Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy CNC 3 trục

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo và thiết kế máy cnc 3 trục, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Đề tài: Đồ Án Tốt Nghiệp Nghiên Cứu Chế Tạo Và Thiết Kế Máy CNC 3 Trục
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ của đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
• 2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2.2. Kết cấu cơ bản của máy CNC
• 2.2.1. Kết cấu chung của máy CNC
• 2.2.2. Đầu trục chính
• 2.2.3. Các dạng dẫn động trục chính
• 2.2.4. Băng dẫn hướng
• 2.2.5. Trục vít me đai ốc bi
• 2.2.5.1. Giới thiệu chung trục vít me đai ốc bi
• 2.2.5.2. Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi
• 2.2.5.3. Các phương pháp khử khe hở vít me bi
• 2.3. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số
• 2.3.1. Khái niệm
• 2.3.2. Điều khiển theo kiểu truyền thống
• 2.3.3. Điều khiển số
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
• 3.1. Thiết kế cơ khí
• 3.1.1. Thiết kế khung máy
• 3.1.2. Truyền động trục X
• 3.1.3. Truyền động trục Y
• 3.1.4. Truyền động trục Z
• 3.1.5. Tổng thể thiết kế cơ khí
• 3.2. Thiết kế điện và phần điều khiển
• 3.2.1. Chọn động cơ truyền động các trục
• 3.2.2. Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
• 3.2.3. Động cơ bước biến từ trở
• 3.2.4. Động cơ bước hỗn hợp
• 3.2.5. Động cơ bước 2 pha
• 3.2.6. Các phương pháp điều khiển động cơ bước
• 3.2.7. Chọn động cơ trục chính
• 3.2.8. Một số chi tiết khác
• 3.2.9. Khớp nồi mềm
• 4. CHƯƠNG 4: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Giới thiệu phần mềm điều khiển máy CNC
• 4.2. Giao diện và một số chức năng của Mach3
• 4.2.1. Trang Program Run (Alt-1)
• 4.2.2. Trang MDI Alt2 (Manual Data Input)
• 4.2.3. Cách sử dụng các Mode trong Mach3
• 4.3. Một số chức năng khác
• 4.4. Tín hiệu truyền từ Mach3 ra cổng LPT
• 4.5. Cách chuyển đổi từ Mastercam sang G-code
• 4.6. Làm việc trong Mastercam
• 4.7. Vùng thiết lập chương trình gia công
• 4.8. Vùng chạy mô phỏng dao và xuất G-code
• 5. CHƯƠNG 5: THI CÔNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 5.1. Kết quả chế tạo kết cấu cơ khí
• 5.1.1. Kết cấu khung máy
• 5.1.2. Cơ cấu chuyển động cơ khí
• 5.2. Kết quả thi công phần điều khiển
• 5.2.1. Driver điều khiển động cơ Bước
• 5.2.2. Động cơ trục chính
• 5.2.3. Mạch đệm tín hiệu
• 5.3. Kết quả ứng dụng mô hình máy CNC
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 6.1. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Code gia công sản phẩm
• Phụ lục 2: Sơ đồ đấu nối Board, Driver, Nguồn và động cơ bước
• Phụ lục 3: Thao tác lập trình và xuất G-code trên phần mềm

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo máy CNC 3 trục

Đồ án tốt nghiệp nghiên cứu chế tạo và thiết kế máy CNC 3 trục là một trong những đề tài quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật cơ điện tử. Mục tiêu chính của đồ án là phát triển một mô hình máy CNC có khả năng gia công chính xác các chi tiết nhỏ. Việc chế tạo máy CNC 3 trục không chỉ giúp sinh viên áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn mà còn góp phần nâng cao năng lực sản xuất trong nước.

1.1. Lý do chọn đề tài nghiên cứu máy CNC 3 trục

Nhu cầu sử dụng máy CNC trong sản xuất ngày càng tăng cao. Việc chế tạo máy CNC 3 trục tại Việt Nam sẽ giúp giảm thiểu chi phí nhập khẩu và nâng cao chất lượng sản phẩm. Đề tài này cũng nhằm đáp ứng nhu cầu của các doanh nghiệp trong nước về thiết bị sản xuất hiện đại.

1.2. Mục đích và nhiệm vụ của đồ án

Mục đích của đồ án là chế tạo mô hình máy CNC 3 trục có khả năng gia công vật liệu mềm. Nhiệm vụ bao gồm thiết kế cơ khí, thi công và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC, đảm bảo máy hoạt động ổn định và chính xác.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế máy CNC 3 trục

Thiết kế máy CNC 3 trục gặp nhiều thách thức, từ việc lựa chọn linh kiện đến việc lập trình điều khiển. Các vấn đề như độ chính xác, độ bền và khả năng gia công đa dạng là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng. Đặc biệt, việc khắc phục dao động và sai số trong quá trình gia công là một trong những thách thức lớn nhất.

2.1. Các vấn đề kỹ thuật trong thiết kế máy CNC

Các vấn đề kỹ thuật bao gồm việc lựa chọn động cơ phù hợp, thiết kế khung máy chắc chắn và hệ thống điều khiển hiệu quả. Đặc biệt, việc sử dụng động cơ bước và servo cần được cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất cao.

2.2. Thách thức trong lập trình điều khiển máy CNC

Lập trình điều khiển cho máy CNC 3 trục yêu cầu kiến thức sâu về phần mềm và ngôn ngữ lập trình CNC. Việc chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang mã G-code là một bước quan trọng, đòi hỏi sự chính xác và cẩn thận.

III. Phương pháp thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục

Phương pháp thiết kế máy CNC 3 trục bao gồm việc sử dụng phần mềm CAD để tạo ra bản vẽ chi tiết và mô phỏng hoạt động của máy. Sau đó, các linh kiện sẽ được chế tạo và lắp ráp theo đúng quy trình. Việc kiểm tra và đánh giá kết quả cũng là một phần quan trọng trong quá trình này.

3.1. Thiết kế cơ khí cho máy CNC

Thiết kế cơ khí bao gồm việc xác định kích thước, hình dạng và vật liệu cho các bộ phận của máy. Các yếu tố như độ cứng, trọng lượng và khả năng chịu lực cần được xem xét để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả.

3.2. Lập trình và điều khiển máy CNC

Lập trình máy CNC sử dụng phần mềm Mach3 để điều khiển các trục. Việc lập trình cần phải chính xác để đảm bảo máy thực hiện đúng các thao tác gia công theo yêu cầu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của máy CNC 3 trục trong sản xuất

Máy CNC 3 trục có nhiều ứng dụng trong sản xuất, từ gia công chi tiết cơ khí đến chế tạo các sản phẩm công nghệ cao. Việc sử dụng máy CNC giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu thời gian sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong gia công cơ khí

Máy CNC 3 trục có khả năng gia công các chi tiết cơ khí với độ chính xác cao. Điều này giúp các doanh nghiệp tiết kiệm chi phí và thời gian trong quá trình sản xuất.

4.2. Ứng dụng trong sản xuất sản phẩm công nghệ cao

Máy CNC cũng được sử dụng để chế tạo các sản phẩm công nghệ cao như linh kiện điện tử, khuôn mẫu và các sản phẩm y tế. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp Việt Nam.

V. Kết luận và hướng phát triển của máy CNC 3 trục

Kết luận từ đồ án cho thấy việc nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy CNC 3 trục là một bước tiến quan trọng trong ngành cơ khí. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc cải tiến công nghệ, nâng cao chất lượng sản phẩm và mở rộng ứng dụng của máy CNC trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

5.1. Kết luận về đồ án tốt nghiệp

Đồ án đã hoàn thành mục tiêu chế tạo mô hình máy CNC 3 trục với độ chính xác cao. Kết quả đạt được cho thấy khả năng ứng dụng của máy CNC trong sản xuất là rất lớn.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của máy CNC. Việc hợp tác với các doanh nghiệp và tổ chức nghiên cứu cũng sẽ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong nền kinh tế sản xuất, máy công cụ là thiết bị nền tảng phục vụ chế tạo sản phẩm, máy móc và phụ tùng cho các ngành kinh tế. Tại Việt Nam, nhu cầu trang bị máy móc tự động hóa ngày càng gia tăng nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh trong giai đoạn hội nhập. Tuy nhiên, phần lớn máy công cụ điều khiển số (CNC) trong nước đều phải nhập khẩu từ các quốc gia như Đức, Nhật Bản và Trung Quốc với giá thành rất cao. Các dòng máy CNC được thiết kế, chế tạo nội địa còn hạn chế về số lượng và phần lớn dừng lại ở mức độ thử nghiệm vận hành cơ bản. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài đồ án tốt nghiệp tập trung nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC 3 trục nhằm tạo ra thiết bị có chi phí thấp, phục vụ nhu cầu đào tạo thực hành và nghiên cứu khoa học.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản như sau:

• Mục đích của đề tài:
  1. Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm.
  2. Gia công được các chi tiết có kích thước nhỏ.
• Nhiệm vụ của đề tài:
  1. Thiết kế cơ khí kết cấu máy CNC.
  2. Thi công phần cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC.
  3. Hoàn thiện hệ thống để máy vận hành đạt yêu cầu kỹ thuật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy phay CNC 3 trục).
• Phạm vi không gian gia công: Hành trình làm việc hữu ích theo các trục là 200 mm (trục X), 300 mm (trục Y) và 100 mm (trục Z); kích thước mặt bàn máy là 250 x 300 x 10 mm.
• Phạm vi vật liệu gia công: Thử nghiệm trên các vật liệu mềm gồm xốp, gỗ, nhựa mica và nhôm mỏng.
• Thời gian và địa điểm thực hiện: Đồ án hoàn thành vào tháng 07 năm 2023 tại Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Ngô Hà Quang Thịnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết cơ học máy công cụ, công nghệ gia công cắt gọt và kỹ thuật điều khiển số:

• Khung hệ tọa độ và quy chuẩn lập trình: Thiết lập hệ tọa độ Đề-các ba chiều $Oxyz$ theo quy tắc bàn tay phải, trong đó phôi được quy ước cố định và dụng cụ cắt thực hiện toàn bộ chuyển động tạo hình; trục $Oz$ trùng phương trục chính với chiều dương hướng ra xa chi tiết. Xác lập các điểm chuẩn gồm điểm gốc máy ($M$), điểm chuẩn máy ($R$), điểm gốc chi tiết/phôi ($W$), điểm gốc chương trình ($P$), điểm chuẩn gá dao ($T$) và điểm gá dao ($N$). Cấu trúc chương trình gia công và các ký tự địa chỉ tuân thủ quy chuẩn DIN 66025 (các lệnh chuyển động, chức năng phụ $M$, tốc độ chạy dao $F$, số vòng quay trục chính $S$, gọi dao $T$).
• Cơ cấu cơ khí và truyền động: Phân tích động học bộ truyền vít me đai ốc bi (tiếp xúc ma sát lăn, loại trừ khe hở dọc trục bằng tấm đệm hoặc lò xo) so với vít me đai ốc thường; hệ dẫn hướng thanh trượt tròn và con trượt tròn; cơ cấu đai răng và khớp nối mềm.
• Tính toán chế độ cắt phay: Áp dụng công thức tính toán lực cắt tiếp tuyến ($P_z$) và vận tốc cắt ($v$) theo tài liệu chuyên ngành của PGS. TS. Nguyễn Đắc Lộc và cộng sự:
  • Thông số đầu vào: Tốc độ vòng quay trục chính lớn nhất $n_{max} = 12.000$ vòng/phút; tốc độ cắt lớn nhất $V_{max} = 2.000$ vòng/phút; đường kính dao phay ngón $D = 10$ mm (tương ứng bề rộng cắt $B = 10$ mm); số răng dao $Z = 4$; chiều sâu cắt lớn nhất $t = 5$ mm; hệ số an toàn bằng 2.
  • Lượng chạy dao răng tính toán: $S_z = V_{max} / (Z \cdot n_{max}) = 2000 / (4 \cdot 12000) = 0,041$ mm/răng.
  • Lực cắt tiếp tuyến xác định trên vật liệu nhôm (hệ số điều chỉnh chất lượng $k_{MP} = 1$; các hệ số $C_p = 68,2$; $x = 0,86$; $y = 0,72$; $u = 1$; $q = 0,86$; $w = 0$): $P_z = 67,17$ N.
  • Chu kỳ bền của dao tính toán đạt $T = 40,13$ phút (với $C_v = 145$; $m = 0,37$; $x = 0,24$; $y = 0,26$; $u = 0,1$; $q = 0,44$; $p = 0,13$).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu tài liệu lý thuyết (về động cơ bước, động cơ servo, biến tần, truyền động cơ khí), phương pháp mô hình hóa hình học bằng phần mềm CAD/CAM (Mastercam, Powermill) và phương pháp thực nghiệm chế tạo, lắp ráp phần cứng, cấu hình mạch ghép nối tín hiệu và kiểm thử gia công thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng gồm giáo trình công nghệ chế tạo máy, tài liệu tra cứu chế độ cắt gọt kim loại, tài liệu kỹ thuật của phần mềm điều khiển Mach3 và các thông số từ nhà sản xuất linh kiện cơ điện tử.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương mở đầu phân tích vai trò của máy công cụ trong sản xuất công nghiệp và thực trạng phụ thuộc vào máy nhập khẩu tại thị trường trong nước. Tác giả trình bày lý do chọn đề tài nghiên cứu máy phay CNC 3 trục nhằm mục tiêu chế tạo thiết bị nội địa có chi phí hợp lý. Chương này công bố mục đích nghiên cứu, 3 nhiệm vụ chế tạo cụ thể, đối tượng nghiên cứu, phạm vi giới hạn của mô hình, phương pháp luận nghiên cứu và kết cấu tổng thể của đồ án tốt nghiệp gồm 6 chương.

Chương 2: Tổng quan giải pháp công nghệ

Nội dung chương này hệ thống hóa tình hình nghiên cứu máy CNC trên thế giới và tại Việt Nam, phân loại các dòng máy gia công truyền thống, phi truyền thống và biến dạng áp lực. Tác giả phân tích cấu trúc tổng thể của máy CNC gồm phần cơ khí (khung, đế, bàn máy, cụm trục chính, băng dẫn hướng, vít me bi) và phần điều khiển. Đi sâu vào phân loại hệ điều khiển số (NC, CNC, DNC, Adaptive Control, FMS, CIM), các phương thức nội suy (điểm - điểm, đường thẳng, biên dạng 2D, 2.5D, 3D, 4D, 5D), quy ước hệ trục tọa độ Đề-các và các điểm chuẩn gia công ($M, R, W, P, T, N$). Chương 2 trình bày bảng ký tự địa chỉ theo tiêu chuẩn DIN 66025 và thực hiện các bước tính toán động lực học xác định lực cắt tiếp tuyến $P_z = 67,17$ N và chu kỳ bền của dao phay $T = 40,13$ phút.

Chương 3: Phương pháp giải quyết

Chương 3 trình bày giải pháp thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điện - điều khiển cho mô hình máy CNC 3 trục:

• Thiết kế cơ khí: Lựa chọn vật liệu nhôm định hình để chế tạo kết cấu khung máy nhằm tối ưu trọng lượng. Kích thước khung máy đạt chiều cao 455 mm, chiều dài 540 mm, chiều rộng 540 mm; kích thước bàn máy 250 x 300 x 10 mm. Hành trình dịch chuyển của cụm trục chính theo trục X là 200 mm, trục Y là 300 mm và trục Z là 100 mm. Bản vẽ lắp ráp tổng thể cơ khí xác định kích thước hoàn chỉnh: chiều cao 475,6 mm, chiều dài 589 mm, chiều rộng 589 mm.
• Thiết kế điện và điều khiển: Phân tích cấu tạo, nguyên lý cấp xung pha của động cơ bước (nam châm vĩnh cửu, biến từ trở, hỗn hợp, 2 pha). Lập bảng so sánh kỹ thuật giữa động cơ bước và động cơ servo để lựa chọn phương án dẫn động phù hợp cho hệ thống.

Tiêu chí so sánh	Động cơ bước (Stepper motor)	Động cơ servo
Mạch driver	Mạch đơn giản	Mạch phức tạp, thường mua từ nhà sản xuất
Nhiễu và rung động	Đáng kể	Rất ít
Tốc độ làm việc	Trung bình (2.000 - 4.000 vòng/phút)	Nhanh (3.000 - 5.000 vòng/phút)
Hiện tượng trượt bước	Xảy ra khi tải quá lớn	Khó xảy ra
Phương pháp điều khiển	Vòng hở (không có encoder phản hồi)	Vòng kín (có encoder phản hồi)
Độ phân giải góc quay	2 pha PM: 7,5° (48 ppr); 2 pha HB: 1,9° (400 ppr); 5 pha HB: 0,1°	Phụ thuộc độ phân giải của encoder

Căn cứ vào yêu cầu chỉ gia công vật liệu mềm và tối ưu chi phí, tác giả lựa chọn động cơ bước 2 pha điều khiển vòng hở cho cả 3 trục chuyển động. Hệ thống điện sử dụng bộ nguồn tổ ong 24V DC, mạch đệm giao tiếp BOB Mach3 USB/LPT, khớp nối mềm và động cơ trục chính (Spindle) kẹp dao qua đầu collet.

Chương 4: Giới thiệu phần mềm điều khiển

Chương 4 tập trung vào giải pháp phần mềm và quy trình xử lý dữ liệu gia công:

• Cấu hình phần mềm Mach3: Giới thiệu giao diện vận hành và các trang chức năng Program Run (Alt-1), MDI (Alt-2), Tool Path, Offsets, Settings; hộp thoại quản lý thông tin dao (Tool Information) và tiện ích mở rộng phay hốc tròn (Cam Function Addon - Cut a Circular Pocket).
• Giao tiếp phần cứng: Thiết lập ánh xạ chân tín hiệu điều khiển ra cổng LPT (chân Step/Dir), cấu hình bảng thông số số xung trên mỗi đơn vị dịch chuyển (steps per unit), cài đặt phím tắt di chuyển thủ công cho các trục và thiết lập giới hạn hành trình mềm bằng phần mềm (soft limits).
• Quy trình CAM: Hướng dẫn nhập bản vẽ thiết kế dạng DXF vào Mach3, thao tác lập trình đường chạy dao trên phần mềm Mastercam và Powermill, cài đặt chế độ cắt, thiết lập vùng chạy mô phỏng quỹ đạo dao và xuất file mã lệnh G-code gia công.

Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 5 phản ánh kết quả chế tạo thực tế của mô hình:

• Chế tạo cơ khí: Lắp ráp hoàn chỉnh hệ khung nhôm định hình, hệ thống dẫn hướng thanh trượt tròn, cụm đỡ trục chính và cơ cấu truyền động đai - bánh răng cho các trục X, Y, Z.
• Thi công hệ thống điện: Bố trí và đấu nối tủ điện gồm các mạch driver điều khiển động cơ bước, mạch đệm tín hiệu CNC BOB Mach3, bộ nguồn tổ ong 24V và động cơ trục chính Spindle.
• Đánh giá thực nghiệm: Lập trình gia công và mô phỏng trên phần mềm Powermill; tiến hành gia công thử nghiệm mẫu trên vật liệu xốp để kiểm tra sự chuyển động nhịp nhàng giữa các trục và kiểm soát sai số; sau đó tiến hành gia công sản phẩm thực tế trên máy để đánh giá khả năng tạo hình chi tiết.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Tác giả tổng kết toàn bộ quá trình nghiên cứu, khẳng định việc chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục hoạt động ổn định với vật liệu mềm. Thẳng thắn thừa nhận các khiếm khuyết kỹ thuật chưa xử lý triệt để như hiện tượng dao động khi gia công, sự thiếu vắng cơ cấu thay dao tự động và hệ thống cấp phôi tự động. Từ đó, chương này đề xuất các phương hướng nghiên cứu tiếp theo để nâng cấp thiết bị.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Mô hình máy phay CNC 3 trục được thiết kế và triển khai đồng bộ giữa ba phân hệ: cơ khí, điện - điều khiển và phần mềm lập trình.

Về kiến trúc cơ khí, khung máy được định hình từ các thanh nhôm định hình chịu lực, tạo kết cấu dạng cổng chắc chắn. Kích thước tổng thể của máy sau lắp ráp là 589 mm (dài) x 589 mm (rộng) x 475,6 mm (cao). Bàn máy có kích thước 250 x 300 x 10 mm chịu tải trọng phôi và lực cắt trong quá trình gia công. Cụm truyền động tịnh tiến cho 3 trục được bố trí độc lập:

• Trục X: Cơ cấu chuyển động tịnh tiến cụm trục chính dọc theo thanh trượt tròn với hành trình 200 mm, truyền động bằng bộ truyền dây đai - bánh răng.
• Trục Y: Dẫn động bàn máy di chuyển tịnh tiến theo phương dọc với hành trình 300 mm qua bộ truyền đai răng.
• Trục Z: Điều khiển chuyển động nâng hạ lên xuống của cụm đầu trục chính với hành trình 100 mm.

Về kiến trúc điện và điều khiển, hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc vòng hở (open-loop control). Máy tính điều khiển trung tâm cài đặt phần mềm Mach3, truyền phát các tín hiệu điều khiển xung bước (Step) và chiều quay (Direction) qua cổng máy in LPT hoặc mạch đệm giao tiếp CNC BOB Mach3 USB. Tín hiệu điều khiển được cách ly quang và chuyển tiếp đến các bộ Driver động cơ bước riêng biệt cho từng trục. Nguồn cung cấp toàn bộ hệ thống là bộ nguồn tổ ong biến đổi điện áp lưới thành nguồn một chiều 24V DC. Động cơ trục chính sử dụng động cơ Spindle tích hợp đầu kẹp collet kẹp dao phay ngón, được điều khiển tốc độ quay tối đa 12.000 vòng/phút.

Về quy trình phần mềm và kiểm thử, quy trình vận hành khép kín được triển khai qua các bước:

1. Mô hình hóa hình học chi tiết gia công trên phần mềm CAD/CAM (Mastercam hoặc Powermill).
2. Thiết lập thông số công nghệ (tốc độ $S$, bước tiến dao $F$, chiều sâu cắt $t$) và tạo quỹ đạo chạy dao.
3. Xuất chương trình gia công sang định dạng mã G-code chuẩn DIN 66025.
4. Nạp mã lệnh vào phần mềm điều khiển Mach3 trên máy tính, thực hiện rà gá lấy gốc tọa độ phôi ($W$) và gốc dao ($P$).
5. Chạy mô phỏng quỹ đạo ảo trên màn hình Tool Path của Mach3.
6. Vận hành máy cắt thử nghiệm thực tế trên phôi xốp để kiểm tra tính liên tục của quỹ đạo và hiệu chỉnh các cử hành trình phần mềm (soft limits) trước khi gia công chi tiết trên phôi vật liệu mềm.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả thực nghiệm và giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Kết quả thực nghiệm:
  • Chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục hoàn chỉnh với kích thước cơ khí thực tế $589 \times 589 \times 475,6$ mm; vùng không gian làm việc đạt $200 \times 300 \times 100$ mm tương ứng với ba trục X, Y, Z.
  • Hệ thống điều khiển điện tử kết nối thành công giữa máy tính cá nhân, phần mềm Mach3, mạch đệm giao tiếp BOB, bộ nguồn 24V, các driver và động cơ bước 2 pha, vận hành ăn khớp không xảy ra xung đột tín hiệu.
  • Gia công thực nghiệm thành công mẫu chi tiết trên phôi xốp và phôi vật liệu mềm với biên dạng hình học chính xác theo đúng chương trình mô phỏng từ phần mềm Powermill và Mastercam.
• Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
  • Ứng dụng kết cấu khung nhôm định hình kết hợp truyền động đai răng và động cơ bước vòng hở giúp tối thiểu hóa chi phí chế tạo, loại bỏ sự phức tạp của các bộ mã hóa hồi tiếp encoder nhưng vẫn đáp ứng yêu cầu gia công tải nhẹ.
  • Sử dụng giải pháp điều khiển số qua phần mềm Mach3 trên máy tính kết hợp bo mạch đệm giao tiếp chuẩn, cho phép dễ dàng hiệu chỉnh tham số bước (steps per unit), giao diện trực quan và linh hoạt khi nhập dữ liệu gia công.
• Đóng góp tự nêu của đồ án: Đồ án cung cấp một mô hình thực nghiệm máy phay CNC 3 trục kích thước nhỏ hoàn chỉnh, được thiết kế và chế tạo ngay trong nước với giá thành thấp, đóng góp trực tiếp vào trang thiết bị học tập, phục vụ công tác giảng dạy thực hành và nghiên cứu khoa học cho sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài được tác giả ghi nhận bao gồm:

• Do thời gian thực hiện có hạn và kinh nghiệm chế tạo cơ khí chính xác của nhóm còn hạn chế, mô hình máy chưa triệt tiêu được hoàn toàn dao động và rung động trong quá trình cắt gọt, dẫn đến sai số gia công khi tải cắt biến thiên.
• Máy chưa được trang bị hệ thống thay dao tự động (Automatic Tool Changer - ATC); việc thay thế các mũi dao phay khác nhau vẫn phải thao tác thủ công và thiết lập lại điểm chuẩn gá dao.
• Mô hình chưa phát triển được hệ thống cấp phôi và tháo phôi tự động, quy trình gá đặt phôi hoàn toàn phụ thuộc vào người vận hành.

Hướng phát triển đề tài được tác giả đề xuất:

• Nghiên cứu gia cố và cải tiến kết cấu khung máy để nâng cao độ cứng vững, ổn định và khắc phục triệt để hiện tượng dao động khi máy vận hành ở tốc độ cao.
• Thiết kế, tích hợp cơ cấu thay dao tự động nhằm nâng cao tính linh hoạt và mức độ tự động hóa trong các chu trình gia công nhiều bước.
• Nghiên cứu chế tạo hệ thống cấp phôi tự động để khép kín chu trình gia công, hướng tới hoàn thiện mô hình trạm sản xuất tự động phục vụ đào tạo chuyên sâu.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến thiết kế máy công cụ mini, chế tạo máy phay CNC 3 trục hoặc hệ thống điều khiển số.
• Các giảng viên, kỹ thuật viên tại các xưởng thực hành cơ khí - điện tử cần tài liệu mẫu về quy trình thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị đào tạo giá thành thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu gồm:

• Phương pháp và công thức tính toán thông số chế độ cắt, lực cắt tiếp tuyến ($P_z$) và công suất trục chính cho máy phay gia công vật liệu mềm (Chương 2).
• Bảng phân tích so sánh kỹ thuật giữa động cơ bước và động cơ servo làm căn cứ lựa chọn động cơ dẫn động (Chương 3).
• Quy trình thiết lập phần cứng, sơ đồ đấu nối mạch đệm BOB, cách cấu hình thông số truyền thông trên phần mềm Mach3 và quy trình xuất mã G-code từ phần mềm CAM (Chương 4 và Phụ lục).

Câu hỏi thường gặp

1. Không gian làm việc và kích thước tổng thể của mô hình máy CNC 3 trục là bao nhiêu? Kích thước khung máy cơ sở là $455 \times 540 \times 540$ mm và kích thước sau khi lắp ráp hoàn chỉnh là $475,6 \times 589 \times 589$ mm; kích thước bàn gá phôi là $250 \times 300 \times 10$ mm. Phạm vi hành trình gia công hữu ích của 3 trục lần lượt là: trục X di chuyển 200 mm, trục Y di chuyển 300 mm và trục Z nâng hạ 100 mm.

2. Lý do nhóm tác giả lựa chọn động cơ bước thay vì động cơ servo cho các trục dẫn động? Theo bảng phân tích so sánh ở Chương 3, động cơ servo tuy có tốc độ cao (3.000 - 5.000 vòng/phút) và điều khiển vòng kín qua encoder nhưng mạch driver rất phức tạp và chi phí cao. Trong khi đó, mô hình này chỉ gia công các vật liệu mềm (xốp, mica, gỗ, nhôm mỏng) phục vụ công tác đào tạo, nên động cơ bước với mạch driver đơn giản, giá thành thấp, khả năng giữ mô-men tốt ở dải tốc độ thấp và điều khiển vòng hở không cần encoder là giải pháp tối ưu và phù hợp với điều kiện thực tế.

3. Các thông số công nghệ nào được sử dụng để tính toán lực cắt của dao phay? Tác giả áp dụng công thức của PGS. TS. Nguyễn Đắc Lộc và cộng sự với các thông số: tốc độ quay lớn nhất của trục chính $n_{max} = 12.000$ vòng/phút; tốc độ cắt lớn nhất $V_{max} = 2.000$ vòng/phút; đường kính dao phay $D = 10$ mm; số răng cắt $Z = 4$; chiều sâu cắt lớn nhất $t = 5$ mm; vật liệu gia công là nhôm ($k_{MP} = 1$). Kết quả tính được lượng chạy dao răng $S_z = 0,041$ mm/răng và lực cắt tiếp tuyến $P_z = 67,17$ N.

4. Hệ thống điều khiển của máy sử dụng phần mềm và giải pháp kết nối phần cứng nào? Hệ thống sử dụng phần mềm Mach3 cài đặt trên máy tính làm trung tâm điều khiển và mô phỏng gia công. Dữ liệu lệnh được xuất qua cổng máy in LPT hoặc mạch đệm CNC BOB Mach3 USB để đưa tín hiệu xung (Step/Dir) đến các driver động cơ bước và biến tần điều khiển động cơ trục chính. Chương trình gia công G-code được lập trình và tạo quỹ đạo từ các phần mềm CAM như Mastercam và Powermill.

5. Tác giả tự đánh giá những chức năng tự động nào chưa hoàn thành trên mô hình? Trong phần mở đầu và kết luận, nhóm tác giả thừa nhận do giới hạn về kiến thức thực tế và thời gian thực hiện nên chưa hoàn thiện được giải pháp ổn định dao động cơ học khi cắt, chưa tích hợp được hệ thống thay dao tự động (ATC) và chưa chế tạo được hệ thống cấp phôi tự động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, chế tạo và thiết kế máy CNC 3 trục" của sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế cơ khí, lắp ráp hệ thống điện và lập trình điều khiển. Thiết bị vận hành ổn định qua phần mềm Mach3, sử dụng động cơ bước dẫn động 3 trục và đã gia công thử nghiệm thành công trên các vật liệu mềm như xốp và mẫu vật liệu mềm. Mặc dù còn hạn chế về khả năng triệt tiêu dao động cũng như chưa tích hợp cơ cấu thay dao và cấp phôi tự động, công trình đã hiện thực hóa một mô hình máy công cụ CNC cỡ nhỏ có chi phí thấp, đáp ứng tốt nhu cầu học tập, nghiên cứu và thực hành kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu đề tài - Chương 2: Tổng quan giải pháp công nghệ - Chương 3: Phương pháp giải quyết - Chương 4: Quy trình thiết kế phần cứng và phần mềm - Chương 5: Thi công mô hình thực nghiệm, đánh giá kết quả - Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hiện nay hầu hết các công nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu. Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất nhiều hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vì trong nước không có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó. Máy CNC chế tạo trong nước với chi phí thấp sẽ là chìa khoá để đảm bảo chúng ta có thể nhanh chóng có thể chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp vừa phục vụ cho công nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ.

Nghiên cứu trên thế giới: Hiện nay trên thế giới việc chế tạo ra máy công cụ tự động CNC đạt tới trình độ rất cao. Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác. Có thể phân loại các máy CNC như sau: - Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máy mài CNC - Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo mẫu nhanh RP - Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy CNC tự động theo chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số - Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng loạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hoá chất độc hại… Nghiên cứu trong nước: Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phong phú. Các sản phẩm do máy CNC tạo ra tập trung các lĩnh vực sau: - Máy CNC dùng để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế khác như: công nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận chuyển như ô tô, tàu hoả,…), công nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…), công nghiệp quốc phòng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), công nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học… - Máy CNC cũng có thể dùng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao được sử dụng trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản xuất chíp điện tử… 2.

Kết cấu cơ bản của máy CNC Máy CNC cơ bản gồm hai phần chính: Phần cơ khí: đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng. Ở Việt Nam hiện nay chưa thể chế tạo ra hai bộ phận quan trọng của máy là: cụm trục chính và băng dẫn hướng mà mới chỉ chế tạo được những cơ cấu đơn giản là: thân máy, bàn máy, bàn xoay. Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.1 Kết cấu chung của máy CNC 2. Đầu trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công (hình 2.2 Cụm trục chính.

Nguồn động lực điều khiển trục chính: Trục chính được điều khiển bởi các động cơ. Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng. Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh. Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.3 Các dạng dẫn động trục chính.2 Băng dẫn hướng Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính (hình 2.4 Thanh trượt và con trượt tròn, băng dẫn hướng Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt 2.

Trục vít me đai ốc bi 2. Giới thiệu chung trục vít me đai ốc bi Trong máy công cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi. + Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt + Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn. Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi (hình 2.5 Quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me thường và vít me bi Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường.

Đường cong này chia làm hai phần: + Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt. Vùng này có sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít me và đai ốc. Khi vận tốc bằng không, lực ma sát lớn nhất, khi vận tốc tăng lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b. + Giai đoạn tiếp theo là quá trình bôi trơn giữa hai bề mặt thủy động và như đồ thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.

Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục đòi hỏi thời gian khởi động bàn máy nhanh và momen nhỏ. Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường không đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC. Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi có dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ. Do tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát có thể là coi là không đáng kể.

Từ đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xóa bỏ được vùng ma sát khô và ma sát nửa khô của ma sát thường. Ưu điểm của vít me đai ốc bi: + Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0. + Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ. + Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.

+ Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.2 Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi Vít me bi có kết cấu đa dạng nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau(H 1.6 Cấu tạo vít me bi Khử khe hở và tạo sức căng Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải có khả năng khử khe hở dọc trục và điều chỉnh sức căng ban đầu. Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điều chỉnh vị trí tương quan giữa hai phần của đai ốc. Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng các phương pháp sau (Hình 2.7): + Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để liên kết hai phần đai với nhau thông qua mối ghép ren. Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằng cách giữa hai mặt người ta đặt các tấm đệm.

Với chiều dày các tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí vùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me. Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh khó khăn.7 Các phương pháp khử khe hở vít me bi + Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một phần của đai ốc, khe hở và tạo sức căng ban đầu bằng lực của lò xo(Hình 2. + Trên mỗi phần của đai ốc, vành ngoài của nó có vành răng bước nhỏ và trong cũng có bố trí vành răng trong.8 Khử khe hở vít me bi bằng lò xo 2. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 2.1 Khái niệm Là quá trình xảy ra trong môt hệ thống giới hạn, trong đó một hay nhiều đại lượng là đại lượng đầu vào, các đại lượng khác là đại lượng đầu ra, chúng tác động và ảnh hưởng đến hệ thống theo những quy luật riêng.

Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại: − Điều khiển theo kiểu truyền thống. − Điều khiển số.2 Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quãng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì.Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây: − Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm. − Các thao tác của hệ thống điều khiển thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được). Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.

− Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế.