Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy khắc gỗ

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy khắc gỗ, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán ., phục vụ nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

• Tác giả: Trần Hoàng Khuyên
• Người hướng dẫn: ThS. Hồ Ngọc Thế Quang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Máy Khắc Gỗ CNC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Chế Tạo Máy Khắc Gỗ

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy khắc gỗ là một công trình nghiên cứu học thuật quan trọng tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM. Đây là kết tinh của lý thuyết và thực nghiệm sau bốn năm học tập chuyên ngành công nghệ chế tạo máy. Đồ án được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy dưới sự hướng dẫn của ThS. Hồ Ngọc Thế Quang. Mục tiêu của dự án là thiết kế và chế tạo máy khắc gỗ CNC với kích thước gọn nhẹ, giá thành thấp, nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động cao. Máy được ứng dụng cho học tập, giải trí và sản xuất tại nhà, đáp ứng nhu cầu thực tiễn của thị trường hiện nay.

1.1. Ý Nghĩa Của Đề Tài Nghiên Cứu

Máy khắc gỗ CNC mang ý nghĩa lớn trong lĩnh vực gia công cơ khí hiện đại. Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, nhu cầu tự động hóa sản xuất ngày càng tăng. Máy CNC có khả năng gia công những hình dạng phức tạp một cách nhanh chóng chỉ với tập tin mã lệnh, từ đó nâng cao năng suất sản xuất và chất lượng sản phẩm.

1.2. Quá Trình Thực Hiện Đồ Án

Quá trình thiết kế chế tạo máy khắc gỗ được triển khai một cách khoa học qua nhiều bước: tìm kiếm cơ sở dữ liệu, phát triển ý tưởng và giải pháp, thiết kế chi tiết, tối ưu hóa mô hình. Nhóm cũng mô phỏng tính bền vững của hệ thống, thực hiện gia công các chi tiết cần thiết và lắp ráp thành máy CNC hoàn chỉnh.

II. Đặc Tính Kỹ Thuật Của Máy Khắc Gỗ CNC

Máy khắc gỗ CNC được thiết kế với các thông số kỹ thuật vượt trội. Kích thước hoạt động tối đa trên các trục X, Y, Z lần lượt là 300 x 200 x 100 mm, phù hợp với không gian sản xuất tại nhà hoặc xưởng nhỏ. Máy có khả năng gia công các hình dạng từ đơn giản đến phức tạp với độ chính xác cao. Sai số kích thước đạt mức tối ưu, đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên công nghệ CNC 3 trục hiện đại, cho phép tự động hóa toàn bộ quá trình gia công gỗ.

2.1. Thông Số Kỹ Thuật Chính

Kích thước hoạt động tối đa là 300 x 200 x 100 mm trên các trục X, Y, Z. Máy được trang bị hệ thống điều khiển CNC tự động, cho phép nhập tập tin mã lệnh để điều khiển các chuyển động. Độ chính xác của máy đạt chuẩn công nghiệp, sai số kích thước tối thiểu.

2.2. Khả Năng Gia công

Máy khắc gỗ có khả năng gia công các hình dạng lớn nhỏ, từ phác thảo đơn giản đến thiết kế phức tạp. Công nghệ CNC cho phép tự động hóa sản xuất, giảm thời gian gia công và tăng hiệu suất. Máy phù hợp cho sản xuất tại nhà, sản xuất thủ công, và giáo dục kỹ thuật.

III. Hệ Thống Điện Tử Và Phần Mềm Điều Khiển

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện chi tiết về phần điện tử và phần mềm điều khiển cho máy khắc gỗ CNC. Hệ thống điều khiển được thiết kế để tiếp nhận tập tin mã lệnh từ máy tính, sau đó chuyển đổi thành các tín hiệu điều khiển cho các động cơ bước. Các thành phần điện tử chính bao gồm bo mạch điều khiển, driver motor, cảm biến vị trí, và giao diện người dùng. Phần mềm được viết để hỗ trợ việc nhập liệu, thiết kế đường cắt, và điều khiển máy hoạt động đúng theo thiết kế.

3.1. Thành Phần Điện Tử Chính

Hệ thống điều khiển CNC bao gồm bo mạch chủ điều khiển, driver động cơ bước, cảm biến vị trí, nút điều khiển và giao diện hiển thị. Các thành phần được chọn lựa để đảm bảo độ tin cậy cao và chi phí hợp lý.

3.2. Phần Mềm Điều Khiển

Phần mềm điều khiển máy khắc gỗ cho phép người dùng nhập tập tin thiết kế, thiết lập các tham số gia công như tốc độ, độ sâu cắt. Phần mềm chuyển đổi thông tin thiết kế thành mã lệnh CNC để điều khiển động cơ bước hoạt động chính xác.

IV. Kết Quả Hạn Chế Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Máy khắc gỗ CNC sau khi chế tạo hoàn thành đã vượt qua các bài kiểm tra chạy thử nghiệm. Máy hoạt động ổn định, đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Tuy nhiên, dự án vẫn còn một số hạn chế như rung động trong quá trình nội suy các chuyển động, các mối lắp ghép máy chưa đạt độ thẩm mỹ cao. Nhóm hi vọng phát triển hơn nữa mô hình máy khắc gỗ bằng cách khắc phục các nhược điểm trên, tăng cường độ cứng của khung máy, sử dụng vật liệu chất lượng cao hơn.

4.1. Các Kết Quả Đạt Được

Máy khắc gỗ CNC đã hoàn thành toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo và lắp ráp. Các bài kiểm tra chạy thử cho thấy máy hoạt động ổn định, đạt độ chính xác yêu cầu. Sản phẩm gia công từ máy đạt chất lượng tốt, độ chi tiết cao.

4.2. Những Hạn Chế Và Hướng Khắc Phục

Máy vẫn gặp phải rung động trong quá trình hoạt động, cần tăng cường độ cứng khung máy. Các mối lắp ghép cần được tối ưu hóa về thẩm mỹ. Hướng phát triển tương lai là nâng cấp hệ thống truyền động, sử dụng vật liệu chất lượng cao hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu. Chương 2 Tổng quan nghiên cứu đề tài. Chương 3 Cơ sở lý thuyết. Chương 4 Đề xuất phương án thiết kế.

Chương 5 Thiết kế, tính toán. Chương 6 Tổng kết. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy CNC 3 trục đòi hỏi người thực hiện cần phải am hiểu nhất định về cấu tạo nguyên lý hoạt động của các loại máy CNC hiện đại. Ngoài ra, một nguồn tư liệu quan trọng khác chính là các máy CNC đã được chế tạo trong nước nói chung và ở các trường đại học nói riêng là nguồn tư liệu tham khảo để làm cơ sở sáng tạo cho đề tài mà nhóm đang thực hiện.

Máy CNC tự chế rất đa dạng về hình dáng, kết cấu, kích thước và vật liệu chế tạo. Dưới đây là máy CNC tự chế Hobby A4 (hình 2.1) với hành trình3 trục là 300x195x70 mm, độ phân giải mỗi trục là 0.0035 mm/bước, tốc độ di chuyển tối đa có thể đạt đến 1200mm/phút, kích thước bàn máy là 400x300 mm, động cơ được sử dụng cho 3 trục x, y, z là động cơ bước. 1 Máy CNC Hobby Hình 2. 2 Máy CNC Carving Machine DIY KIT 7x7 Máy CNC Carving Machine DIY KIT 7x7 có kích thước 50x50x50 cm, chất liệu làm khung là nhựa PVC.

Tổng trọng lượng khoảng 10kg. Hành trình là 18x18x5 cm. Máy CNC tự chế nói chung gồm 3 dạng sau: Bàn máy đứng yên và 3 trục chuyển động (hình 2. Bàn máy chuyển động theo 1 phương (hình 2.

Bàn máy chuyển động theo cả 2 phương X, Y (hình 2. Vật liệu được sử dụng để làm khung máy gồm: gỗ, nhôm, hoặc thép. Với mục đích để gia công gỗ, khắc chữ… nên các máy CNC này không đòi hỏi độ chính xác cao, quy trình 5 chế tạo, lắp ráp đơn giản và giá thành thấp. 3 Máy CNC microcarve A4 Hình 2.

4 Máy CNC bằng gỗ Hình 2.5 là máy CNC được hướng dẫn chế tạo trong cuốn CNC Robotics của tác giả Geoff Williams. Máy CNC được chế tạo với vitme thường và thanh trượt trơn, sử dụng động cơ bước lưỡng cực và phần mềm điều khiển là Kcam. 5 Máy CNC của GeoffWilliám Hình 2. 6 Máy CNC của Patrick-James Hình 2.6 là máy CNC do Patrick Hood-Daniel và James Floyd Kelly hướng dẫn chế tạo trong cuốn sách Build your own CNC machine.

Máy CNC này với bộ khung bằng gỗ, thanh trượt chỉ đơn giản là một thanh nhôm với vòng bi, vitme thường, sử dụng động cơ bước cho các trục, phần mềm điều khiển là Mach3.2 NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM Hiện nay, một số trường đại học, cao đẳng đã chú trọng vào việc chế tạo mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy như mô hình máy phay CNC của trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, máy tiện CNC, phay CNC, máy cắt plasma, khoan mạch in của Đại Học Bách Khoa Hà Nội, mô hình máy khắc chữ của Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng,…. 7 Máy phay CNC Đại Học Hình 2. 8 Máy phay CNC Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Bách Khoa Hà Nội Bên cạnh các máy CNC được chế tạo với mục đích giảng dạy trong các trường học, một bộ phận sinh viên, kĩ sư chế tạo các máy CNC nhằm gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp, cắt kim loại bằng plasma… Hình 2. 9 Máy CNC Trung tâm giáo Hình 2.

10 Máy CNC gia công gỗ dục thường xuyên Quy Nhơn 7 Hình 2. 11 Máy tiện CNC ĐẠI HỌC Hình 2. 12 Máy cắt xốp Bách Khoa Hà Nội Hình 2. 13 Máy phay CNC 3 trục Đai Học Hình 2.

14 Máy phay CNC 3 trục Đai Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí (năm 2012) Minh(năm 2013) 8 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT.1 VÀI NÉT SƠ LƯỢC VỀ MÁY CNC 3.1 Vài nét về lịch sử Năm 1947, Parsons (Mỹ) là cha đẻ của ý tưởng áp dụng tín hiệu số cho các máy gia công cắt gọt. Năm 1954, máy điều khiển theo chương trình số đầu tiên được ra đời.

Năm 1955, xuất hiện máy điều khiển số bằng bìa và băng đục lỗ tại triển lãm máy công cụ tại Chicago. Kể từ đó, khi thấy được lợi ích và tiềm năng của máy điều khiển số (Numerical Control –NC), nhiều nước trên thế giới như Nhật, Anh, Đức,… đã nghiên cứu, phát triển, chế tạo thành công nhiều loại máy CNC và phổ biến nhiều nơi trên thế giới. CNC (Computer Numerical Control) là một loại máy điều khiển theo chương trình số (NC) sử dụng máy vi tính hoặc máy tính công nghiệp (PLC) để điều khiển các mảng điện tử của máy NC và tích hợp cơ cấu thay dao tự động. Cấu tạo chung và quy ước máy CNC: Hình 3.

1Mô hình khái quát của máy 3.2 Máy CNC 3 trục thường gặp Kết cấu cơ bản máy CNC thường gặp là gồm có 2 phần chính: 9 Hình 3. 2 Cấu tạo máy cnc Phần điều khiển: Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển. Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, chữ số và các kí hiệu khác như: dấu cộng, trừ, dấu chấm…Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (chẳng hạn mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính). Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược.

Bao gồm các cơ cấu đọc, giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu. Phần chấp hành Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay 10 máy, ổ chứa dao, bôi trơn, vận chuyển phoi… Cũng như các máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận cắt kim loại tạo hình chi tiết. Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà bao gồm các bộ phận: hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy… Kết cấu từng bộ phận chính như máy vạn năng thông thường, tuy nhiên có một vài khác biệt để đảm bảo cho quá trình điều khiển tự động được ổn định, chính xác, năng suất và mở rộng khả năng công nghệ của máy. Hộp tốc độ: phạm vi điều khiển tốc độ lớn, thường là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các li hợp điện từ để thay đổi tốc độ được dễ dàng.

Hộp chạy dao: có nguồn dẫn động riêng thường là động cơ bước, sử dụng phương pháp khử khe hở của bộ truyền vitme- đai ốc bi… Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, thay dao tự động,… Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau đảm bảo một hay nhiều thông số tối ưu như thành phần lực cắt, độ ồn, độ rung, chế độ cắt… Quy ước hệ tọa độ của máy CNC: Hình 3. 3Quy tắc bàn tay phải Ba trục chuyển động chính của máy CNC kí hiệu là X, Y, Z. Trục Z vuông góc với 2 trục còn lại và tạo nên hệ trục tọa độ vuông góc theo quy tắc bàn tay phải (Hình 3. Trục Z thường được quy ước trùng với trục chính.

Chiều dương là chiều dụng cụ cắt rời xa khỏi chi tiết. Chiều quay dương cùng chiều kim đồng hồ nhìn từ gốc tọa độ. Trục X thường được chọn là trục tạo nên chuyển động tịnh tiến lớn nhất. Trục Y là trục vuông góc với 2 trục còn lại theo nguyên tắc bàn tay phải.

Hệ tọa độ chuẩn: 11  M: chuẩn máy - là chuẩn được thiết lập bởi nhà sản xuất và không thay đổi được.  W: chuẩn chi tiết – dùng làm gốc tọa độ làm việc trong quá trình gia công, chuẩn này có thể thay đổi được.  P: chuẩn thảo chương – là chuẩn lập trình gia công, có thể trùng hoặc không trùng với chuẩn chi tiết và có thể thay đổi được.2 CẤU TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC 3.1 Cấu tạo máy Hình 3. 4Sơ đồ máy phay 3 trục Hình 3.

5Máy CNC 3 trục Mill55 Hình 3. 6 Các bộ phận của máy phay CNC Mill55 Máy phay CNC cũng gồm các bộ phận cơ bản của một máy CNC nói chung như: bộ trục Z và bàn máy, bộ điều khiển, cơ cấu thay dao, động cơ và các mạch điện tử. Tùy vào từng loại máy phay CNC mà có hình dạng, kết cấu, kích thước và khả năng công nghệ 12 khác nhau do nhà sản xuất quyết định.2 Vitme – đai ốc Trong thực tế có 2 dạng vitme được sử dụng phổ biến: vitme-đai ốc tiếp xúc mặt hay còn gọi là vitme-đai ốc thường và vitme-đai ốc bi. Ở đây dùng vitme đai ốc bi.

7Vít me bi Vitme-đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vitme, đai ốc, bi và rãnh hồi bi (hình 3. Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng và hoạt động trên những viên bi đỡ. Chính nhờ những viên bi này mà ma sát trượt trên vitme-đai ốc thường được thay thế bằng ma sát lăn trên vitme-đai ốc bi. Kết quả là ma sát nhỏ hơn và hiệu suất vitme-đai ốc bi trên 90%.

Vitme- đai ốc bi hồi bi theo 2 cách: lỗ khoan trong đai ốc (hình 3.9) và hồi bi theo kiểu ống (hình 3.8Cấu tạo vitme bi và profin ren 13 Hình 3. 9Hồi bi theo lỗ khoan đai ốc Hình 3. 10Hồi bi kiểu ống Vitme-đai ốc bi được thiết kế để khử khe hở và điều chỉnh sức căng ban đầu. Có 3 phương pháp được áp dụng:  Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích, liên kết hai phần này với nhau thông qua mối ghép ren, khử khe hở bằng cách đặt tấm đệm giữa hai phần đai ốc (hình 3.

Cách này có kết cấu đơn giản nhưng khó điều chỉnh.  Cố định phần đai ốc trái, điều chỉnh lực lò xo tác dụng lên phần đai ốc phải thông qua các tấm đệm (hình 3.  Khử khe hở bằng vành răng (hình 3.13), khi xoay hai phần đai ốc sẽ quay hai góc khác nhau, nhờ đó khe hở và sức căng được điều chỉnh. 11 Khử khe hở bằng tấm đệm Hình 3.

12Khử khe hở bằng lò xo 14 Hình 3. 13Khử khe hở bằng vành răng 3.3 Thanh trượt bi Trong các hệ thống máy móc, các thanh trượt có nhiệm vụ chính là dẫn hướng chuyển động.