Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục dùng NCStudio V5

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm NCStudio V5. Chi tiết cấu kết cơ khí, mạch điều khiển và quy trình gia công.

• Tác giả: Hoàng Ánh Linh
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Tuấn Anh
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí
• Đề tài: Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp phần mềm điều khiển NCStudio V5
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục điều khiển NCStudio

Máy phay CNC 3 trục router giữ vai trò quan trọng trong gia công cơ khí chính xác và chế biến gỗ mỹ nghệ. Hệ thống này ứng dụng công nghệ điều khiển số tự động để điều phối ba chuyển động tịnh tiến dọc các trục X, Y và Z. Quá trình thiết kế và chế tạo đòi hỏi sự kết hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, hệ thống dẫn động và bộ điều khiển phần mềm. Phần mềm NCStudio V5 kết hợp card giao tiếp PCI mang lại giải pháp điều khiển ổn định và kinh tế cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ. Mô hình máy phay 3 trục đạt kích thước làm việc tiêu chuẩn 500x350x150 mm cùng tổng khối lượng khoảng 70 kg. Cấu trúc này tối ưu hóa khả năng chống rung và đảm bảo độ chính xác định vị đạt 0,05 mm. Thiết bị vận hành trực tiếp trên lưới điện dân dụng 220V 50Hz, đáp ứng tốt yêu cầu cắt gọt gỗ, nhựa mica và vật liệu composite. Việc làm chủ công nghệ chế tạo trong nước giúp hạ giá thành đáng kể so với máy nhập khẩu.

1.1. Khái niệm và cấu tạo chung máy phay CNC 3 trục

Máy phay CNC 3 trục là thiết bị cắt gọt vật liệu tự động theo chương trình số hóa định sẵn. Cấu tạo cơ bản của máy gồm ba phần chính: khung máy cơ khí, hệ thống dẫn động và hệ thống điều khiển điện tử. Khung máy đảm bảo độ cứng vững khi gia công. Hệ thống dẫn động sử dụng động cơ bước kết hợp vít me bi và thanh trượt dẫn hướng để tạo chuyển động tịnh tiến ba chiều. Trục chính spindle đảm nhận chuyển động quay cắt gọt phôi với tốc độ cao. Hệ thống điều khiển đọc mã G-code và chuyển đổi thành xung điều khiển các trục chuyển động mượt mà.

1.2. Vai trò của phần mềm điều khiển NCStudio trong hệ thống

NCStudio là hệ thống điều khiển chuyên dụng cho máy phay và khắc CNC trên máy tính cá nhân. Phần mềm hoạt động thông qua card giao tiếp PCI chuyên dụng gắn trên bo mạch chủ. Giao diện trực quan cho phép người vận hành nạp mã lệnh G-code, mô phỏng đường chạy dao và giám sát tọa độ thời gian thực. NCStudio hỗ trợ các tính năng điều chỉnh tốc độ tiến dao, dừng khẩn cấp và lưu vị trí khi mất điện. Giải pháp này giúp giảm thiểu lỗi vận hành thủ công, nâng cao năng suất và đảm bảo tính đồng đều của bề mặt chi tiết gia công.

II. Phân tích yêu cầu kỹ thuật và động học máy phay CNC 3 trục NCStudio

Phân tích kỹ thuật đóng vai trò quyết định đến độ bền và độ chính xác của máy phay CNC 3 trục. Trong quá trình gia công, các cụm trục chịu tác động phức tạp từ lực cắt, lực quán tính khi tăng giảm tốc và ma sát cơ khí. Khi trục Y di chuyển phôi với vận tốc lên tới 9 m/phút, lực dọc trục lớn nhất đạt mức 40,44 N. Khối lượng cụm chuyển động trục Y khoảng 15 kg đòi hỏi gia tốc khởi động đạt 3,92 m/s2 mà không gây trượt bước động cơ. Ngoài ra, việc xác định hệ tọa độ chuẩn máy, gốc phôi và lượng bù bán kính dao là bài toán then chốt trong lập trình. Sự thiếu ổn định cơ học hoặc sai số truyền động sẽ làm sai lệch dung sai gia công vượt ngưỡng 0,05 mm. Do đó, việc tính toán lực ma sát với hệ số con lăn 0,005 và tải trọng động của trục vít me bi cần được thực hiện nghiêm ngặt nhằm tránh hiện tượng rung lắc và biến dạng nhiệt trong suốt chu trình làm việc liên tục.

2.1. Phân tích động lực học và tính toán tải trọng trục vít me

Tính toán động lực học xác định chính xác lực dọc trục và mô men xoắn cần thiết cho từng cụm chuyển động. Trục Y chịu lực cắt 20 N cùng lực ma sát lăn với hệ số 0,005 trên ray dẫn hướng. Khi tăng tốc hoặc giảm tốc với gia tốc 0,4g, lực dọc trục cực đại đạt 40,44 N. Vít me bước 5 mm yêu cầu tốc độ quay động cơ đạt 1800 vòng/phút ở vận tốc tiến dao 9 m/phút. Tải trọng động danh định Ca của trục vít me được xác định để đảm bảo tuổi thọ làm việc trên 10000 giờ. Phân tích này là cơ sở chọn lựa động cơ bước phù hợp.

2.2. Thiết lập hệ tọa độ và kiểm soát sai số gia công thực tế

Hệ thống điều khiển máy phay cần xác định chính xác các điểm chuẩn gồm gốc máy M, điểm chuẩn R và gốc phôi W. Gốc phôi W được thiết lập linh hoạt trên bề mặt gia công để đơn giản hóa chương trình G-code. Lượng bù bán kính dao và dịch điểm chuẩn bù đắp sai số hình học của dụng cụ cắt. Việc hiệu chuẩn cảm biến hành trình giới hạn bảo vệ an toàn cho kết cấu cơ khí. Quá trình gá đặt phôi và căn chỉnh song phẳng giữa bàn máy với đầu trục Z giúp kiểm soát độ không song song dưới 0,02 mm trên toàn hành trình.

III. Giải pháp thiết kế chế tạo cơ khí và tích hợp điều khiển NCStudio

Giải pháp chế tạo máy phay CNC 3 trục tập trung vào module hóa kết cấu cơ khí và tối ưu hóa mạch điều khiển điện tử. Thân máy sử dụng khung nhôm định hình kết hợp thép tấm gia công phay phẳng để đạt độ cứng vững cao và giảm tải trọng toàn hệ thống xuống 70 kg. Cụm dẫn động ba trục trang bị vít me bi chính xác cấp C7 kết hợp ray trượt tròn có đế đỡ giúp triệt tiêu độ rơ dọc trục. Khâu điều khiển sử dụng card NCStudio V5 kết nối máy tính chủ qua cổng PCI, phát xung điều khiển các mạch driver điều khiển động cơ bước hybrid 2 pha. Trục chính spindle làm mát bằng nước với công suất 1,5 kW đạt tốc độ quay 24000 vòng/phút, đảm bảo đường cắt mịn màng trên mica và gỗ tự nhiên. Mạch điện nguồn tích hợp bộ lọc nhiễu EMI, biến áp cách ly và công tắc hành trình quang học nhằm ngăn ngừa xung nhiễu điện từ spindle truyền ngược vào hệ thống điều khiển số.

3.1. Thiết kế chế tạo kết cấu cơ khí các trục chuyển động

Khung máy được gia công từ nhôm hợp kim tấm dày đảm bảo tính đối xứng và độ vuông góc giữa các trục X, Y, Z. Trục Z sử dụng cụm tấm nhôm định vị kẹp đầu spindle vững chắc với hành trình 150 mm. Trục X và trục Y sử dụng gối đỡ ổ bi cố định một đầu và tùy động một đầu giúp triệt tiêu biến dạng giãn nở nhiệt của vít me bi. Các mặt phẳng lắp ray dẫn hướng được gia công chuẩn xác trên máy phay công nghiệp. Kết cấu khung đế tích hợp khay hứng phoi và rãnh hồi dung dịch tưới nguội phục vụ gia công liên tục.

3.2. Đấu nối mạch điện và tích hợp phần mềm điều khiển NCStudio

Mạch điều khiển trung tâm kết nối card NCStudio PCI với các driver động cơ bước và biến tần spindle. Tín hiệu xung Step và chiều Dir được truyền qua cáp chống nhiễu bọc kim chuyên dụng. Hệ thống cài đặt biến tần điều khiển tốc độ quay trục chính từ 6000 đến 24000 vòng/phút qua lệnh analog. Phần mềm NCStudio V5 trên máy tính Windows được cấu hình tham số bước xung Pulse Per Unit chính xác cho từng trục. Quy trình hiệu chuẩn tự động đưa máy về gốc Home và kiểm tra tính năng dừng khẩn cấp trước khi vận hành.

IV. Đánh giá hiệu quả chế tạo và ứng dụng máy phay CNC 3 trục NCStudio

Quá trình thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục tích hợp điều khiển NCStudio đã hoàn thành đúng mục tiêu kỹ thuật đề ra. Máy gia công thử nghiệm thành công các chi tiết nghệ thuật và linh kiện cơ khí trên gỗ, nhựa mica với sai số kích thước dưới 0,05 mm. Tốc độ di chuyển không tải đạt 9 m/phút và tốc độ cắt gọt ổn định ở mức 6 m/phút. Hệ thống điều khiển NCStudio chứng minh độ ổn định cao, không xuất hiện hiện tượng mất bước hay trễ lệnh trong quá trình chạy dài. Thiết bị phù hợp ứng dụng rộng rãi trong các xưởng mộc mỹ nghệ, cơ sở quảng cáo bảng biển và phòng thí nghiệm đào tạo kỹ thuật cơ khí. Tổng chi phí gia công chế tạo mô hình thấp hơn 60% so với các dòng máy nhập ngoại có cùng thông số không gian 500x350x150 mm. Thành công của đồ án mở ra tiềm năng nội địa hóa thiết bị gia công CNC quy mô nhỏ và tự động hóa sản xuất tại Việt Nam.

4.1. Kết quả thử nghiệm gia công và sai số thực tế của máy

Thử nghiệm cắt khắc thực tế trên phôi mica và gỗ tấm ghi nhận bề mặt chi tiết nhẵn phẳng và sắc nét. Độ nhám bề mặt đạt tiêu chuẩn gia công tinh không cần qua khâu đánh bóng bổ sung. Đo kiểm kích thước sản phẩm bằng thước cặp điện tử cho thấy dung sai kích thước các cạnh nằm trong khoảng 0,03 đến 0,05 mm. Độ lặp lại vị trí khi quay về gốc phôi đạt độ chuẩn xác cao sau nhiều chu trình gia công lặp lại. Động cơ bước và trục chính vận hành êm ái, nhiệt độ động cơ duy trì ổn định dưới 55 độ C.

4.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn và hướng phát triển đề tài

Mô hình máy phay CNC 3 trục đáp ứng hoàn hảo nhu cầu chế tác biển hiệu quảng cáo, khuôn mẫu nhỏ và quà tặng mỹ nghệ. Trong lĩnh vực giáo dục, máy là công cụ trực quan phục vụ giảng dạy môn học CAD/CAM-CNC và kỹ thuật điều khiển tự động. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài bao gồm việc nâng cấp cụm thay dao tự động ATC và bổ sung trục xoay A để tạo thành máy phay 4 trục đồng thời. Ngoài ra, việc cải tiến hệ thống hút bụi và bao che kín sẽ nâng cao độ an toàn lao động và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm và lịch sử của máy CNC CNC – viết tắt cho Computer Numeric Controlled (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các loại máy móc với mục đích sản xuất bằng cách sử dụng các chương trình viết kí hiệu chuyên biệt. Ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác. Thiết kế máy CNC hiện đại bắt nguồn từ tác phẩm của John T. Parsons cuối những năm 1940 và đầu những năm 1950.

Sau Thế chiến II, Parsons tham gia sản xuất cánh máy bay trực thăng, một công việc đòi hỏi phải gia công chính xác các hình dạng phức tạp. Parsons sớm nhận ra rằng bằng cách sử dụng máy tính IBM thời kì đầu, ông đã có thể tạo ra những thanh dẫn đường mức chính xác hơn nhiều khi sử dụng các phép tính bằng tay và sơ đồ. Dựa trên kinh nghiệm này, ông đã giành được hợp đồng phát triển một “máy cắt đường mức tự động” cho Không quân để tạo mặt cong cho cánh máy bay. Sử dụng một đầu đọc thẻ máy tính và các bộ điều khiển động cơ trợ động (servomotor) chính xác, chiếc máy được chế tạo cực kì lớn, phức tạp và đắt đỏ.

Mặc dù vậy, nó làm việc một cách tự động và sản xuất các mặt cong với độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay. Đến những năm 1960, giá thành và tính phức tạp của những chiếc máy tự động giảm đến một mức độ nhất định để có thể ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác. Những chiếc máy này sử dụng các động cơ truyền động điện một chiều để vận dụng vô lăng và vận hành dao cụ. Các động cơ này nhận chỉ dẫn điện từ một đầu đọc băng từ – đọc một băng giấy có chiều rộng khoảng 2,5cm có đục một hàng lỗ.

Vị trí và thứ tự lỗ cho phép đầu đọc sản xuất ra những xung điện cần thiết để quay động cơ với thời gian và tốc độ chính xác, trong thực tế nó điều khiển máy giống như nhân viên vận hành. Các xung điện được quản lý bởi một máy tính đơn giản không có bộ nhớ. Chúng thường được gọi là NC hay máy điều khiển số. 2 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.

Bùi Tuấn Anh Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan. Đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật mà họ gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung ương của họ để thực hiện một loạt các phép toán cho một cánh máy bay trực thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J.

Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM, nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng, Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm cơ cấu phụ thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II.

Phòng thí nghiệm MIT đã nhận thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển. Việc phát triển thành công các công cụ máy CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách. Các máy CNC hiện đại hoạt động bằng cách đọc hàng nghìn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính chương trình. Để đặt thông tin này vào bộ nhớ, nhân viên lập trình tạo ra một loạt lệnh mà máy có thể hiểu được.

Bộ điều khiển cũng giúp nhân viên lập trình tăng tốc độ sử dụng máy. Ví dụ, trong một số máy, nhân viên lập trình có thể đơn giản chỉ cần nhập dữ liệu về vị trí, đường kính và chiều sâu của một chi tiết và máy tính sẽ lựa chọn phương pháp gia công tốt nhất để sản xuất chi tiết đó dưới dạng phôi. Thiết bị mới nhất có thể chọn một mẫu kỹ thuật được tạo ra từ máy tính, tính toán tốc độ dao cụ, đường vận chuyển vật liệu vào máy và sản xuất chi tiết mà không cần bản vẽ chương trình. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn.

Các loại máy CNC chắc chắn sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ 3 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh 1.2 Đặc điểm máy CNC Theo định nghĩa của Hiệp hội Công nghiệp Điện Tử, điều khiển số (Numerical Control – NC) là hệ thống trong đó các hoạt động được điều khiển trực tiếp bởi dữ liệu số. Với tiến trình phát triển của máy CNC thì các máy CNC ngày nay có các đặc điểm sau: + Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng. Nhiều hệ CNC chạy trong nền Windows dễ hiểu và dễ sử dụng, thao tác đơn giản, hiển thị đồ hoạ tốt, giao diện thân thiện với người dùng, giảm thiểu khả năng sai sót cũng như dễ dàng tìm lỗi chương trình.

Người sử dụng được thông báo thường xuyên về tình trạng của máy, cảnh báo lỗi nguy hiểm có thể xảy ra, thực hiện mô phỏng để kiểm tra trước quá trình gia công. + Cho phép hiệu chỉnh dụng cụ cắt,hiệu chỉnh toạ độ,nội suy đường thẳng, đường tròn hay bất kì đường bậc ba nào. + Độ chính xác: Các vòng lặp khép kín có phản hồi vị trí và tốc độ cho phép tạo ra chuyển động êm ái và chính xác với tốc độ ổn định. + Chống nhiễu: Các vi mạch và linh kiện điện tử, dây truyền dẫn tín hiệu được chống nhiễu về điện hoặc xung điện phát ra từ các nguồn như tia plasma, máy hàn.

+ Tiêu chuẩn hoá các thiết bị thay thế: giúp giảm giá thành chế tạo và giảm thời gian bảo dưỡng sửa chữa. + Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo,… trong hệ thống sản xuất. Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ(LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet.3 Phạm vi ứng dụng Những lợi ích khi sử dụng máy công cụ điều khiển số CNC so với máy công cụ thường + Tự động hóa sản xuất: Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử,… Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chí không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy. Sau khi nạp 4 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.

Bùi Tuấn Anh chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, giải phóng nhân lực cho công việc khác. + ít xuất hiện phế phẩm do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống. + Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm: Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo sản xuất hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất.

Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn. + Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao: một máy CNC đảm nhận gia công nhiều bước tại một vị trí. Qua đó thời gian phụ giảm, thời gian sản xuất tăng. + Linh hoạt: Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới.

Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng. Do có khả năng tự động hóa cao, máy CNC thích hợp với các dây chuyền sản xuất linh hoạt. + Chi phí kiểm tra và chi phí cho phế phẩm giảm. + Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn.

5 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS. Bùi Tuấn Anh Hình 1. 1 Gia công cắt gọt trên máy CNC 1.4 Cấu tạo chung của các máy CNC Các máy CNC thông thường hiện nay gồm có cấu tạo chung như trong hình vẽ dưới đây. 2 Cấu tạo chung của máy CNC Các cụm trục chính của máy CNC được đặt theo các trục tọa độ, cho phép xác định chiều chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt.

Các trục tọa độ cơ bản là X, Y, Z với chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Các trục quay tương ứng với các trục X, Y, Z được ký hiệu bằng các chữ cái A, B, C. Chiều dương là chiểu quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương của các trục X, Y, Z. Các trục cơ bản này tạo nên hệ tọa độ máy CNC.5 Hệ tọa độ máy 6 Đồ án tốt nghiệp GVHD: TS.

Bùi Tuấn Anh 1.1 Trục Z máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của trục chính và vuông góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z). Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ bàn máy tới trục chính 1.2 Trục X Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thường nó được xác định theo quy tắc bàn tay phải (ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X). Máy phay đứng, máy khoan đứng: Nếu đứng ngoài nhìn vào trục chính thì chiều dương của trục X hướng về bên phải.3 Trục Y Trục Y được xác định bằng quy tắc bàn tay phải sau khi các trục X, Z đã được xác định. Ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y.