Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Tranh và sản phẩm điêu khắc gỗ mỹ nghệ truyền thống tại Việt Nam có nhu cầu tiêu thụ cao trên thị trường nội địa lẫn xuất khẩu du lịch. Tuy nhiên, phương pháp đục chạm thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế lớn trong sản xuất hiện đại:

  • Quá trình gia công đòi hỏi người thợ phải có tay nghề cao, trải qua nhiều công đoạn phức tạp, tốn kém thời gian và chi phí nhân công.
  • Năng suất lao động thấp, khó đảm bảo độ đồng đều và độ chính xác lặp lại khi sản xuất hàng loạt, đặc biệt đối với các chi tiết bề mặt 3D phức tạp.
  • Điều kiện làm việc thủ công phát sinh nhiều bụi gỗ và mùn cưa, gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe đường hô hấp và an toàn lao động của người thợ.

Nhằm giải quyết các vấn đề trên, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục điêu khắc gỗ" được thực hiện với các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Về cơ khí: Thiết kế và thi công hệ thống bàn máy đạt độ chính xác $1/100\text{ mm}$ ($0{,}01\text{ mm}$); thiết kế kết cấu các trục X, Y, Z đảm bảo độ vuông góc, độ song song và độ cứng vững chịu tải trong quá trình cắt gọt.
  2. Về điện tử: Thiết kế và tích hợp mạch điều khiển công suất cho động cơ servo, mạch điều khiển đóng ngắt tự động (relay) cho trục chính (spindle) và hệ thống an toàn dừng khẩn cấp (E-Stop).
  3. Về phần mềm: Ứng dụng và thiết lập tham số điều khiển trên phần mềm Mach3, sử dụng JDpaint để thiết kế bề mặt điêu khắc 3D và xuất mã G-code qua phần mềm trung gian NCConverter.
  4. Mục tiêu tổng quát: Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy CNC 3 trục vận hành ổn định, không phát sinh lỗi, gia công chính xác trên các vật liệu gỗ và mica với tốc độ cao.
  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy CNC mini 3 trục chuyên dụng cho điêu khắc gỗ và vật liệu phi kim.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài được thực hiện tại Bộ môn Thiết kế máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ ngày 15/02/2016 đến ngày 31/07/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết kỹ thuật cơ khí, động lực học cắt gọt và điều khiển tự động:

  • Lý thuyết quá trình cắt gọt kim loại và vật liệu gỗ: Xác định vận tốc cắt theo công thức $v = \frac{\pi \cdot D \cdot n}{1000}$ (m/ph), tính toán lực cắt tiếp tuyến cực đại $P_z$, công suất cắt danh nghĩa $N_c = \frac{P_z \cdot v}{61200}$ (kW) và công suất động cơ trục chính $N_{dc} = \frac{N_c}{\eta}$ (với hiệu suất $\eta = 0{,}8$).
  • Lý thuyết truyền động cơ khí: Cơ cấu vít me - đai ốc bi với hiệu suất truyền động $90% - 95%$, ma sát lăn, tính toán góc xoắn vít $\beta = \arctan\left(\frac{P}{\pi \cdot d}\right)$ và góc ma sát $\varphi = \arctan(\mu)$ để xác định mô-men xoắn xoay cần thiết trên các trục.
  • Lý thuyết điều khiển số máy công cụ (Computer Numerical Control): Hệ thống điều khiển phát xung Step/Dir vòng kín thông qua động cơ AC Servo có encoder hồi tiếp, giao tiếp qua cổng song song máy in LPT (DB25).

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - so sánh lựa chọn phương án: Đánh giá ưu nhược điểm giữa động cơ bước (Stepping motor), động cơ một chiều (DC motor) và động cơ xoay chiều AC Servo; so sánh 3 cấu hình động học máy (phôi cố định - trục chuyển động, phôi di chuyển trên 1 trục, phôi di chuyển trên 2 trục); so sánh cơ cấu truyền động đai răng, vít me thường và vít me bi.
  • Phương pháp tính toán thiết kế giải tích: Tính toán tải trọng tĩnh và động của các cụm chuyển động ($m_x = 450\text{ N}$, $m_y = 220\text{ N}$, $m_z = 130\text{ N}$), lực ma sát ray trượt và vít me với hệ số ma sát $\mu = 0{,}03$, từ đó xác định lực cản tổng $P_{tx} = 98{,}9\text{ N}$, $P_{ty} = 92\text{ N}$, $P_{tz} = 89{,}3\text{ N}$.
  • Phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA): Sử dụng mô-đun SolidWorks Simulation để kiểm nghiệm bền ứng suất (von Mises) và độ biến dạng chuyển vị trên cụm trục Z, mũi dao cắt và trục Y dưới điều kiện tải trọng thực tế.
  • Phương pháp chế tạo và thử nghiệm thực nghiệm: Gia công CNC các chi tiết gá nhôm tấm, lắp ráp khung nhôm định hình $60 \times 60\text{ mm}$, đấu nối tủ điện điều khiển, lập trình cấu hình chân tín hiệu trên Mach3 và gia công thực tế mẫu khắc gỗ và mica.

Nguồn dữ liệu sử dụng: Sổ tay tính toán thiết kế máy công cụ, bảng tra cứu chế độ cắt gọt phay gỗ, thông số vật liệu hợp kim nhôm, thông số kỹ thuật bộ driver/động cơ Mitsubishi MELSERVO-J và dao khắc hợp kim cacbua vonfram YG10X.

Thiết kế và triển khai hệ thống máy CNC

1. Kiến trúc cơ khí và động lực học

Máy được thiết kế theo cấu hình phôi cố định trên bàn máy, cụm trục X di chuyển trên khung bệ mang theo trục Y và trục Z. Cấu hình này tạo không gian làm việc rộng rãi, kết cấu vững chắc và có khả năng mở rộng lắp đặt thêm trục thứ 4 để phay - tiện kết hợp.

Thông số kỹ thuật Giá trị thiết kế và thực tế
Kích thước bao toàn máy $840 \times 830 \times 845\text{ mm}$
Kích thước bàn máy $660 \times 510\text{ mm}$
Hành trình làm việc hữu ích ($X \times Y \times Z$) $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$
Khung bệ đế máy Nhôm định hình $60 \times 60\text{ mm}$
Bàn gá phôi Vật liệu gỗ bắt trực tiếp lên khung đế máy
Tấm gá trục Y 2 tấm nhôm đối xứng $380 \times 220 \times 15\text{ mm}$ (gia công CNC)
Tấm gá trục Z Nhôm tấm $240 \times 165 \times 6\text{ mm}$ (gia công CNC)
Tấm gá Spindle Nhôm tấm $375 \times 150 \times 6\text{ mm}$ (gia công CNC)
Vít me bi trục X Đường kính $\varnothing 20\text{ mm}$, chiều dài $600\text{ mm}$, bước vít $5\text{ mm}$
Vít me bi trục Y Đường kính $\varnothing 20\text{ mm}$, chiều dài $600\text{ mm}$, bước vít $5\text{ mm}$
Vít me bi trục Z Đường kính $\varnothing 16\text{ mm}$, chiều dài $300\text{ mm}$, bước vít $5\text{ mm}$
Dẫn hướng các trục Thanh trượt tròn kết hợp con trượt bi

2. Thông số trục chính (Spindle) và công cụ cắt

Dựa trên tính toán lực cắt cực đại $P_z = 85{,}4\text{ N}$ ở vận tốc cắt $v = 452{,}4\text{ m/ph}$ ($D = 6\text{ mm}$, $n = 24000\text{ v/ph}$), công suất cắt yêu cầu là $0{,}63\text{ kW}$. Công suất động cơ tính toán cần đạt $N_{dc} = 0{,}78\text{ kW}$. Tác giả đã lựa chọn động cơ Spindle giải nhiệt nước công suất $0{,}8\text{ kW}$ ($800\text{W}$) với các thông số:

Thuộc tính Spindle Giá trị định mức
Công suất định mức $0{,}8\text{ kW}$ ($800\text{W}$)
Tốc độ quay tối đa $24000\text{ vòng/phút}$
Điện áp làm việc $220\text{V}$ (3 pha, cấp qua biến tần)
Dòng điện tiêu thụ $5\text{A}$
Tần số hoạt động $400\text{ Hz}$
Đầu kẹp dao ER11 - A
Vòng bi sử dụng C7002
Độ chính xác quay $0{,}02\text{ mm}$
Phương thức làm mát Nước làm mát tuần hoàn qua bơm
Khối lượng trục chính $3\text{ kg}$

Công cụ cắt sử dụng gồm 4 loại dao bằng hợp kim cứng cacbua vonfram YG10X: dao xoắn 2 me (Two Flutes Spiral Bit) chuyên cắt 2D/phay thô; dao khắc 3D đáy phẳng (V-Shaped Flat Bottom Cutters); dao cầu 2 me (Two Flutes Carbide Cutters) chuyên điêu khắc tinh 3D; dao khắc 3D có mũ (3D V-Shape Wood Engraving Bit) xử lý cạnh và gỗ cứng. Đường kính dao sử dụng là $6\text{ mm}$ và $3\text{ mm}$.

3. Hệ thống điều khiển điện tử và cấu hình phần mềm

Hệ thống điều khiển gồm máy tính cài phần mềm Mach3, truyền thông qua cổng LPT DB25 tới bo mạch đệm (BOB Mach3). BOB phân phối xung Step/Dir tới 3 bộ Driver AC Servo Mitsubishi MELSERVO-J 20A ($3000\text{ rpm}$, encoder $8192\text{ ppr}$, mô-men xoắn $0{,}64\text{ N}\cdot\text{m}$) để điều khiển chuyển động 3 trục XYZ, đồng thời xuất tín hiệu Analog tới biến tần điều khiển tốc độ Spindle và kích hoạt relay đóng ngắt Spindle.

Tín hiệu điều khiển Cổng (Port) Chân xung (Step Pin) Chân hướng (Dir Pin) Cấu hình tín hiệu
Trục X Port 1 Pin 2 Pin 3 Enabled (kích hoạt), Dir/Step Active
Trục Y Port 1 Pin 4 Pin 5 Enabled (kích hoạt), Dir/Step Active
Trục Z Port 1 Pin 6 Pin 7 Enabled (kích hoạt), Dir/Step Active
Tín hiệu dừng khẩn E-Stop Port 1 Pin 10 - Công tắc thường mở, ngắt khẩn cấp
Giới hạn hành trình X, Y, Z Port 1 Pin 11, 12, 13 - Tín hiệu Limit Switch các trục
Điều khiển Relay Spindle Port 1 Pin 17 - Tín hiệu Output #2 đóng/ngắt spindle

Quy trình gia công khép kín: Thiết kế bề mặt sản phẩm hoặc nhập hình ảnh mẫu vào JDpaint $\rightarrow$ Lập đường chạy dao rà mặt và chạy biên dạng $\rightarrow$ Xuất file định dạng .ENG $\rightarrow$ Sử dụng phần mềm NCConverter chuyển sang tệp mã lệnh NC (G-code) $\rightarrow$ Nạp file G-code vào Mach3, thiết lập gốc tọa độ phôi và tiến hành gia công tự động.

Nội dung chính theo từng chương

PHẦN I: MỞ ĐẦU

Trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn của ngành sản xuất tranh khắc gỗ mỹ nghệ tại Việt Nam. Phân tích các nhược điểm của phương pháp thủ công về năng suất, thời gian, chi phí và độc hại môi trường do mùn cưa. Xác định mục tiêu chế tạo máy CNC mini 3 trục điều khiển bằng Mach3 phục vụ gia công gỗ và mica, đặc biệt là các chi tiết biên dạng 3D phức tạp.

PHẦN II: NỘI DUNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

I. Khái quát về máy CNC

Trình bày định nghĩa hệ thống điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control), phân loại máy CNC thành 3 nhóm (nhóm máy phay - khoan - doa; nhóm máy tiện - khoan/tiện - phay; nhóm CNC đặc biệt). Phân tích ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy công cụ điều khiển bằng tay: chất lượng gia công không phụ thuộc tay nghề thợ và độ chính xác đạt mức $0{,}001\text{ mm}$.

II. Các phương án xây dựng mô hình

Đánh giá chi tiết ưu - nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật:

  • Động cơ dẫn động trục: Động cơ bước (giá rẻ nhưng giảm mô-men ở tốc độ cao, độ ồn lớn); động cơ DC (mô-men lớn nhưng đáp ứng chậm); động cơ AC Servo (mô-men đều, tốc độ cao, vận hành êm, độ chính xác cao nhờ encoder phản hồi). Tác giả kết luận chọn AC Servo Mitsubishi.
  • Phương án động học di chuyển: Chọn phương án phôi cố định (trục X mang Y và Z di chuyển) nhằm tối ưu không gian làm việc và có khả năng mở rộng trục thứ 4.
  • Cơ cấu truyền động: So sánh vít me thường, đai răng và vít me bi. Tác giả chọn cơ cấu vít me - đai ốc bi nhờ hiệu suất cao ($90% - 95%$), không có độ rơ khe hở và độ cứng vững hướng trục cao.

III. Tính toán thiết kế phần cơ khí

Thiết lập các thông số làm việc cố định: đường kính dao $3 - 6\text{ mm}$, tốc độ quay $20000 - 24000\text{ v/ph}$, tốc độ chạy dao tối đa $1200\text{ mm/ph}$, chiều sâu cắt $4 - 5\text{ mm}$.

  • Tính toán vận tốc cắt $v = 452{,}4\text{ m/ph}$, lực cắt tiếp tuyến $P_z = 85{,}4\text{ N}$, công suất cắt $N_c = 0{,}63\text{ kW}$, công suất động cơ Spindle yêu cầu $N_{dc} = 0{,}78\text{ kW} \rightarrow$ chọn Spindle $0{,}8\text{ kW}$ giải nhiệt nước.
  • Tính toán tải trọng và ma sát: Trục X chịu tải $m_x = 450\text{ N}$ ($F_x = 13{,}5\text{ N}$, lực dọc trục $P_{tx} = 98{,}9\text{ N}$); trục Y chịu tải $m_y = 220\text{ N}$ ($F_y = 6{,}6\text{ N}$, $P_{ty} = 92\text{ N}$); trục Z chịu tải $m_z = 130\text{ N}$ ($P_{tz} = 89{,}3\text{ N}$).
  • Tính toán mô-men xoắn dẫn động trục vít me trục X: $T = 10{,}86\text{ N}\cdot\text{cm}$. Động cơ AC Servo chọn có mô-men $0{,}64\text{ N}\cdot\text{m}$ ($64\text{ N}\cdot\text{cm}$), đảm bảo đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật.
  • Xây dựng mô hình 3D tổng thể trên SolidWorks, thiết kế chi tiết đế máy nhôm định hình $60 \times 60$, bàn máy gỗ $660 \times 510\text{ mm}$, cùng các tấm gá nhôm gia công CNC.

IV. Kiểm bền mô hình

Sử dụng phần mềm SolidWorks Simulation để kiểm tra ứng suất và chuyển vị trên vật liệu hợp kim nhôm (mật độ $2{,}77 \times 10^{-6}\text{ kg/mm}^3$, mô-đun Young $71000\text{ MPa}$, hệ số Poisson $0{,}33$, giới hạn chảy $280\text{ MPa}$, độ bền kéo $310\text{ MPa}$):

  • Trục Z: Đặt ngàm cố định (Fix) và tác dụng tải trọng $P_{tz} = 89{,}3\text{ N}$, phân tích lưới phần tử hữu hạn (Mesh) cho ra biểu đồ phân bố ứng suất và chuyển vị trong giới hạn an toàn.
  • Mũi dao cắt: Thiết lập ngàm tại chuôi dao, tác dụng lực cắt tại đầu mũi dao để kiểm tra biến dạng uốn và độ võng.
  • Trục Y và trục X: Tiến hành đặt tải tương ứng $P_{ty} = 92\text{ N}$ và $P_{tx} = 98{,}9\text{ N}$, kết quả ứng suất tập trung thấp hơn giới hạn chảy cho phép của vật liệu.

V. Thiết kế mạch điều khiển và phương thức giao tiếp

Trình bày cấu trúc hệ thống điều khiển máy CNC: so sánh hệ hở và hệ kín; giới thiệu phần mềm Mach3 với khả năng biến đổi máy tính PC thành bộ điều khiển CNC 6 trục.

  • Hướng dẫn thiết lập chi tiết trên Mach3: Cấu hình cổng Port 1 (DB25), cài đặt chân Step/Dir cho 3 trục XYZ (các chân $2, 3, 4, 5, 6, 7$), cấu hình chân ngắt khẩn cấp E-Stop (chân 10) và chân Limit switch (chân 11, 12, 13).
  • Cấu hình điều khiển Spindle qua tín hiệu Output #2 (chân 17) đóng ngắt tiếp điểm relay, thiết lập đơn vị đo mm trong mục Motor Tuning.

VI. Cách sử dụng phần mềm JDpaint

Giới thiệu các lợi ích của JDpaint trong thiết kế và điêu khắc gỗ mỹ nghệ: nhập mẫu hình ảnh số hóa, hiệu chỉnh lưới bề mặt 3D, thiết lập thông số công cụ cắt, tạo đường dao rà bề mặt (Roughing) và đường dao chạy biên dạng tinh (Finishing). Hướng dẫn xuất tệp .ENG, sử dụng tiện ích NCConverter để chuyển đổi sang mã G-code tiêu chuẩn và mô phỏng đường cắt trực tiếp trên máy tính trước khi truyền lệnh gia công.

PHẦN III: KẾT LUẬN

Đánh giá toàn diện kết quả đạt được về mặt chế tạo phần cứng và tích hợp phần mềm; nêu rõ các mặt hạn chế còn tồn tại và đề xuất phương hướng phát triển, nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy CNC 3 trục khắc gỗ mini hoạt động ổn định, kết cấu cứng vững, hành trình gia công thực tế đạt $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$, bàn máy kích thước $660 \times 510\text{ mm}$.
  • Tích hợp thành công động cơ AC Servo Mitsubishi MELSERVO-J 20A ($3000\text{ rpm}$) trên cả 3 trục thông qua cơ cấu vít me bi ($\varnothing 20$ và $\varnothing 16$), mang lại khả năng truyền động chính xác, vận hành êm và không có độ rơ.
  • Lắp đặt và điều khiển hoàn chỉnh trục chính Spindle $0{,}8\text{ kW}$ tốc độ $24000\text{ vòng/phút}$ giải nhiệt bằng nước tuần hoàn, điều khiển qua biến tần và đóng ngắt tự động bằng relay từ phần mềm Mach3.
  • Xây dựng thành công chu trình công nghệ từ khâu thiết kế mẫu 3D trên JDpaint $\rightarrow$ chuyển đổi mã lệnh qua NCConverter $\rightarrow$ điều khiển máy gia công tự động qua Mach3, gia công thực nghiệm thành công các sản phẩm điêu khắc trên vật liệu gỗ và mica đạt độ sắc nét và năng suất cao.

2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất

  • Đề xuất quy trình tính toán động học và động lực học chuẩn xác cho dòng máy CNC khắc gỗ cỡ nhỏ, giúp định cỡ chính xác công suất Spindle và mô-men xoắn động cơ dẫn động, tránh lãng phí năng lượng hoặc thiếu tải.
  • Kiến nghị quy trình chuẩn hóa gá đặt chi tiết và kiểm tra biến dạng uốn của mũi dao trước khi gia công hàng loạt nhằm tăng tuổi thọ công cụ cắt YG10X.

3. Đóng góp của đề tài

  • Tác giả đã tự thiết kế, tính toán giải tích và kiểm nghiệm bền bằng phương pháp FEA trên SolidWorks Simulation, sau đó tự gia công các tấm gá nhôm trên máy CNC công nghiệp để hoàn thiện mô hình thực tế.
  • Làm chủ phương pháp ghép nối hệ thống điều khiển phần mềm Mach3 qua cổng DB25 với dòng driver AC Servo công nghiệp, cung cấp giải pháp chế tạo máy CNC mini chất lượng cao với chi phí phù hợp cho môi trường nghiên cứu và xưởng mộc quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Giao tiếp qua cổng song song LPT (DB25) có số lượng chân vào/ra (I/O) bị giới hạn, gây khó khăn khi cần mở rộng thêm nhiều tín hiệu cảm biến hoặc tính năng nâng cao.
  • Mach3 điều khiển theo cơ chế phát xung vòng hở từ máy tính xuống bo mạch giao tiếp; mặc dù động cơ servo có vòng kín với driver nhưng máy tính không trực tiếp nhận phản hồi vị trí thực tế từ thước đo tuyến tính độc lập.
  • Kết cấu bàn máy bằng vật liệu gỗ gắn trên đế nhôm định hình có độ phẳng và khả năng chống ẩm mốc, biến dạng môi trường thấp hơn so với bàn máy gia công bằng kim loại.
  • Hệ thống dẫn hướng sử dụng thanh trượt tròn có độ cứng vững và khả năng chịu tải trọng uốn thấp hơn so với ray trượt vuông công nghiệp.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp card điều khiển giao tiếp qua chuẩn USB hoặc Ethernet (hoặc sử dụng giao thức truyền thông Modbus) để tăng số lượng ngõ vào ra I/O và nâng cao tính ổn định chống nhiễu công nghiệp.
  • Cải tiến kết cấu cơ khí: thay thế bàn máy gỗ bằng nhôm đúc hoặc thép phay phẳng; nâng cấp hệ thống dẫn hướng từ thanh trượt tròn sang ray trượt vuông để tăng độ cứng vững và độ chính xác gia công.
  • Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt thêm trục thứ 4 (trục quay A) đặt cố định trên bệ máy để nâng cấp thành trung tâm gia công CNC 4 trục kết hợp tiện - phay điêu khắc tượng tròn 3D.
  • Tích hợp thêm hệ thống hút bụi công nghiệp chuyên dụng gắn trực tiếp tại đầu Spindle để triệt để thu gom mùn cưa và bụi gỗ trong quá trình gia công.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa: Cung cấp tài liệu tham khảo hoàn chỉnh về quy trình tính toán lực cắt, công suất cắt gọt, mô-men động cơ và kiểm nghiệm bền FEA trên SolidWorks.
  • Kỹ thuật viên và người nghiên cứu chế tạo máy CNC: Tham khảo tài liệu hướng dẫn từng bước cấu hình tham số phần mềm Mach3 (cài đặt chân Port/Pin, Motor Tuning, Spindle Relay) và quy trình chuyển đổi đường dao từ JDpaint qua NCConverter sang mã G-code.
  • Các xưởng sản xuất gỗ mỹ nghệ vừa và nhỏ: Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi để tự dựng hoặc nâng cấp máy điêu khắc gỗ 3 trục với chi phí hợp lý và hiệu năng ổn định.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn động cơ AC Servo thay vì động cơ bước (Stepping motor) cho các trục dẫn động?
Động cơ AC Servo (Mitsubishi MELSERVO-J 20A) được lựa chọn vì mang lại mô-men xoắn trên trục đều hơn, tốc độ quay cao hơn ($3000\text{ rpm}$), vận hành êm ái và có encoder quang phản hồi vị trí ($8192\text{ ppr}$), giúp đảm bảo độ chính xác chuyển động cao khi máy thực hiện các bước dịch chuyển vi mô trong điêu khắc gỗ 3D, khắc phục hiện tượng mất bước và rung ồn của động cơ bước.

2. Công suất và thông số của động cơ trục chính (Spindle) được tính toán và lựa chọn như thế nào?
Dựa trên lực cắt tiếp tuyến tính toán $P_z = 85{,}4\text{ N}$ ở vận tốc cắt $452{,}4\text{ m/ph}$, công suất cắt danh nghĩa được xác định là $N_c = 0{,}63\text{ kW}$. Tính đến hiệu suất động cơ $\eta = 0{,}8$, công suất yêu cầu là $0{,}78\text{ kW}$. Tác giả đã lựa chọn Spindle công suất $0{,}8\text{ kW}$ ($800\text{W}$), tốc độ quay tối đa $24000\text{ v/ph}$, giải nhiệt bằng nước, sử dụng biến tần 3 pha $220\text{V}$, đầu kẹp dao ER11-A và vòng bi C7002 đạt độ chính xác $0{,}02\text{ mm}$.

3. Cơ cấu truyền động cho 3 trục X, Y, Z sử dụng loại vít me nào và thông số cụ thể ra sao?
Máy sử dụng toàn bộ cơ cấu vít me - đai ốc bi để đạt hiệu suất truyền động $90% - 95%$ và triệt tiêu khe hở rơ. Trục X và trục Y sử dụng vít me bi đường kính $\varnothing 20\text{ mm}$, chiều dài $600\text{ mm}$, bước vít $5\text{ mm}$. Trục Z sử dụng vít me bi đường kính $\varnothing 16\text{ mm}$, chiều dài $300\text{ mm}$, bước vít $5\text{ mm}$.

4. Phần mềm Mach3 được cấu hình điều khiển Spindle và các chân tín hiệu động cơ như thế nào qua cổng LPT DB25?
Trên Port 1 của cổng DB25: Trục X nhận xung tại chân Step Pin 2 và Dir Pin 3; trục Y nhận chân Step Pin 4 và Dir Pin 5; trục Z nhận chân Step Pin 6 và Dir Pin 7. Chân ngắt khẩn cấp E-Stop gán vào Pin 10; các công tắc giới hạn Limit X, Y, Z gán vào Pin 11, 12, 13. Tín hiệu điều khiển đóng ngắt Spindle sử dụng relay thông qua chân Output #2 (Pin 17).

5. Quy trình xử lý file từ bản vẽ thiết kế đến khi gia công thực tế trên máy CNC được thực hiện qua các phần mềm nào?
Mẫu điêu khắc 3D được thiết kế hoặc nhập vào phần mềm JDpaint để tạo đường dao cắt thô và chạy tinh bề mặt, sau đó xuất ra tệp định dạng .ENG. Tiếp theo, phần mềm trung gian NCConverter được dùng để chuyển đổi tệp .ENG thành mã lệnh G-code tiêu chuẩn (tệp .NC hoặc .TAP). Cuối cùng, file G-code được nạp vào phần mềm Mach3 để điều khiển hệ thống cơ khí gia công tự động.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy CNC 3 trục điêu khắc gỗ" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán động lực học, thiết kế cơ khí, kiểm nghiệm bền trên SolidWorks Simulation đến thi công chế tạo mô hình thực tế. Việc kết hợp hệ thống truyền động vít me bi, động cơ AC Servo Mitsubishi cùng phần mềm Mach3 và JDpaint đã tạo ra một hệ thống máy CNC mini hoàn chỉnh, vận hành ổn định và đạt độ chính xác cao trên vật liệu gỗ và mica. Đề tài đóng vai trò là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy và cung cấp giải pháp ứng dụng công nghệ tự động hóa vào nghề tranh khắc gỗ truyền thống.