Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh của cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao năng suất và giảm thiểu chi phí nhân công. Việc dán và đánh dấu nhãn mác kỹ thuật lên các thiết bị, linh kiện là nhu cầu thiết yếu để phục vụ công tác quản lý, vận hành và bảo trì hệ thống cơ - điện. Phương pháp dán nhãn thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất thấp, độ đồng đều không đảm bảo và tốn kém chi phí nhân lực. Trong khi đó, các thiết bị in nhãn chuyên dụng nhập khẩu từ các quốc gia phát triển (như Đức, Nhật Bản) tuy có độ bền và chất lượng cao nhưng giá thành đầu tư rất lớn, chưa tối ưu cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ hoặc các ứng dụng chuyên biệt tại Việt Nam.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy đánh nhãn tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của ThS. Dương Thế Phong trong thời gian 8 tháng (năm 2021). Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống máy đánh nhãn nhỏ gọn dạng mini CNC, tối ưu hóa đường di chuyển đầu bút in để rút ngắn thời gian làm việc, đáp ứng nhu cầu in ký tự/ký hiệu trực tiếp lên các bề mặt có diện tích nhỏ hoặc yêu cầu đặc thù.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

  1. Nghiên cứu tổng quan về công nghệ in, máy CNC và các cơ cấu truyền động cơ khí, hệ thống điều khiển tự động.
  2. Thiết kế và tính toán kết cấu cơ khí cho hệ thống truyền động 3 trục (X, Y, Z), lựa chọn động cơ, bộ truyền và cơ cấu dẫn hướng phù hợp.
  3. Thiết kế hệ thống điện và tích hợp phần mềm điều khiển số phục vụ việc xuất mã lệnh và vận hành máy đánh nhãn.
  4. Chế tạo mô hình thực tế, đảm bảo máy hoạt động ổn định, đạt độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật và có chi phí hợp lý.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Máy đánh nhãn tự động 3 trục điều khiển số (mini CNC) sử dụng đầu bút in (bút lông dầu hoặc bút bi).
  • Phạm vi không gian làm việc: Vùng làm việc hữu ích đạt $(350 \times 350)\text{ mm}$, đáp ứng các đối tượng in cụ thể:
    • Ký tự/ký hiệu trên thanh Domino/Terminal (miếng Phoenix UTC-TM 8 và tương đương): kích thước $(76 \times 118)\text{ mm}$.
    • Ký tự/ký hiệu lên vỏ hộp kỹ thuật (Box) hoặc cầu đấu dây điện: kích thước $(90 \times 145)\text{ mm}$.
    • Đường mạch điện trên bìa giấy cứng: khổ A4 kích thước $(210 \times 297)\text{ mm}$.
  • Quy cách in: Ký tự đơn font Times New Roman, cỡ chữ 5, diện tích in dưới $1\text{ cm}^2$ (thậm chí nhỏ đến $0{,}5\text{ cm}^2$), tốc độ đánh chữ thiết kế từ $10 - 20\text{ mm/s}$, thời gian vận hành định mức 8 giờ/ngày.
  • Phạm vi thời gian và địa điểm: Thực hiện trong 8 tháng tại xưởng thực hành và phòng thí nghiệm Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nguyên lý kỹ thuật cơ điện tử kết hợp phương pháp tính toán thiết kế truyền động cơ khí và điều khiển số:

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật

  • Nguyên lý điều khiển số máy CNC: Sử dụng hệ thống mã lệnh G-code theo tiêu chuẩn EIA-274-D để điều khiển chuyển động tịnh tiến của đầu công tác theo hệ tọa độ không gian 3 chiều.
  • Động học truyền động CoreXY: Ứng dụng mô hình truyền động hai động cơ cố định kết hợp hệ thống đai răng khép kín điều khiển mặt phẳng XY, giúp giảm quán tính chuyển động và tăng tốc độ làm việc.
  • Lý thuyết tính toán truyền động cơ khí: Áp dụng công thức tính toán bộ truyền trục vít - đai ốc ren hình thang (điều kiện bền tiếp xúc, góc tự hãm, ứng suất tương đương) và bộ truyền đai răng (tính lực kéo, mô-men xoắn, công suất yêu cầu trên trục động cơ).

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp và so sánh kỹ thuật: Đánh giá ưu nhược điểm của các dạng kết cấu động học (Cartesian-XZ, Delta, Cartesian-XY CoreXY), các loại động cơ truyền động (động cơ bước, động cơ một chiều DC, động cơ servo) và các bộ điều khiển (PLC, vi điều khiển, board Mach3) để lựa chọn giải pháp tối ưu.
  • Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán kiểm nghiệm độ bền bộ truyền vít me trục Z; tính toán xác định tải trọng, lực cản ma sát, mô-men và công suất định mức cho động cơ các trục X, Y.
  • Phương pháp thực nghiệm và tích hợp hệ thống: Gia công khung vỏ từ nhôm định hình bằng máy cưa và máy phay CNC; lắp ráp linh kiện cơ điện tiêu chuẩn; kết nối board mạch giao tiếp máy tính và thiết lập phần mềm điều khiển Mach3.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy đánh nhãn tự động được thiết kế dưới dạng máy mini CNC 3 trục chuyên dụng với cấu trúc module hóa:

[Bản vẽ CAD / Text] 
                      [Phần mềm Mach3 (PC)]
                         [Board giao tiếp Mach3]
[Driver Step trục X]        [Driver Step trục Y]        [Driver Step trục Z]
  [Động cơ Step X]            [Động cơ Step Y]            [Động cơ Step Z]
  [Cơ cấu CoreXY]             [Cơ cấu CoreXY]             [Vít me - Đai ốc]
  (Bộ truyền đai GT2)         (Bộ truyền đai GT2)         (Trục công tác Z)

Kiến trúc phần cơ khí

  • Khung máy: Chế tạo từ thanh nhôm định hình tiêu chuẩn gồm 2 thanh kích thước $(20 \times 40 \times 500)\text{ mm}$ và 2 thanh $(20 \times 40 \times 460)\text{ mm}$. Các thanh nhôm được cưa với dung sai $2 - 3\text{ mm}$ và phay phẳng hai đầu trên máy phay CNC nhằm đảm bảo độ song song và vuông góc. Hệ khung liên kết bằng ke góc nhôm, bu-lông lục giác và trang bị 4 chân đế cao su giảm chấn.
  • Cơ cấu dẫn hướng và truyền động XY: Sử dụng kết cấu CoreXY với hệ thống đai răng GT2 (bước răng $2\text{ mm}$, bề rộng $5{,}8\text{ mm}$), bánh đai (puly) đường kính $12\text{ mm}$ ($r = 6\text{ mm}$) và con trượt V-slot lăn trực tiếp trên rãnh nhôm định hình nhằm hạn chế ma sát lăn và triệt tiêu rung động. Khi hai động cơ quay cùng chiều, đầu in di chuyển theo trục X; khi hai động cơ quay ngược chiều, đầu in di chuyển theo trục Y.
  • Cơ cấu truyền động trục Z (trục công tác): Sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc ren hình thang một đầu tự do (kiểu lắp Fixed - Free) để tối giản kết cấu. Trục vít làm bằng thép 45 ($d = 8\text{ mm}, d_2 = 7\text{ mm}, d_1 = 6\text{ mm}$, bước ren $p = 2\text{ mm}, z_h = 1$), đai ốc bằng đồng thau ($H = 15\text{ mm}$, số vòng ren $z = 7$). Đầu kẹp công tác có thể thay đổi linh hoạt giữa bút lông dầu, bút bi hoặc đầu khắc laser mini.

Kiến trúc phần điện và điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng board điều khiển Mach3 kết nối với máy vi tính qua cổng giao tiếp chuyên dụng. Phần mềm ArtSoft Mach3 đóng vai trò biên dịch mã G-code, phát xung điều khiển các trục, kiểm soát tốc độ chạy dao ($F$), tốc độ trục chính ($S$) và điều khiển các relay ngoại vi.
  • Động cơ và Driver: Sử dụng 03 động cơ bước lưỡng cực Step 42 mã hiệu 17HS4401S cho 3 trục, vận hành theo phương pháp điều khiển vi bước (Microstep) để đảm bảo độ mịn và độ chính xác cao khi in nét chữ nhỏ.
  • Hệ thống an toàn: Tủ điện được bố trí đèn báo trạng thái, nút nhấn điều khiển vật lý; các công tắc hành trình báo giới hạn được lắp đặt chìm nhằm bảo vệ an toàn cho cơ cấu cơ khí và nâng cao tính thẩm mỹ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tổng quan về nhu cầu thực tiễn của công nghệ in và dán nhãn trong thời kỳ chuyển đổi số và công nghiệp hóa. Tác giả phân tích hiện trạng sản xuất tại Việt Nam: việc dán nhãn chủ yếu thực hiện thủ công hoặc dùng máy cầm tay, máy in mã vạch thông thường, thiếu hệ thống chuyên dụng phục vụ việc đánh dấu linh kiện công nghiệp, tủ điện và bảo trì thiết bị. Chương này cũng phân tích các dòng máy nhập khẩu của Đức (Plotter and Engraver), làm rõ tính cấp thiết của việc phát triển một mẫu máy nội địa có kết cấu nhỏ gọn, giá thành thấp. Đồng thời, tác giả xác định các giới hạn kỹ thuật của đề tài về loại vật liệu in, kích thước vùng làm việc và tốc độ in mục tiêu.

Đối tượng in Kích thước $(X \times Y)$ Loại đầu bút sử dụng
Ký tự trên miếng Terminal Phoenix UTC-TM 8 $(76 \times 118)\text{ mm}$ Bút lông dầu
Đường mạch điện trên bìa cứng A4 $(210 \times 297)\text{ mm}$ Bút lông dầu hoặc bút bi
Ký tự/ký hiệu trên vỏ hộp Box / cầu đấu điện $(90 \times 145)\text{ mm}$ Bút lông dầu

Chương 2: Tổng quan về thiết bị

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về các thành phần cấu thành hệ thống điều khiển số và cơ cấu chấp hành:

  • Máy công cụ CNC: Khái niệm, nguyên lý hoạt động theo hệ mã G-code tiêu chuẩn EIA-274-D, ưu điểm về độ chính xác gia công ($0{,}001\text{ mm}$), khả năng vận hành ổn định và các tiêu chí phân loại máy CNC.
  • Động cơ truyền động: Phân tích cấu tạo, nguyên lý, phân loại và phương pháp điều khiển của 3 nhóm động cơ: Động cơ bước (Wave, Full step, Half step, Microstep), Động cơ một chiều DC (kích từ vĩnh cửu, độc lập, nối tiếp, song song, hỗn hợp) và Động cơ Servo (hệ thống vòng kín có encoder phản hồi).
  • Cơ cấu dẫn hướng tuyến tính: Nghiên cứu đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm và ứng dụng của thanh ray trượt tròn, ray trượt vuông và cụm con trượt V-slot.
  • Hệ thống điều khiển: Lịch sử phát triển và cấu trúc phần cứng/phần mềm của bộ điều khiển logic lập trình (PLC); tổng quan về ngôn ngữ G-code, tập lệnh di chuyển ($G$), lệnh phụ trợ ($M$), cùng chức năng điều khiển của board mạch và phần mềm ArtSoft Mach3.

Chương 3: Phương án thiết kế

Chương 3 xây dựng các tiêu chí kỹ thuật và tiến hành so sánh lựa chọn phương án thiết kế cho từng cụm chức năng:

  • Lựa chọn kết cấu động học: Đánh giá 3 phương án:
    1. Truyền động Cartesian - XZ: Bàn in dịch chuyển trục Y, đầu bút dịch chuyển XZ (kết cấu đơn giản nhưng quán tính bàn máy lớn, dễ rung lắc làm sai lệch mẫu in).
    2. Kết cấu Delta: Sử dụng 3 cánh tay đòn truyền động đai (tốc độ cao, quán tính nhỏ nhưng khổ máy cồng kềnh, khó căn chỉnh bàn in).
    3. Truyền động Cartesian - XY (CoreXY): Bàn in cố định theo trục Z, đầu in chuyển động trong mặt phẳng XY bằng 2 động cơ phối hợp qua dây đai (quán tính nhỏ, tốc độ in cao, hoạt động êm, kết cấu đơn giản). Nhóm tác giả quyết định chọn phương án 3 (Cartesian - XY).
  • Lựa chọn động cơ: Chọn động cơ bước (Step motor) do phù hợp với hệ thống điều khiển số vòng hở, không cần mạch phản hồi phức tạp mà vẫn đảm bảo độ chính xác định vị và tiết kiệm chi phí so với động cơ Servo.
  • Lựa chọn cơ cấu trục Z: So sánh giữa hệ thống khí nén/thủy lực và vít me - đai ốc. Cơ cấu vít me - đai ốc được chọn nhờ chuyển động êm, chính xác, không có độ trễ (delay) khi đảo chiều.
  • Lựa chọn cơ cấu dẫn động và dẫn hướng XY: Chọn bộ truyền đai răng GT2 kết hợp con trượt V-slot trên khung nhôm định hình nhằm tối ưu chi phí, giảm ma sát và dễ dàng bảo trì.
Hạng mục lựa chọn Các phương án so sánh Phương án được chọn Lý do chính
Cơ cấu động học Cartesian-XZ, Delta, Cartesian-XY (CoreXY) Cartesian-XY (CoreXY) Quán tính nhỏ, tốc độ cao, hoạt động êm, độ chính xác tốt
Loại động cơ Động cơ bước, Động cơ DC, Động cơ Servo Động cơ bước (Step 42) Giá thành hợp lý, điều khiển vi bước chính xác, không cần encoder
Cơ cấu trục Z Thủy lực / Khí nén, Vít me - đai ốc Vít me - đai ốc Không có độ trễ khi đảo chiều, chuyển động êm và chính xác
Cơ cấu dẫn hướng Ray trượt tròn, Ray trượt vuông, Con trượt V-slot Con trượt V-slot Ma sát lăn nhỏ, tích hợp trực tiếp trên nhôm định hình, chi phí thấp

Chương 4: Tính toán và thiết kế

Chương 4 tập trung vào việc tính toán giải tích chi tiết các thông số cơ khí và lựa chọn thiết bị điện:

  • Thiết kế khung máy: Sử dụng nhôm định hình kích thước $(20 \times 40)\text{ mm}$ tạo không gian làm việc $(350 \times 350)\text{ mm}$. Gia công phẳng đầu ghép trên máy phay CNC để triệt tiêu sai số lắp ráp.
  • Tính toán cụm trục Z:
    • Khối lượng cụm đầu bút và đồ gá: $m_1 = 300\text{ g} + 10\text{ g} = 310\text{ g} = 0{,}31\text{ kg}$.
    • Khối lượng cụm vít me - đai ốc: $280\text{ g}$. Tốc độ vòng cực đại $N_{\max} = 700\text{ vòng/phút}$, hệ số ma sát bề mặt $\mu = 0{,}1$.
    • Vật liệu chế tạo: Trục vít bằng thép 45, đai ốc bằng đồng thau (áp suất cho phép $[\bar{q}] = 10\text{ MPa}$).
    • Thông số hình học ren: Ren hình thang, bước ren $p = 2\text{ mm}$, đường kính ngoài $d = 8\text{ mm}$, đường kính trung bình $d_2 = 7\text{ mm}$, đường kính trong $d_1 = 6\text{ mm}$, số đầu mối $z_h = 1$.
    • Chiều cao đai ốc: $H = 15\text{ mm}$; số vòng ren làm việc: $z = 7{,}5 \approx 7 \le z_{\max} = 10 - 12$.
    • Kiểm tra điều kiện tự hãm: Góc ma sát $\rho = \text{arctg}\left(\frac{f}{\cos\delta}\right) = \text{arctg}\left(\frac{0{,}4}{\cos 15^\circ}\right) \approx 22{,}5^\circ > \gamma$ (thỏa mãn điều kiện tự hãm).
    • Kiểm nghiệm độ bền: Tính ứng suất tương đương $\sigma_{tđ} \le [\sigma]$, kết luận trục vít đủ bền.
  • Tính toán và chọn động cơ trục Y:
    • Tải trọng trục Y (khối lượng cụm trục Z): $m_y = 1{,}5\text{ kg} \rightarrow P_y = 15\text{ N}$.
    • Vận tốc di chuyển yêu cầu: $v_y = 0{,}015\text{ m/s}$. Bán kính puly: $r = 6\text{ mm}$.
    • Lực ép đầu bút khi viết: $3\text{ N}$; hệ số ma sát: $0{,}08 \rightarrow F_{ms} = 0{,}08 \times 3 = 0{,}24\text{ N}$.
    • Tổng lực kéo: $F_y = P_y + F_{ms} = 15 + 0{,}24 = 15{,}24\text{ N}$.
    • Mô-men xoắn yêu cầu: $M_y = F_y \times r = 15{,}24 \times 0{,}006 = 0{,}09144\text{ Nm}$.
    • Công suất làm việc: $P_{lvy} = F_y \times v_y = 15{,}24 \times 0{,}015 = 0{,}2286\text{ W}$.
    • Công suất động cơ (với hiệu suất bộ truyền đai $\eta_đ = 0{,}96$): $P_{cty} = \frac{0{,}2286}{0{,}96} = 0{,}238\text{ W}$.
    • Chọn động cơ: Step 42 mã 17HS4401S có mô-men xoắn định mức $0{,}43\text{ Nm} > M_y$.
  • Tính toán và chọn động cơ trục X:
    • Tải trọng trục X (khối lượng thanh nhôm trục Y + cụm Z): $m_x = 1{,}5\text{ kg} + 1{,}5\text{ kg} = 3\text{ kg} \rightarrow P_x = 30\text{ N}$.
    • Vận tốc di chuyển yêu cầu: $v_x = 0{,}015\text{ m/s}$. Bán kính puly: $r = 6\text{ mm}$.
    • Tổng lực kéo: $F_x = P_x + F_{ms} = 30 + 0{,}24 = 30{,}24\text{ N}$.
    • Mô-men xoắn yêu cầu: $M_x = F_x \times r = 30{,}24 \times 0{,}006 = 0{,}18144\text{ Nm}$.
    • Công suất làm việc: $P_{lvx} = F_x \times v_x = 30{,}24 \times 0{,}015 = 0{,}4536\text{ W}$.
    • Công suất động cơ: $P_{ctx} = \frac{0{,}4536}{0{,}96} = 0{,}4725\text{ W}$.
    • Chọn động cơ: Step 42 mã 17HS4401S (mô-men xoắn $0{,}43\text{ Nm} > M_x$).
Thông số động cơ Giá trị kỹ thuật (Động cơ Step 42 - 17HS4401S)
Chiều quay (Direction) CW / CCW (Thuận / Nghịch)
Điện áp định mức $2{,}6\text{ VDC}$
Mô-men xoắn cực đại $0{,}43\text{ Nm}$
Góc bước $1{,}8^\circ$
Kích thước thân $42 \times 42 \times 40\text{ mm}$
Khối lượng $0{,}28\text{ kg}$

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Thiết kế cơ khí hoàn chỉnh: Xây dựng hệ thống cơ khí dạng CoreXY trên hệ khung nhôm định hình kích thước $(20 \times 40)\text{ mm}$, tạo không gian làm việc thực tế $(350 \times 350)\text{ mm}$. Cơ cấu trục Z dạng vít me - đai ốc với kiểu lắp Fixed - Free hoạt động êm ái, đảm bảo độ tự hãm và thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc.
  2. Tính toán động lực học chính xác: Xác định chính xác mô-men xoắn cản trên các trục ($M_x = 0{,}18144\text{ Nm}$, $M_y = 0{,}09144\text{ Nm}$) và lựa chọn thành công động cơ bước Step 42 (17HS4401S, mô-men $0{,}43\text{ Nm}$) mang lại hệ số dự phòng an toàn cao ($> 2{,}3$ lần).
  3. Tích hợp hệ thống điều khiển số: Thiết lập thành công chu trình điều khiển khép kín từ bản vẽ thiết kế ký tự đơn (font Times New Roman cỡ 5) sang mã G-code và điều khiển chấp hành thông qua board giao tiếp và phần mềm Mach3. Máy đáp ứng tốt tốc độ in thiết kế từ $10 - 20\text{ mm/s}$ trên các vật thể diện tích dưới $1\text{ cm}^2$.

Đóng góp của đề tài

  • Giải pháp nội địa hóa chi phí thấp: Chế tạo thành công thiết bị đánh nhãn chuyên dụng sử dụng các linh kiện tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí so với việc nhập khẩu các thiết bị chuyên dụng đắt đỏ từ nước ngoài.
  • Tính linh hoạt trong ứng dụng: Cụm đầu công tác trục Z có thể dễ dàng hoán đổi công năng (từ đầu bút lông dầu, bút bi sang đầu khắc laser mini), mở rộng phạm vi ứng dụng trong đánh dấu linh kiện công nghiệp, in thử nghiệm mạch in A4 và phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu tại nhà trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Đặc tính động học của cơ cấu CoreXY: Việc phối hợp chuyển động đồng thời của 2 động cơ qua hệ thống đai răng dài tiềm ẩn nguy cơ xuất hiện sai số tích lũy hoặc nhiễu cấp xung khi hệ thống vận hành liên tục ở tốc độ cao.
  • Hệ thống điều khiển vòng hở: Sử dụng động cơ bước không có encoder phản hồi vị trí, nếu xảy ra hiện tượng mất bước do quá tải cơ học thì hệ thống không thể tự bù sai lệch mà phải thiết lập lại gốc tọa độ ban đầu.
  • Sự phụ thuộc vào máy tính: Việc điều khiển phụ thuộc vào máy tính chạy phần mềm Mach3, chưa tích hợp bộ điều khiển độc lập (offline controller hoặc màn hình cảm ứng chuyên dụng gắn kèm).

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu tích hợp đầu khắc laser công suất nhỏ hoặc các loại đầu in phun công nghiệp để tăng độ bền nét in trên các vật liệu kim loại, nhựa bóng.
  • Bổ sung cảm biến hồi tiếp vòng kín (encoder) hoặc cảm biến lực tiếp xúc cho đầu bút để nâng cao độ đồng đều của nét in trên các bề mặt gồ ghề.
  • Phát triển phần mềm chuyên dụng tạo mã G-code tự động từ danh sách mã thiết bị, tối ưu hóa giao diện người dùng để rút ngắn thời gian chuẩn bị dữ liệu in.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ Điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Robot tham khảo phương pháp tính toán động học CoreXY, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc và quy trình tích hợp máy CNC mini.
  • Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy: Tham khảo quy trình tính toán lựa chọn công suất động cơ bước, thiết kế kết cấu khung nhôm định hình kết hợp con trượt V-slot, và phương thức ghép nối board Mach3 với driver điều khiển động cơ.
  • Phần nội dung đáng tham khảo nhất:
    • Phương pháp so sánh lựa chọn phương án động học tại Chương 3.
    • Các bước tính toán kiểm nghiệm bền trục vít và cân bằng công suất, mô-men xoắn cho hệ truyền động đai răng CoreXY tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn kết cấu truyền động CoreXY thay vì Cartesian-XZ truyền thống?

Kết cấu Cartesian-XZ truyền thống yêu cầu bàn in phải dịch chuyển theo trục Y, khiến khối lượng di động lớn, quán tính cao, dễ gây rung lắc làm xô lệch các chi tiết in nhỏ. Trong khi đó, kết cấu CoreXY đặt cố định cả hai động cơ trên khung máy, chỉ có cụm đầu in nhỏ nhẹ di chuyển trong mặt phẳng XY. Nhờ đó, quán tính chuyển động giảm đáng kể, máy hoạt động êm ái hơn, hạn chế rung động và cho phép đạt tốc độ in cao hơn ($10 - 20\text{ mm/s}$).

2. Thông số hình học và vật liệu chế tạo của bộ truyền vít me trục Z được tính toán như thế nào?

Trục vít được chế tạo từ thép 45 với đường kính ngoài $d = 8\text{ mm}$, đường kính trung bình $d_2 = 7\text{ mm}$, đường kính trong $d_1 = 6\text{ mm}$, bước ren $p = 2\text{ mm}$, ren hình thang một đầu mối ($z_h = 1$). Đai ốc được làm bằng đồng thau với chiều cao $H = 15\text{ mm}$, tương ứng số vòng ren làm việc $z = 7{,}5 \approx 7$ vòng (thỏa mãn điều kiện $z \le 10 - 12$). Góc ma sát tính toán đạt $\rho \approx 22{,}5^\circ$, đảm bảo điều kiện tự hãm của bộ truyền.

3. Phương pháp điều khiển động cơ bước nào được lựa chọn và vì sao?

Nhóm tác giả lựa chọn phương pháp điều khiển vi bước (Microstep). Phương pháp này cấp xung dạng sóng cho phép động cơ định vị tại các vị trí phân đoạn giữa hai bước đủ, giúp giảm góc bước thực tế, tăng độ mịn và độ chính xác định vị. Đồng thời, điều khiển vi bước giúp động cơ hoạt động êm hơn, hạn chế hiện tượng cộng hưởng cơ học và rung lắc khi in các ký tự có kích thước rất nhỏ (cỡ chữ 5 trên diện tích $< 1\text{ cm}^2$).

4. Kết quả tính toán mô-men xoắn yêu cầu cho trục X và trục Y là bao nhiêu và loại động cơ nào được chọn?

Theo tính toán tại Chương 4:

  • Trục Y mang tải cụm Z ($1{,}5\text{ kg}$) với lực cản tổng cộng $F_y = 15{,}24\text{ N}$, mô-men xoắn yêu cầu tối thiểu $M_y = 0{,}09144\text{ Nm}$ (công suất $0{,}238\text{ W}$).
  • Trục X mang tải cụm Z và thanh nhôm trục Y ($3{,}0\text{ kg}$) với lực cản tổng cộng $F_x = 30{,}24\text{ N}$, mô-men xoắn yêu cầu tối thiểu $M_x = 0{,}18144\text{ Nm}$ (công suất $0{,}4725\text{ W}$). Nhóm tác giả đã lựa chọn động cơ bước Step 42 mã 17HS4401S (mô-men xoắn định mức $0{,}43\text{ Nm}$, điện áp $2{,}6\text{ VDC}$, góc bước $1{,}8^\circ$), đáp ứng vượt mức yêu cầu tải trọng thực tế.

5. Máy có khả năng in trên những đối tượng vật liệu và kích thước cụ thể nào?

Máy được thiết kế để in các ký tự/ký hiệu kỹ thuật bằng bút lông dầu hoặc bút bi trên 3 nhóm đối tượng chính:

  1. Thanh Domino / Terminal (miếng Phoenix UTC-TM 8 và tương đương): kích thước $(76 \times 118)\text{ mm}$.
  2. Đường mạch điện trên bìa giấy cứng khổ A4: kích thước $(210 \times 297)\text{ mm}$.
  3. Ký tự lên vỏ hộp Box kỹ thuật hoặc cầu đấu điện: kích thước $(90 \times 145)\text{ mm}$. Các ký tự in đạt kích thước chuẩn font Times New Roman cỡ 5, thực hiện trên diện tích nhỏ dưới $1\text{ cm}^2$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy đánh nhãn tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiết kế hệ thống máy mini CNC chuyên dụng phục vụ việc đánh dấu linh kiện công nghiệp. Bằng việc kết hợp cơ cấu động học CoreXY tối ưu quán tính, bộ truyền vít me - đai ốc trục Z tự hãm chính xác và hệ điều khiển số trên nền tảng phần mềm Mach3, công trình đã chứng minh tính khả thi cao qua các bước tính toán giải tích rõ ràng. Kết quả nghiên cứu không chỉ mang lại một giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn và kinh tế cao thay thế máy nhập khẩu, mà còn đóng vai trò là tài liệu tham khảo giá trị cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ Điện tử trong lĩnh vực thiết kế máy tự động hóa.