Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế, các ngành gia công sản xuất công nghiệp tại Việt Nam ngày càng đòi hỏi mức độ tự động hóa và độ chính xác cao. Thiết bị điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computer Numerical Control) đóng vai trò then chốt trong chuỗi cung ứng sản xuất cơ khí, chế tạo khuôn mẫu và gia công linh kiện phức tạp. Thiết bị này cho phép tự động hóa quy trình gia công dựa trên các lệnh được số hóa, từ đó giảm đáng kể thời gian thao tác thủ công, nâng cao năng suất và đảm bảo tính lặp lại của kích thước hình học chi tiết.

Tuy nhiên, khảo sát thực tế của tác giả cho thấy phần lớn hệ thống máy CNC chất lượng cao đang hoạt động tại các doanh nghiệp trong nước đều phải nhập khẩu từ các quốc gia như Đức, Nhật Bản và Trung Quốc. Thực trạng này dẫn đến chi phí đầu tư ban đầu rất lớn, gây áp lực tài chính nghiêm trọng đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ cũng như các xưởng chế tác thủ công. Dù đã có những nỗ lực nghiên cứu chế tạo máy CNC nội địa, đa số các mô hình trong nước mới dừng lại ở mức thử nghiệm, độ cứng vững và độ ổn định chưa cao, khó đáp ứng yêu cầu gia công liên tục. Xuất phát từ bối cảnh đó, đề tài "Nghiên cứu thiết kế chế tạo và ứng dụng máy CNC trong gia công chi tiết" được thực hiện bởi sinh viên Trần Minh Nhật, dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Hoài Tâm tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ, phối hợp thực tập tại Công ty TNHH Trường Hưng.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định rõ ràng qua 5 nội dung chính:

  1. Xây dựng quy trình gia công CNC chi tiết.
  2. Thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC 3 trục hoạt động tốt.
  3. Mô phỏng quá trình gia công bằng phần mềm.
  4. Gia công sản phẩm thực tế và đánh giá chất lượng.
  5. Phát triển khả năng gia công 2D và 3D.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch điều khiển mở rộng CNC Shield V3 và các thuật toán điều khiển nội suy CNC.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn cụ thể như sau:

  • Về cấu trúc cơ điện: Tập trung vào thiết kế, tính toán lựa chọn linh kiện và chế tạo mô hình máy phay/khắc CNC mini 3 trục (X, Y, Z); kết nối hệ thống điều khiển phần cứng với vi điều khiển mã nguồn mở.
  • Về vật liệu gia công thử nghiệm: Thử nghiệm gia công trên các loại vật liệu có độ cứng vừa phải như nhựa Mica, gỗ và tấm form (fomech).
  • Về không gian và thời gian: Đề tài được triển khai từ ngày 01/06/2024 đến ngày 01/09/2024 tại Trường Đại học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ và Công ty TNHH Trường Hưng; thời gian chạy thực nghiệm và theo dõi đánh giá lỗi diễn ra trong vòng 1 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, nghiên cứu vận dụng các nguyên lý nền tảng của hệ thống điều khiển số:

  • Tiêu chuẩn mã lệnh điều khiển: Hệ thống sử dụng tập lệnh G-code theo tiêu chuẩn quốc tế EIA-274-D. Đây là hệ thống ngôn ngữ chuyên biệt giúp biên dịch các tọa độ hình học và tốc độ cắt gọt thành chuỗi xung nhịp điều khiển chuyển động các trục.
  • Hệ quy chiếu không gian: Cấu trúc động học của máy tuân thủ tiêu chuẩn ISO về hệ trục tọa độ Descartes ba chiều OXYZ theo quy tắc bàn tay phải. Trong đó, trục chính mang dụng cụ cắt được quy ước là trục Z (chiều dương hướng ra xa phôi gia công), chuyển động ngang dọc của bàn máy và cổng trục được định vị qua các trục X và Y. Đề tài cũng viện dẫn các định nghĩa mở rộng về các trục quay quanh trục tọa độ (A, B, C) và các chuyển động tịnh tiến phụ (U, V, W).
  • Mô hình tích hợp sản xuất: Tác giả đặt nghiên cứu trong bối cảnh phát triển của hệ thống sản xuất tích hợp máy tính (CIM - Computer Integrated Manufacturing), kết nối giữa dữ liệu thiết kế số và cơ cấu chấp hành cơ khí.

Về phương pháp nghiên cứu, tác giả kết hợp ba phương pháp kỹ thuật chính:

  1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Khảo sát các tài liệu chuyên ngành về cơ điện tử, các bài báo khoa học về nguyên lý kết cấu máy CNC 3 trục, thông số kỹ thuật chuẩn của các dòng ray trượt dẫn hướng, vít me bi và các chuẩn giao tiếp vi điều khiển Atmega328.
  2. Phương pháp mô phỏng: Ứng dụng phần mềm đồ họa kỹ thuật để dựng mô hình không gian 3D của kết cấu máy, mô phỏng chuyển động động học nhằm phát hiện các điểm xung đột trước khi chế tạo; sử dụng môi trường Arduino IDE để mô phỏng và nạp mã điều khiển cho bo mạch.
  3. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo cơ khí, đấu nối mạch điện, căn chỉnh độ phẳng và độ vuông góc của các trục; tiến hành chạy thử nghiệm gia công mẫu chi tiết thực tế trên các phôi mẫu form, mica và gỗ liên tục trong thời gian một tháng nhằm đo lường sai số hình học, tốc độ cắt và ghi nhận các lỗi phát sinh.

Nguồn dữ liệu kỹ thuật sử dụng trong đồ án dựa trên bảng thông số chuẩn của nhà sản xuất đối với vi điều khiển ATmega328, mạch CNC Shield V3, động cơ bước, driver A4988, động cơ DC 775 và vật liệu kim loại Bearing Steel GCR15.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy CNC 3 trục trong đồ án được thiết kế đồng bộ từ kết cấu cơ khí, mạch điều khiển phần cứng đến chuỗi công cụ phần mềm điều khiển.

Kết cấu cơ khí và cơ cấu truyền động

  • Khung và thân máy: Toàn bộ hệ khung chịu lực được lắp ráp từ các thanh nhôm định hình kích thước 20x20 mm, liên kết cố định thông qua các ke góc nhôm chữ L và bu lông chuyên dụng, giúp giảm tải trọng tổng thể mà vẫn đảm bảo độ thẳng và chống vặn xoắn.
  • Bàn máy: Sử dụng tấm nhựa Mica phẳng làm bàn gá đặt phôi tĩnh, tạo độ ổn định khi gá kẹp các chi tiết gia công dạng tấm.
  • Hệ thống dẫn hướng: Các trục X, Y và Z sử dụng ray trượt tròn bằng thép chịu lực Bearing Steel GCR15. Ray có độ cứng bề mặt đạt HCR-30,60, độ chính xác cấp G6, độ nhẵn bề mặt dưới 1,5 µm, lớp tôi cứng dày 3 mm, hỗ trợ đường kính từ 6 mm đến 60 mm với khả năng chịu tải cao và chuyển động êm.
  • Cơ cấu biến đổi chuyển động: Chuyển động quay từ động cơ bước được chuyển đổi thành chuyển động tịnh tiến nhờ hệ thống vít me đai ốc bi. Mô hình sử dụng loại đai ốc bi V (mã SFVR ren phải hoặc SFVL ren trái), có cấu trúc vòng tuần hoàn bi bên ngoài, thích hợp cho các chuyển động chịu tải trọng và hạn chế tối đa ma sát trượt.
  • Trục chính (Spindle) và đầu gá dao: Động cơ cắt sử dụng motor DC 775 có chổi than, tích hợp quạt làm mát trong thân động cơ. Thông số hoạt động: điện áp 12V đến 36V DC, công suất định mức từ 80W đến 650W (phổ biến ở mức 80W - 10.000 vòng/phút và 150W - 18.000 vòng/phút), đường kính thân 17,5 mm, chiều dài 66,7 mm, trọng lượng 400 g. Đầu gá dao thiết kế theo chuẩn HSK (dòng HSK E/F Series) với kết cấu kẹp rỗng ôm sát trục, triệt tiêu rung động ly tâm khi quay ở vận tốc cao trên 8.000 vòng/phút. Dụng cụ cắt gồm các loại dao hợp kim: dao khắc nhọn, dao khắc 3D và dao xoắn lưỡi đơn.

Hệ thống điều khiển và thiết bị điện

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng bo mạch Arduino Uno R3 tích hợp vi điều khiển ATmega328 (kiến trúc AVR 8-bit, xung nhịp 16 MHz, điện áp hoạt động 5V DC, dải điện áp vào 6-20V DC). Bo mạch sở hữu bộ nhớ Flash 32 KB (trong đó 0,5 KB dành cho bootloader), SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB, cung cấp 14 chân xuất nhập số Digital (gồm 6 chân điều chế độ rộng xung PWM) và 6 chân tín hiệu tương tự Analog A0-A5.
  • Mạch điều khiển mở rộng: CNC Shield V3 kích thước 70x55 mm gắn trực tiếp lên Arduino Uno R3, nhận nguồn cấp độc lập từ 12V đến 36V DC. Bo mạch này đóng vai trò phân phối tín hiệu điều khiển cho 4 cụm driver động cơ bước (hỗ trợ driver A4988 hoặc DRV8825). Các chân chức năng trên shield bao gồm: chân phát xung bước (Step Pulse) và chân xác định chiều quay (Direction Pulse) độc lập cho các trục X, Y, Z; chân kích hoạt Stepper Enable/Disable; chân công tắc giới hạn hành trình (Limit Switches); chân điều khiển tốc độ trục chính Variable Spindle PWM; chân đảo chiều quay Spindle Direction và chân dừng khẩn cấp E-Stop.
  • Module đóng cắt phụ trợ: Sử dụng mạch Relay để điều khiển đóng/ngắt nguồn cấp cho động cơ dao cắt DC 775 theo lệnh từ vi điều khiển.
  • Đấu nối ngoại vi: Việc kết nối các cuộn dây của động cơ bước vào chân cắm trên CNC Shield V3 bắt buộc tuân theo thứ tự phân cực A+ A- B+ B- để đảm bảo động cơ quay đúng góc bước và chiều chuyển động.

Chuỗi công cụ phần mềm điều khiển (Toolchain)

Quy trình gia công được vận hành khép kín qua 3 tầng phần mềm:

  1. Thiết kế biên dạng (CAD): Phần mềm AutoCAD được dùng để thiết kế bản vẽ chi tiết 2D với kích thước hình học chính xác.
  2. Lập trình gia công và xuất mã (CAM): Bản vẽ được nhập vào phần mềm Aspire để thiết lập các thông số cắt gọt (chiều sâu cắt, bước dịch dao ngang, loại dao sử dụng), tính toán đường chạy dao (toolpath) 2D/3D và xuất dữ liệu sang tập tin mã lệnh G-code theo chuẩn EIA-274-D.
  3. Điều khiển vận hành (CNC Controller): Nạp firmware mã nguồn mở GRBL lên vi điều khiển Arduino Uno R3 thông qua môi trường Arduino IDE. Sử dụng phần mềm máy tính GRBL Controller để kết nối giao tiếp Serial với Arduino, truyền các dòng lệnh G-code từ máy tính, điều khiển trực tiếp trạng thái phát xung của các động cơ bước và trục chính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương 1 khái quát vai trò của công nghệ tự động hóa và máy CNC trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại. Tác giả phân tích những hạn chế về chi phí khi doanh nghiệp Việt Nam phụ thuộc vào các nguồn máy nhập khẩu từ Nhật Bản, Đức, Trung Quốc. Từ đó, chương này luận chứng sự cần thiết của việc tự chủ thiết kế máy CNC 3 trục cỡ nhỏ, đưa ra 5 mục tiêu cụ thể, xác định đối tượng nghiên cứu (Arduino Uno R3, CNC Shield V3, thuật toán CNC), phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên vật liệu mềm (gỗ, nhựa mica, form) và xây dựng phương pháp tiếp cận thông qua nghiên cứu tài liệu, mô phỏng và thực nghiệm.

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương này đi sâu vào cơ sở lý thuyết máy CNC và tính toán kết cấu phần cứng. Tác giả trình bày lịch sử phát triển của máy CNC, tiêu chuẩn mã G theo EIA-274-D, hệ quy chiếu Descartes theo tiêu chuẩn ISO và quy tắc bàn tay phải cho máy phay đứng (trục Z thẳng đứng hướng ra xa phôi). Về mặt cơ khí, chương làm rõ cấu trúc thân máy bằng nhôm định hình 20x20 mm kết hợp ke góc L, bàn máy Mica, ray trượt tròn Bearing Steel GCR15 cấp chính xác G6, cùng hệ thống vít me đai ốc bi loại đai ốc V. Tác giả cũng phân tích chi tiết thông số kỹ thuật của dao khắc hợp kim (dao nhọn, dao 3D, dao xoắn lưỡi đơn), đầu gá HSK E/F và động cơ DC 775. Về mặt điện - điện tử, chương 2 phân tích sơ đồ chân, cấu trúc bộ nhớ và chuẩn giao tiếp của vi điều khiển ATmega328, bo mạch Arduino Uno R3, mạch mở rộng CNC Shield V3 và driver A4988.

Chương 3: NỘI DUNG THỰC HIỆN

Chương 3 tập trung vào quy trình triển khai thực tế của đề tài. Tác giả mô tả chi tiết các phần mềm hỗ trợ gồm AutoCAD (vẽ biên dạng), Aspire (tạo đường chạy dao và xuất file G-code), GRBL Controller (điều khiển chạy máy) và Arduino IDE (môi trường nạp firmware). Trong phần thi công cơ khí, chương trình bày từng bước: căn chỉnh mặt phẳng lắp ráp khung nhôm định hình, lắp đặt 2 thanh ray trượt dẫn hướng, lắp đặt các cụm động cơ bước trục X, Y, Z và cân chỉnh độ đồng tâm, độ vuông góc của động cơ dao cắt (spindle) với trục Z. Trong phần thi công điện tử, tác giả hướng dẫn đấu nối mạch Arduino Uno R3 với CNC Shield V3, cấu hình chân tín hiệu, nạp firmware GRBL và kết nối các cuộn dây động cơ bước theo đúng thứ tự chân A+ A- B+ B-.

Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Chương 4 ghi nhận kết quả vận hành gia công sản phẩm mẫu. Quy trình thực nghiệm bao gồm: thiết kế file mẫu trên phần mềm Aspire, nạp file thiết kế, thiết lập thông số công nghệ (tốc độ quay trục chính, chiều sâu mỗi lượt cắt), xuất và nhập mã G-code vào phần mềm GRBL Controller. Tiếp đó, tác giả tiến hành gá kẹp phôi lên bàn máy Mica, thiết lập điểm gốc tọa độ gia công (reset gốc tọa độ máy) và cho máy chạy tự động. Kết quả thu được là các chi tiết mẫu cắt và khắc biên dạng 2D, 3D sắc nét trên các tấm phôi Mica, gỗ và fomech.

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đạt được về mặt chế tạo mô hình phần cứng và quy trình gia công khép kín CAD/CAM/CNC. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các hạn chế chưa đạt được về khả năng gia công vật liệu kim loại nặng và đề xuất các hướng mở rộng kỹ thuật cho mô hình trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo một mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ có khả năng vận hành ổn định, đáp ứng tốt các yêu cầu gia công chi tiết phẳng và phù điêu trên các vật liệu phi kim.

Các thông số kỹ thuật và linh kiện chế tạo thực tế được tổng hợp trong bảng sau:

Bộ phận / Thành phần Quy cách / Chủng loại được chọn Thông số kỹ thuật chi tiết theo văn bản
Khung máy Nhôm định hình liên kết ke góc L Kích thước mặt cắt nhôm 20x20 mm
Bàn máy Tấm nhựa Mica phẳng Chịu lực gá đặt phôi tĩnh
Hệ thống dẫn hướng Ray trượt tròn Bearing Steel GCR15 Độ cứng HCR-30,60; độ chính xác G6; độ nhẵn < 1,5 µm; lớp cứng 3 mm
Truyền động trục Vít me kết hợp đai ốc bi loại V Mã SFVR (ren phải) / SFVL (ren trái); cơ cấu tuần hoàn bi ngoài, chịu tải nặng
Động cơ cắt (Spindle) Motor DC 775 có chổi than Điện áp 12V-36V; công suất 80W-650W; tốc độ max 10.000 rpm; dài 66,7 mm; phi 17,5 mm; nặng 400 g
Đầu gá dao Đầu gá HSK dòng E/F Series Kết cấu rỗng ôm trục, làm việc ở tốc độ cao trên 8.000 rpm
Dụng cụ cắt Dao hợp kim carbide / cermet Dao khắc nhọn, dao khắc 3D, dao xoắn lưỡi đơn
Bo mạch điều khiển Arduino Uno R3 (ATmega328) Xung nhịp 16 MHz; Flash 32 KB; SRAM 2 KB; EEPROM 1 KB; 14 Digital I/O
Mạch mở rộng CNC Shield V3 Nguồn cấp 12-36V; kích thước 70x55 mm; quản lý 4 động cơ bước qua driver A4988/DRV8825
Firmware & Điều khiển Firmware GRBL & GRBL Controller Biên dịch mã G theo tiêu chuẩn EIA-274-D

Bên cạnh đó, tác giả đã tiến hành khảo sát và hệ thống hóa bảng phân loại các dòng đai ốc bi phổ biến trong cơ khí điều khiển số làm cơ sở lựa chọn:

Tên đai ốc Ký hiệu mã Đặc điểm cấu tạo Ứng dụng thích hợp
Đai ốc U, I, M SFUR (ren phải) / SFUL (ren trái) Vòng tuần hoàn trong, mỗi vòng là 01 vòng bi Cơ cấu chuẩn, cơ cấu trục nhỏ gọn
Đai ốc V SFVR (ren phải) / SFVL (ren trái) Vòng tuần hoàn ngoài, bi chạy xuôi theo trục Cơ cấu tải nặng, tốc độ vận hành cao
Đai ốc K SFKR (ren phải) / SFKL (ren trái) Nhỏ gọn, vòng tuần hoàn kín Cơ cấu gọn nhẹ, tinh tế
Đai ốc S SFSR (ren phải) / SFSL (ren trái) Tuần hoàn nắp bịt, cách âm và chống bụi tốt Cơ cấu tải nhẹ, tốc độ cao

Các giải pháp và đóng góp kỹ thuật chính của đề tài bao gồm:

  • Hoàn thiện quy trình công nghệ gia công chi tiết khép kín từ khâu thiết kế CAD (AutoCAD), lập trình đường chạy dao CAM (Aspire) đến điều khiển máy CNC bằng mã nguồn mở GRBL.
  • Đưa ra giải pháp căn chỉnh cơ khí chính xác cho mô hình tự chế: quy trình cân phẳng mặt phẳng khung nhôm, căn chỉnh ray trượt tròn và căn độ vuông góc của spindle với trục Z nhằm hạn chế rung lắc.
  • Xác lập quy tắc đấu dây chuẩn A+ A- B+ B- cho động cơ bước trên CNC Shield V3, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng mất bước hoặc quay ngược chiều.
  • Đóng góp thực tiễn của đề tài là xây dựng thành công một mô hình máy CNC chi phí thấp, tận dụng các linh kiện tiêu chuẩn dễ tìm kiếm trên thị trường, làm tài liệu tham khảo có tính ứng dụng cao cho các xưởng chế tác thủ công, các ứng dụng DIY và cơ sở sản xuất quy mô nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được ghi nhận trực tiếp từ kết cấu và phạm vi thực nghiệm:

  • Kết cấu khung nhôm định hình 20x20 mm và bàn máy bằng nhựa Mica có độ cứng vững ở mức trung bình, chịu tải trọng uốn và xoắn hạn chế. Do đó, máy mới chỉ gia công được các vật liệu mềm (form, mica, gỗ) và phay nhẹ trên tấm nhôm/đồng mỏng, chưa thể gia công các chi tiết thép hoặc kim loại có độ cứng cao.
  • Động cơ cắt DC 775 sử dụng chổi than có công suất giới hạn, sinh nhiệt lớn khi làm việc kéo dài và độ ồn cơ học cao hơn so với các cụm spindle phay chuyên dụng làm mát bằng nước.
  • Mô hình chưa tích hợp hoàn chỉnh hệ thống cảm biến hành trình trên toàn bộ các trục và chưa có hệ thống hút bụi gia công chuyên biệt, dẫn đến phoi cắt dễ bám vào ray trượt và vít me bi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Cải tiến và gia cố phần cơ khí: Sử dụng khung nhôm định hình kích thước lớn hơn hoặc thay thế bằng thép/gang đúc để tăng độ ổn định nhiệt và khử rung động; nâng cấp bàn máy sang bàn nhôm rãnh T để gá kẹp phôi chắc chắn hơn.
  • Nâng cấp động cơ cắt: Thay thế motor 775 bằng động cơ phay trục chính công suất cao có biến tần điều khiển tốc độ và trang bị hệ thống làm mát chuyên dụng.
  • Tích hợp điều khiển an toàn và mở rộng tính năng: Lắp đặt đầy đủ các công tắc hành trình (Limit Switches) cho trục X, Y, Z, nút dừng khẩn cấp E-Stop; mở rộng thêm trục thứ 4 (trục xoay A); bổ sung hệ thống hút bụi và che chắn phoi tự động; tối ưu hóa thuật toán gia công để hướng tới khả năng thương mại hóa sản phẩm.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí: Tài liệu cung cấp góc nhìn toàn diện về sự kết hợp giữa thiết kế cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển vi mạch nhúng.
  • Nhóm kỹ sư DIY (Do It Yourself) và các xưởng gia công nhỏ: Là bản hướng dẫn thực tế để tự chế tạo máy phay/khắc CNC mini với chi phí tối ưu, nắm rõ quy trình căn chỉnh và thông số linh kiện.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật cao nhất trong đồ án bao gồm:

  • Quy trình tích hợp chuỗi phần mềm AutoCAD - Aspire - GRBL Controller.
  • Sơ đồ kết nối phần cứng giữa Arduino Uno R3, CNC Shield V3 và driver điều khiển động cơ bước A4988.
  • Bảng tổng hợp thông số kỹ thuật ray trượt tròn Bearing Steel GCR15 và tiêu chí phân loại đai ốc bi (loại U, V, K, S).

Câu hỏi thường gặp

1. Bo mạch điều khiển chính và bo mạch mở rộng được sử dụng trong mô hình là loại nào và có thông số kỹ thuật ra sao?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là Arduino Uno R3 trang bị vi điều khiển ATmega328 họ 8-bit, tần số hoạt động 16 MHz, điện áp làm việc 5V DC (điện áp vào giới hạn 6-20V DC), bộ nhớ Flash 32 KB (0,5 KB cho bootloader), 2 KB SRAM, 1 KB EEPROM, 14 chân Digital và 6 chân Analog. Mạch mở rộng gắn kèm là CNC Shield V3 kích thước 70x55 mm, hoạt động với nguồn cấp 12-36V DC, cho phép điều khiển tối đa 4 động cơ bước thông qua các driver tương thích như A4988 hoặc DRV8825.

2. Động cơ trục chính (spindle) và đầu gá dao trên mô hình sử dụng linh kiện gì?

Động cơ dao cắt sử dụng motor DC 775 có chổi than tích hợp quạt tản nhiệt, hoạt động ở dải điện áp 12V đến 36V DC, công suất từ 80W đến 650W (loại 80W đạt 10.000 vòng/phút, loại 150W đạt 18.000 vòng/phút), đường kính thân 17,5 mm, chiều dài 66,7 mm và trọng lượng 400 g. Đầu gá dụng cụ cắt sử dụng chuẩn HSK dòng HSK E/F Series với kết cấu kẹp rỗng ôm sát trục, chuyên dụng cho các máy gia công tốc độ cao trên 8.000 vòng/phút.

3. Cơ cấu dẫn hướng và truyền động biến đổi chuyển động của máy được cấu thành từ những chi tiết nào?

Hệ thống dẫn hướng của 3 trục sử dụng ray trượt tròn bằng thép Bearing Steel GCR15 có độ cứng bề mặt HCR-30,60, cấp chính xác G6, độ nhẵn bề mặt dưới 1,5 µm và lớp cứng dày 3 mm. Cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến sử dụng trục vít me kết hợp với đai ốc bi loại V (mã SFVR hoặc SFVL có vòng tuần hoàn bi ngoài), giúp giảm ma sát tối đa và chịu được tải trọng nặng khi vận hành.

4. Chuỗi công cụ phần mềm từ thiết kế đến điều khiển vận hành máy CNC trong đồ án gồm những gì?

Chuỗi phần mềm gồm 3 công đoạn liên hoàn:

  • Phần mềm AutoCAD: Dùng để thiết kế bản vẽ biên dạng hình học chi tiết 2D.
  • Phần mềm Aspire: Nhập bản vẽ CAD, thiết lập các chế độ cắt gọt, loại dao, tính toán đường chạy dao 2D/3D và xuất chương trình gia công mã G-code theo tiêu chuẩn EIA-274-D.
  • Firmware GRBL và phần mềm GRBL Controller: Firmware GRBL được nạp vào Arduino Uno R3 qua Arduino IDE; phần mềm GRBL Controller cài đặt trên máy tính đóng vai trò giao diện điều khiển, nhận file G-code và truyền dữ liệu điều khiển máy CNC qua cổng nối tiếp.

5. Khi kết nối động cơ bước với board mạch CNC Shield V3, tác giả lưu ý nguyên tắc kỹ thuật nào?

Tác giả nhấn mạnh khi kết nối động cơ bước vào các chân cắm trên board CNC Shield V3, người lắp đặt bắt buộc phải đấu nối các đầu dây cuộn pha theo đúng thứ tự phân cực A+ A- B+ B-. Việc tuân thủ thứ tự này nhằm đảm bảo từ trường điều khiển chuyển mạch chính xác, giúp động cơ bước hoạt động ổn định và quay đúng chiều mong muốn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Minh Nhật đã hoàn thành nhiệm vụ thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ dựa trên nền tảng vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch CNC Shield V3 và firmware GRBL. Nghiên cứu đã làm chủ toàn diện chuỗi công nghệ gia công số từ bản vẽ AutoCAD, xử lý CAM bằng Aspire đến điều khiển máy cắt gọt thực tế trên các vật liệu gỗ, mica và form. Mặc dù còn hạn chế về độ cứng vững của khung nhôm 20x20 mm và công suất động cơ 775 khi tiếp cận vật liệu kim loại nặng, đề tài đã hệ thống hóa quy trình chế tạo máy CNC giá thành thấp, đóng góp một giải pháp kỹ thuật khả thi cho các cơ sở sản xuất nhỏ và hoạt động nghiên cứu, học tập trong nước.