CHƯƠNG 1.1 Lý do chọn đề tài Trong thời kỳ hội nhập và phát triển của công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu tự chủ công nghệ trong sản xuất và chế tạo ngày càng trở nên quan trọng. Ngành cơ điện tử, tự động hóa với sự tiến bộ vượt bậc về kỹ thuật số và hệ thống nhúng, đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị và máy móc tự động. Một trong những thiết bị then chốt trong công nghiệp cơ khí hiện nay là máy CNC, đóng vai trò quan trọng trong việc gia công và sản xuất hàng loạt với độ chính xác cao. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phần lớn các máy CNC vẫn phải nhập khẩu từ các quốc gia phát triển như Đức, Nhật Bản, Trung Quốc, với chi phí cao và đòi hỏi bảo trì kỹ thuật phức tạp.
Các máy CNC sản xuất trong nước hiện nay còn hạn chế, thường chỉ đáp ứng được mức cơ bản mà chưa khai thác hết tiềm năng của công nghệ CNC. Điều này đặt ra thách thức lớn cho việc nâng cao tính tự chủ và giảm sự phụ thuộc vào các sản phẩm công nghệ nhập khẩu. Mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ trong gia công chi tiết Mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ trong gia công chi tiết được thiết kế để đáp ứng nhu cầu gia công chính xác trong các xưởng chế tạo nhỏ hoặc trong các ứng dụng DIY. Máy có khả năng di chuyển theo ba trục chính: trục X (ngang), trục Y (dọc) và trục Z (cao), cho phép thực hiện các thao tác phay, khoan và cắt với độ chính xác cao.
Mô hình này thường sử dụng động cơ bước hoặc servo để điều khiển các chuyển động, kết hợp với một bộ điều khiển CNC, giúp lập trình và thực hiện các hình dạng phức SVTH: Trần Minh Nhật 4 Đồ án/thực tập tốt nghiệp tạp một cách dễ dàng. Kích thước nhỏ gọn của máy cho phép tiết kiệm không gian và dễ dàng vận chuyển, đồng thời phù hợp cho việc gia công các chi tiết nhỏ như linh kiện điện tử, đồ trang sức, hoặc các sản phẩm thủ công. Ngoài ra, mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ còn tích hợp các tính năng như cảm biến an toàn, hệ thống hút bụi để giữ cho khu vực làm việc sạch sẽ, và giao diện điều khiển thân thiện, giúp người dùng dễ dàng lập trình và theo dõi quá trình gia công. Qua việc nghiên cứu và phát triển mô hình này, chúng tôi mong muốn tạo ra một giải pháp hiệu quả cho các thợ chế tác, nhà thiết kế, và các doanh nghiệp nhỏ, giúp họ nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong ngành chế tạo.2 Mục tiêu đề tài Xây dựng quy trình gia công CNC chi tiết.
Thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC 3 trục hoạt động tốt. Mô phỏng quá trình gia công bằng phần mềm. Gia công sản phẩm thực tế và đánh giá chất lượng. Phát triển khả năng gia công 2D và 3D.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Vi điều khiển Arduino Uno R3 Mạch điều khiển CNC Shield V3 Thuật toán CNC Thuật toán CNC SVTH: Trần Minh Nhật 5 Đồ án/thực tập tốt nghiệp 1.2 Phạm vi nghiên cứu Thiết kế máy CNC 3 trục cỡ nhỏ: Nghiên cứu các nguyên lý thiết kế và lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo máy, bao gồm các thành phần cơ khí như khung máy, bàn làm việc, động cơ, và hệ thống điều khiển.
Chế tạo và lắp ráp: Tiến hành chế tạo và lắp ráp mô hình máy CNC 3 trục với các linh kiện tiêu chuẩn, đảm bảo tính chính xác và hiệu suất trong quá trình gia công. Lập trình và điều khiển: Nghiên cứu các phương pháp lập trình CNC với vi điều khiển Arduino và mạch điều khiển CNC Shield V3 Ứng dụng trong gia công chi tiết: Thực hiện các thử nghiệm gia công các chi tiết mẫu từ các vật liệu khác nhau như fomr, nhựa, và gỗ để đánh giá khả năng và hiệu suất của máy trong các ứng dụng thực tế1.4 Phương pháp nghiên cứu và thực tiễn đề tài.1 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tìm kiếm, tham khảo các bài viết và bài báo khoa học liên quan đến thiết kế, chế tạo và ứng dụng máy CNC, bao gồm các dự án nghiên cứu về công nghệ CNC, nguyên lý hoạt động của máy CNC 3 trục, và các ứng dụng trong gia công chi tiết. Tài liệu tham khảo sẽ giúp cung cấp cái nhìn tổng quát về các xu hướng công nghệ hiện đại và phương pháp tối ưu trong gia công. Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng để thực hiện thiết kế mô hình máy CNC 3 trục cỡ nhỏ, mô phỏng các chuyển động của máy và kiểm tra các thông số kỹ thuật.
Việc mô phỏng này sẽ giúp đánh giá hiệu suất của thiết kế trước khi tiến hành chế tạo thực tế, từ đó điều chỉnh các thông số kỹ thuật cho phù hợp. SVTH: Trần Minh Nhật 6 Đồ án/thực tập tốt nghiệp Kết hợp với phần mềm lập trình vi điều khiển Arduino IDE để lập trình hoạt động cho mô hình máy CNC. Phương pháp thực nghiệm: Sau khi hoàn thành mô hình, tiến hành chế tạo và lắp ráp máy CNC 3 trục. Thực hiện thử nghiệm gia công các chi tiết mẫu từ các vật liệu khác nhau để kiểm tra độ chính xác, tốc độ gia công và chất lượng sản phẩm.
Thực hiện đánh giá trong khoảng thời gian một tháng để thu thập dữ liệu và phản hồi từ người dùng về tính tiện lợi, độ chính xác và hiệu quả sử dụng của máy. Trong quá trình thử nghiệm, theo dõi và ghi nhận các lỗi phát sinh để có biện pháp khắc phục kịp thời, đồng thời lắng nghe ý kiến của người dùng nhằm phát triển và nâng cấp mô hình trong tương lai.2 Thực tiễn đề tài Đề tài "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và ứng dụng máy CNC 3 trục cỡ nhỏ trong gia công chi tiết" là sự kết hợp giữa kiến thức khoa học kỹ thuật tiên tiến và công nghệ tự động hóa hiện đại. Mô hình máy CNC không chỉ sử dụng các nguyên lý cơ khí và điện tử trong thiết kế, mà còn áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa quy trình gia công. Máy CNC 3 trục có khả năng hoạt động tự động và độc lập, giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quá trình sản xuất.
Điều này không chỉ giúp tăng năng suất lao động mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong gia công các chi tiết phức tạp. Hệ thống cũng có thể được lập trình để theo dõi và quản lý quy trình sản xuất, từ đó giảm bớt công việc hành chính liên quan và cải thiện hiệu quả sản xuất. Một mục tiêu quan trọng của đề tài là phát triển sản phẩm có thể thương mại hóa. Bằng việc xây dựng máy CNC 3 trục cỡ nhỏ với chi phí hợp lý và khả năng ứng SVTH: Trần Minh Nhật 7 Đồ án/thực tập tốt nghiệp dụng linh hoạt, sản phẩm sẽ đáp ứng được nhu cầu của các xưởng chế tạo nhỏ, thợ thủ công và các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Việc thương mại hóa sản phẩm không chỉ tạo ra giá trị kinh tế mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo trong nước.5 Bố cục đề tài Luận văn được trình bày gồm năm chương, trong đó phần Giới thiệu được trình bày riêng biệt với bốn chương còn lại nhằm làm nổi bật lý do chọn đề tài. Phần này sẽ nêu rõ tầm quan trọng của việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục cỡ nhỏ, đồng thời xác định mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Chương 1: TỔNG QUAN Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 3 NỘI DUNG THỰC HIỆN Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN SVTH: Trần Minh Nhật 8 Đồ án/thực tập tốt nghiệp CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Khái quát về máy CNC 2.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển 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 chưa từng thấy, làm giảm thiểu rất nhiều công sức của con người. Hiện nay lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lí chất lượng tiên tiến mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Trong đó không thể thiếu sự đóng góp của máy CNC.
SVTH: Trần Minh Nhật 9 Đồ án/thực tập tốt nghiệp Hình 2. Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 1. Tủ điều khiển 2. Hệ thống đo lường 3.
Robot và rãnh trượt 7. Phím điều khiển Robot 4. Nhà kho phôi liệu 8.2 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 thi 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.
SVTH: Trần Minh Nhật 10 Đồ án/thực tập tốt nghiệp Hình 2. 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 đồ 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 ổ trục gồm tịnh tiến theo x,y,z và các trục a,b,c quay quanh các trục x,y,z.
Miêu tả các trục của máy CNC trong hệ tọa đồ Descarte SVTH: Trần Minh Nhật 11 Đồ án/thực tập tốt nghiệp 2.