Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và chế tạo máy phay CNC ba chiều gia công đồ gỗ mỹ nghệ

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn: Máy phay CNC 3D gia công đồ gỗ mỹ nghệ, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng cao trong chuyên ngành

• Tác giả: Phạm Biên Thùy
• Người hướng dẫn: Vũ T.
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Máy Phay Ba Chiều CNC Gia Công Đồ Gỗ Mỹ Nghệ
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học

Tóm tắt

I. Tổng quan về máy phay CNC 3D gia công đồ gỗ mỹ nghệ

Máy phay CNC 3D là thiết bị hiện đại trong lĩnh vực gia công gỗ mỹ nghệ, kết hợp công nghệ điều khiển số với khả năng gia công ba chiều chính xác. Máy này giúp tạo ra các sản phẩm gỗ mỹ nghệ phức tạp với độ chính xác cao và hiệu suất cao. Gia công CNC gỗ đã trở thành giải pháp tối ưu cho các xưởng sản xuất thủ công mỹ nghệ, cho phép tự động hóa quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống này bao gồm các bộ phận cơ khí chính như trục X, Y, Z và hệ thống điều khiển bằng vi điều khiển AVR Atmega 16, đảm bảo chuyển động chính xác theo các trục tọa độ.

1.1. Lịch sử phát triển máy CNC

Lịch sử CNC bắt đầu từ những năm 1950 khi công nghệ điều khiển số được ứng dụng vào máy công cụ. Từ đó đến nay, máy phay CNC đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ hai chiều đến ba chiều, với độ chính xác ngày càng cao. Ứng dụng CNC trong gia công gỗ là một bước tiến lớn trong ngành công nghiệp mỹ nghệ, cho phép sản xuất các mẫu phức tạp mà phương pháp thủ công không thể thực hiện được.

1.2. Cấu trúc và hệ trục tọa độ

Cấu trúc máy CNC bao gồm bàn máy, hệ thống truyền động, và khung cứng. Hệ trục tọa độ gồm trục X, Y, Z theo quy tắc bàn tay phải, cho phép gia công theo ba chiều không gian. Mỗi trục CNC được điều khiển bởi động cơ bước kết nối với vít me và đạo, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.

II. Tính toán thiết kế và chế độ gia công

Quá trình thiết kế máy phay CNC 3D đòi hỏi tính toán chi tiết về chế độ cắt, lực cắt và công suất cần thiết. Chế độ gia công gỗ bao gồm gia công thô và gia công tỉnh, mỗi chế độ có các thông số khác nhau về tốc độ cắt, độ sâu cắt và tốc độ tiến công. Tính toán lực cắt cho các trục X, Y, Z là bước quan trọng để chọn đúng động cơ bước và vít me. Công suất động cơ phải đủ để thực hiện gia công mà không bị quá tải, đảm bảo tuổi thọ của máy.

2.1. Chế độ gia công thô và tỉnh

Gia công thô là giai đoạn loại bỏ lượng gỗ lớn, sử dụng tốc độ cắt thấp và độ sâu cắt lớn. Gia công tỉnh được thực hiện sau cùng với tốc độ cao và độ sâu cắt nhỏ để đạt bề mặt chất lượng cao. Tính toán tốc độ cắt phụ thuộc vào loại gỗ, dao cụ và yêu cầu chất lượng sản phẩm.

2.2. Tính toán trục vít me

Trục vít me là cơ cấu chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Tính toán vít me bao gồm xác định đường kính, bước và độ cứng để chịu được lực cắt tác dụng. Kiểm nghiệm vít me thông qua tính ứng suất đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu.

III. Hệ thống điều khiển máy phay CNC

Hệ thống điều khiển CNC sử dụng vi điều khiển AVR Atmega 16 để điều khiển chuyển động của các trục và dao cụ. Mạch điều khiển bao gồm mạch cổng vào/ra, mạch công suất sử dụng chip TB6560 để điều khiển động cơ bước. Ghép nối máy tính với hệ thống có thể thực hiện qua Serial Card hoặc ghép nối song song, cho phép truyền lệnh điều khiển từ chương trình máy tính. Thiết lập gốc máy là bước cần thiết để đồng bộ hóa vị trí vật lý và vị trí trong chương trình điều khiển.

3.1. Vi điều khiển AVR Atmega 16

AVR Atmega 16 là vi điều khiển 8-bit mạnh mẽ với khả năng xử lý tốc độ cao. Cấu trúc vi điều khiển bao gồm các cổng I/O, bộ đếm, và mạch ngoại vi cho phép điều khiển các thiết bị ngoại vi. Mạch điều khiển AVR được lập trình để tạo các xung điều khiển động cơ bước theo lệnh từ chương trình.

3.2. Mạch công suất và kết nối

Mạch công suất TB6560 là bộ điều khiển động cơ bước chuyên dụng, nhận tín hiệu logic từ vi điều khiển và phát xung công suất cho động cơ. Kết nối mạch điều khiển với mạch công suất thông qua các cổng cắm chuẩn. Ghép nối máy tính sử dụng cổng Com hoặc USB để truyền dữ liệu lệnh gia công.

IV. Lập trình và mô phỏng hệ thống

Lập trình hệ thống điều khiển bao gồm hai phần chính: phần mềm chạy trên vi điều khiển và phần mềm chạy trên máy tính. Phần mềm AVR được viết bằng ngôn ngữ C hoặc Assembly, biên dịch thành mã máy và nạp vào vi điều khiển. Chương trình điều khiển thực hiện các nhiệm vụ như đọc lệnh, tính toán xung, và điều khiển động cơ theo các trục. Chương trình mô phóng CNC trên máy tính cho phép kiểm tra tính đúng đắn của lệnh trước khi thực hiện gia công trên máy thực tế.

4.1. Lập trình phần mềm AVR

Phần mềm AVR được lập trình để xử lý các sự kiện từ cảm biến và tạo các xung điều khiển động cơ. Biên dịch mã được thực hiện bằng các công cụ như AVR Studio hoặc WinAVR. Thuật toán bao gồm việc đọc tọa độ mục tiêu, tính toán số xung cần thiết cho mỗi trục, và điều khiển chuyển động tuần tự.

4.2. Chương trình mô phỏng máy phay CNC

Chương trình mô phóng cho phép hiển thị hoạt động của máy phay CNC 3D trên màn hình máy tính trước khi thực hiện gia công. Mô phỏng CNC kiểm tra xem lệnh có đúng, liệu máy có chạy va chạm, và quỹ đạo cắt có chính xác. Phân tích chương trình NC giúp tối ưu hóa thời gian gia công và đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. TONG QUAN VE MAY CNC. Lịch sử phát trien may CNC. Cầu trúc Máy ƠNC.

Trục tọa độ mảy CNC. Câu trúc máy CNC 18 1. Lựa chọn phương án thiết kế. Khảo sát máy CNC gia công đồ thủ công mỹ nghệ.

Lựa chọn phương án thiết kế. TINH TOAN THIET KE CO KHi 2. Tính toán chế độ cắt. Chế đô gia công thỏ.

Chế độ gia công tĩnh. Tỉnh toán lực cắt khi gia công thô. Tỉnh lực và công suất các trục X, Y, Z io 2. Tính toán, lựa chọn trục vít me.

Tỉnh toán trục vit me 35 2. Kiểm nghiệm vít me. 39 TI Luận văn thạo sf khoa học ^. Tĩnh toán ứng suất trén true vit.4, Tỉnh toản trục dẫn hướng.

Thiết kế và chế tạo máy ƠNG,. HE THONG ĐIÊU KHIỂN MÁY ƠNG. Vi didu khidn AVR Atmega 16. Cấu tric ciia vi didu khién AVR Atrmega 16.2, Mạch điều khiển sử dụng AVR Atmega l6.

Mạch cổng, suất. Kết nổi mach céng suất với mạch diễu khiển vả dộng cơ bước. Ghép ni máy tính. Ghép nói bằng Slel- Card.

Ghép nối song song 65 3. So sánh và lụa chọn cách ghép nỗi - 68 3. Thiết lập gốc máy. Lập trình hệ thống điều khiến may CNC.

Phân mêm lập winh va bién dich chip AVR n 3. Chương trình điều khiến. CHUGNG TRINH MO PHONG VÀ PIFU KHTEN MAY CNC. Phan tich chuong trinh NC.

Câu trúc chương trình NC 81 II Luận văn thạo sf khoa học DANH MỤC HÌNH VẼ Tĩnh 11. Lịch sử phát triển của CNC. Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bản tay phải. Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC.

Hệ toạ độ trên máy CNC. llệ toạ độ của máy CNC. Điểm gốc M của máy Hình 1. Điểm gốc của chỉ tiết (W).

Điểm gốc O của chương trình. Hệ thong diễu khiển trục chỉnh trên may phay CNC. Máy phay CNC Tình 1. Vít me — đại ốc bị.

Hệ thống chay dao trên máy CNC Tình 1. Một số hình ảnh sân phẩm gia công trên máy phay ƠNC khắc gỗ Tình 1. Hình ảnh máy phay ƠNC khắc gỗ JD — 2018 SV. Cụm truyền động của trục Y, ú bánh rắng- đưanh răng, Hình 1.

Cụm trưyền động trục Z, kết câu vít me — dai ốc bi. Kết cần ray dẫn hướng trên may phay CNC JD - 2018 SV Hinh 1. So dé déng hoc may phay CNC diéukhac gd Tình 3. Dao phay dùng trên máy phay gỗ XC ba chiều.

Sơ đê tĩnh lực cắt khi phay. Khớp nổi mềm động eơ. Sơ đê đặt lực lên đai &c Luận văn thạo sf khoa học Kiểu truyền đữ liệu nói tiếp của vi điều khiển Cực nguồn ~SV Chân vị điều khiển kết nối với đao động thạch anh: Gia tốc của bản máy Đường kinh chân ren của trục vít me bí 118 sé ma sat “Thời gian làm việc của máy My, My, My, Khi lượng phôi gia công, Ad, Khối lượng cụm truyền động, theo các trục X, Y, Z M6 men xoan trên trục Hiệu suất động, cơ Tốc độ quay Irục chính ông suất cân tết Công suất động cơ Thánh phần lực hướng kính của đạo phay v Thánh phần lực của đao pháy Tốc độ cắt Luận văn thạo sf khoa học 4. Dịnh địa chỉ và cơ cấu từ.

Cơ cầu câu lệnh. Thuật toán và chương, trinh biên dịch mã Hee seein OD 4. Thuat toan n6i Say occ cence teins i e rues 4. Chuong trinh bién dich m& Go.

eee settee snerseereas anes BO 4. Chương trinh mô phóng và điều khiển máy CNC. Chuong trinh điều khiến máy ƠNG. Chương trình mỏ phỏng hoạt dộng xmáy phay CNC 3 chiều.23 KET LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO. cà ieeeriee Xeeeesecoreoe, TÔ PHỤ LỤC. IV Luận văn thạo sf khoa học Tỉnh 2. Sơ đồ lực tác dụng trên trục vít me Y 44 Tinh 2.

Sơ đề lực tác dựng lên gối ổ trục Y. Sơ đồ lực tác dụng lên trục X.ex AB Hình 2. Mô hinh thiết kế máy CNC ba chiều bằng phân mềm Solidwork.9, Cụm trục X của máy phay CNC ba chiễu. Cụm trục Z2 của máy phay CNC ba chiễu.

Bản máy phay CNC ba hiểu,. Máy phay CNC ba chiếu dã được chế tạo. Sơ để ghép nếi hệ thống diễểu khiển. Chip AVR Atmega l6.

Cach néi chin Vref Hình 3. Khối nguồn Tình 3. Sơ đồ mạch điểu khiển sử dụng chíp AVR Atmega 16. Mạch điều khiển sử dụng Atmega 16 Tình 3.

Cổng và chân cắm kết nỗi mạch điều khiển và mạch công quất Tình 3. Sơ đỗ kết nối mạch công suất Hình 3. Sơ đỏ mạch công suất sứ dụng chỉp TB6560. Sơ để kết nổi modnla TB6560 với mạch điền khiế Hinh 3.

So để đây điều khiển động cơ bước Tình 3. Mạch công suất sử dụng chip TB6560. Iai loai phích cắm cổng Com Hình 3. Cầu tạo và sơ đồ nải tín hiện điều khiển của công the hành trinh Hình 3.

Vị trí gốc máy CNG ba chiếu Luận văn thạo sf khoa học 4. Dịnh địa chỉ và cơ cấu từ. Cơ cầu câu lệnh. Thuật toán và chương, trinh biên dịch mã Hee seein OD 4.

Thuat toan n6i Say occ cence teins i e rues 4. Chuong trinh bién dich m& Go. eee settee snerseereas anes BO 4. Chương trinh mô phóng và điều khiển máy CNC.

Chuong trinh điều khiến máy ƠNG. Chương trình mỏ phỏng hoạt dộng xmáy phay CNC 3 chiều.23 KET LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. TÀI LIỆU THAM KHẢO. cà ieeeriee Xeeeesecoreoe, TÔ PHỤ LỤC.

IV Luận văn thạo sf khoa học 4. Dịnh địa chỉ và cơ cấu từ. Cơ cầu câu lệnh. Thuật toán và chương, trinh biên dịch mã Hee seein OD 4.

Thuat toan n6i Say occ cence teins i e rues 4. Chuong trinh bién dich m& Go. eee settee snerseereas anes BO 4. Chương trinh mô phóng và điều khiển máy CNC.

Chuong trinh điều khiến máy ƠNG. Chương trình mỏ phỏng hoạt dộng xmáy phay CNC 3 chiều.23 KET LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ. TÀI LIỆU THAM KHẢO. cà ieeeriee Xeeeesecoreoe, TÔ PHỤ LỤC.

IV Luận văn thạo sf khoa học DANH MỤC KỶ HIỆU VẢ CHỮ VIET TAT ý hiệu, chữ viếttất Ý nghĩa ADC Analog Digital ChangeNumerical control NC Numerical Control CAM Computer aided manufacturing cnc Computer numerical control cM Center Manufacturing CAPP Computer aided production planning CAD Computer Aided design CAQ Computer aided quality IMS Flexible manufacturing factory GND Cực nói đất MUM Method woman manufacturing IR Industrial Robot. 1C Integrated Circuit, vi mach hay mạch tich hợp Re ‘Two-Wire-Serial , truyén dữ liệu song song của vi điều PORT khiển r Cổng tín hiệu vào ra của ví điều khiển EPROM Serial Peripheral Interface, giao tiép ndi tiếp SRAM Bộ nhớ lưu trữ rong ROM, có thể lập trình được TwM 13ộ nhở truy cập ngầu nhiên tĩnh. UART Pulsc Width Modulation, diễu chế biên độ rộng xưng Luận văn thạo sf khoa học DANH MỤC HÌNH VẼ Tĩnh 11. Lịch sử phát triển của CNC.

Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bản tay phải. Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC. Hệ toạ độ trên máy CNC. llệ toạ độ của máy CNC.

Điểm gốc M của máy Hình 1. Điểm gốc của chỉ tiết (W). Điểm gốc O của chương trình. Hệ thong diễu khiển trục chỉnh trên may phay CNC.

Máy phay CNC Tình 1. Vít me — đại ốc bị. Hệ thống chay dao trên máy CNC Tình 1. Một số hình ảnh sân phẩm gia công trên máy phay ƠNC khắc gỗ Tình 1.

Hình ảnh máy phay ƠNC khắc gỗ JD — 2018 SV. Cụm truyền động của trục Y, ú bánh rắng- đưanh răng, Hình 1. Cụm trưyền động trục Z, kết câu vít me — dai ốc bi. Kết cần ray dẫn hướng trên may phay CNC JD - 2018 SV Hinh 1.

So dé déng hoc may phay CNC diéukhac gd Tình 3. Dao phay dùng trên máy phay gỗ XC ba chiều. Sơ đê tĩnh lực cắt khi phay. Khớp nổi mềm động eơ.

Sơ đê đặt lực lên đai &c Luận văn thạo sf khoa học Kiểu truyền đữ liệu nói tiếp của vi điều khiển Cực nguồn ~SV Chân vị điều khiển kết nối với đao động thạch anh: Gia tốc của bản máy Đường kinh chân ren của trục vít me bí 118 sé ma sat “Thời gian làm việc của máy My, My, My, Khi lượng phôi gia công, Ad, Khối lượng cụm truyền động, theo các trục X, Y, Z M6 men xoan trên trục Hiệu suất động, cơ Tốc độ quay Irục chính ông suất cân tết Công suất động cơ Thánh phần lực hướng kính của đạo phay v Thánh phần lực của đao pháy Tốc độ cắt Luận văn thạo sf khoa học DANH MỤC HÌNH VẼ Tĩnh 11. Lịch sử phát triển của CNC. Hệ trục toạ độ của máy CNC và quy tắc bản tay phải. Điều khiển trục trên máy tiện và máy phay CNC.

Hệ toạ độ trên máy CNC. llệ toạ độ của máy CNC. Điểm gốc M của máy Hình 1. Điểm gốc của chỉ tiết (W).

Điểm gốc O của chương trình. Hệ thong diễu khiển trục chỉnh trên may phay CNC. Máy phay CNC Tình 1. Vít me — đại ốc bị.

Hệ thống chay dao trên máy CNC Tình 1. Một số hình ảnh sân phẩm gia công trên máy phay ƠNC khắc gỗ Tình 1. Hình ảnh máy phay ƠNC khắc gỗ JD — 2018 SV. Cụm truyền động của trục Y, ú bánh rắng- đưanh răng, Hình 1.

Cụm trưyền động trục Z, kết câu vít me — dai ốc bi. Kết cần ray dẫn hướng trên may phay CNC JD - 2018 SV Hinh 1. So dé déng hoc may phay CNC diéukhac gd Tình 3. Dao phay dùng trên máy phay gỗ XC ba chiều.

Sơ đê tĩnh lực cắt khi phay. Khớp nổi mềm động eơ. Sơ đê đặt lực lên đai &c Luận văn thạo sf khoa học THỉnh 3. Giao diện của phần mềm codevisiơn.

Tao project mới trên codevision.Các thể trong giao diện. neo khi ED Hình 3. Thế thiết lập thông số về loại chịp tân số hoạt động. sects DD Hinh 3.

Cai dt cac PORT va Tamer ieee Karereereriorooe T5 linh 3. Thiết lập USART. TH Hee mdrrrrrrrirrrrdrrrrrreerrrrrrrrro PAD Hình 3. Chế độ xem trước.

nen eieiiairaraessooo74 Hình 3. Sơ dẻ hoạt động của ngắt tràn. co sec —- Hình 3. Lưu đẻ thuật toán chương trình điều khiển,.

Đổ thị mô tả nội suy (a} dường thẳng và (b) cung tròn trên quỹ dạo chuyển động của đụng cụ cắt. Lưu đồ tổng quát quả trình nội suy và điều khiển. Luu 46 thuat toan bién dich m8 Go.ecsescsessseesinsseesciestineensete BB Hinb 4.4, Luu dé thuat todn chong trinketenone —- Hình 4. Tạo mẫu gia công trên phản mềm JDpaint.

Két quả tạo file gia công từ file ánh. Lựa chọn chế độ gia công trong phần mềm JIDpaint. Xuất file mã Œ trong, phần mến Jl2pait. Giao diện điều khiển và mô phòng máy phay gia công gỗ 3 chiếu.

Thanh menu diều khiển máy phay ba chiểu. Menu thiết lập thống sẽ hình học của phôi. Giao điện lựa chọn dựng cụ gia công, - 95 Tình 4.