \times 60\text{ mm}$).

2. Đề tài lựa chọn loại động cơ dẫn động nào cho các trục tọa độ và sử dụng phương pháp điều khiển gì?
Trả lời: Đề tài lựa chọn động cơ bước (model 57HS5125A4EP, 2 pha) kết hợp với driver điều khiển theo phương pháp vi bước (Microstep) trong hệ thống điều khiển vòng hở (Open-loop). Lựa chọn này giúp giảm chi phí sản xuất, dễ cấu hình, đảm bảo khả năng giữ vị trí tốt, vận hành êm ái và giảm thiểu hiện tượng rung động cộng hưởng ở dải tốc độ thấp.

3. Các bước chuyển đổi từ file thiết kế mạch in PCB sang file mã lệnh G-code trong đề tài được thực hiện như thế nào?
Trả lời: Quy trình gồm 5 bước: (1) Thiết kế mạch in trên Altium Designer và xuất file PDF; (2) Chuyển đổi file PDF sang định dạng ảnh đơn sắc BMP (sử dụng Photoshop hoặc phần mềm chuyển đổi); (3) Nhập file BMP vào Vectric Aspire 9.5; (4) Thiết lập các lệnh gia công rãnh/khoan trong thanh Toolpaths và mô phỏng 3D; (5) Xuất tệp G-code thông qua lệnh "Save Toolpaths" để nạp vào Mach3.

4. Các thông số ban đầu được nhóm tác giả sử dụng để tính toán chế độ cắt khi phay nhôm là gì?
Trả lời: Theo tính toán tại Chương 3, nhóm sử dụng dao phay ngón đường kính $D = 2\text{ mm}$, số lưỡi cắt $Z = 3$, chiều sâu cắt $t = 2\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $S_z = 0{,}15 - 0{,}18\text{ mm/răng}$, hệ số an toàn $K = 2{,}5$, chu kỳ bền dao $T = 80\text{ phút}$, hệ số $C_v = 185{,}5$ cùng các hệ số điều chỉnh chất lượng bề mặt và vật liệu ($k_{MV} = 1$; $k_{nv} = 0{,}9$; $k_{uv} = 1$).

5. Phần mềm Mach3 đảm nhận những chức năng cấu hình quan trọng nào trong hệ thống?
Trả lời: Mach3 đóng vai trò là bộ điều khiển chuyển động số trực tiếp: cấu hình giới hạn hành trình ($160 \times 270 \times 60\text{ mm}$) và set HOME; cài đặt chân tín hiệu Step/Dir cho động cơ bước; thiết lập tín hiệu đầu vào cho cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình; cài đặt chân xuất tín hiệu PWM để điều khiển vô cấp tốc độ Spindle; và cài đặt thông số động học gồm số xung/mm (steps per unit), vận tốc (mm/phút) và gia tốc cho từng trục X, Y, Z.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy CNC mini 3 trục" của nhóm sinh viên Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giải quyết thành công bài toán tính toán cơ học, thiết kế kết cấu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC 3 trục dạng Router với không gian làm việc $160 \times 270 \times 60\text{ mm}$. Hệ thống tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu truyền động vít me bi chính xác, động cơ bước điều khiển vi bước, board mạch giao tiếp Mach3 và quy trình CAD/CAM thông qua Vectric Aspire 9.5. Kết quả thực nghiệm gia công mạch in PCB và vật liệu mica đã khẳng định tính ổn định, độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn của mô hình trong công tác đào tạo, nghiên cứu và chế tạo mạch điện tử quy mô nhỏ.