Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và tự động hóa sản xuất, máy điều khiển số CNC đã trở thành công cụ không thể thiếu trong các dây chuyền gia công cơ khí chính xác. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy CNC trong các làng nghề thủ công, đặc biệt là nghề chạm khắc gỗ truyền thống, ngày càng tăng cao. Tuy nhiên, các máy CNC nhập khẩu từ nước ngoài như Đức, Nhật, Trung Quốc thường có giá thành cao và khó bảo trì, gây khó khăn cho các cơ sở sản xuất nhỏ và vừa. Đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công” được thực hiện nhằm chế tạo một máy CNC nhỏ gọn, giá thành hợp lý, có khả năng khắc ảnh, chữ, logo trên các vật liệu phi kim loại như gỗ, mica, đáp ứng nhu cầu sản xuất thủ công mỹ nghệ và đồ lưu niệm.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào hoàn thiện hệ thống điều khiển, các chức năng hỗ trợ gia công, gia công thử nghiệm để đánh giá độ ổn định và độ chính xác của máy. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm máy CNC với kích thước tổng thể 1360x965x1087 mm, hành trình làm việc 480x400x100 mm, được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm trong các làng nghề thủ công truyền thống, đồng thời góp phần phát triển công nghệ chế tạo máy CNC trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động, bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển số CNC (Computer Numerical Control): Hệ thống máy công cụ điều khiển bằng chương trình số, sử dụng mã G-code để điều khiển chuyển động và hoạt động của máy. Máy CNC cho phép gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, không phụ thuộc vào tay nghề người vận hành.

  • Mô hình động cơ bước và cơ cấu truyền động: Sử dụng động cơ bước với các phương pháp điều khiển cả bước, nửa bước và vi bước để đạt được độ chính xác và mô-men xoắn phù hợp. Cơ cấu truyền động vitme-đai ốc bi được áp dụng nhằm giảm ma sát, tăng hiệu suất truyền động trên 90%.

  • Khái niệm kiểm bền và tính toán cơ khí: Áp dụng các công thức tính ứng suất, chuyển vị và kiểm tra độ bền vật liệu để đảm bảo các chi tiết máy chịu được lực tác động trong quá trình vận hành, với hệ số an toàn được chọn là 3.

Các khái niệm chính bao gồm: động cơ bước, vitme-đai ốc bi, phần mềm điều khiển Mach3, spindle trục chính, dao khắc V Shaped Flat Bottom Cutters.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ quá trình thiết kế, mô phỏng và chế tạo máy CNC tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là một mô hình máy CNC kích thước 1360x965x1087 mm, được thiết kế và lắp ráp hoàn chỉnh.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích kỹ thuật cơ khí: Sử dụng phần mềm Solidworks để dựng mô hình 3D và kiểm tra ứng suất, chuyển vị các chi tiết máy dưới tải trọng thực tế.

  • Tính toán công suất động cơ và lựa chọn linh kiện: Dựa trên trọng lượng các bộ phận, lực ma sát và lực cắt tối đa, tính toán công suất động cơ cho các trục X, Y, Z, chọn động cơ bước và spindle phù hợp.

  • Phân tích điều khiển và phần mềm: Lựa chọn phần mềm Mach3 để điều khiển máy CNC, thiết kế hệ thống điện, mạch nguồn, driver động cơ bước và sơ đồ đấu nối.

  • Thử nghiệm gia công: Gia công thử trên mica và gỗ mềm với nhiều chế độ khác nhau để đánh giá độ ổn định, độ chính xác và hiệu suất của máy.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, từ thiết kế, chế tạo đến thử nghiệm và hoàn thiện hệ thống điều khiển.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy CNC: Máy có kích thước 1360x965x1087 mm, hành trình làm việc 480x400x100 mm, sử dụng động cơ bước 3000 rpm, mô-men xoắn 0,64 Nm, spindle công suất 1,5 kW với tốc độ 24000 vòng/phút. Các chi tiết cơ khí như đế máy, gá đỡ trục X, giá đỡ spindle được gia công chính xác, đảm bảo độ bền và độ ổn định.

  2. Kiểm tra độ bền và chuyển vị: Ứng suất tương đương lớn nhất trên các chi tiết như khung đế máy, vai trục X, giá đỡ spindle lần lượt là 5,05 MPa, 8,607 MPa và 0,2135 MPa, đều nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép 250 MPa. Chuyển vị lớn nhất đo được là 0,035 mm, nhỏ hơn độ chính xác yêu cầu 0,05 mm, đảm bảo máy hoạt động ổn định.

  3. Đánh giá độ chính xác gia công: Gia công thử trên mica với đường kính vòng tròn 44 mm cho kết quả sai số khoảng 0,05 mm (5%), phù hợp với yêu cầu kỹ thuật. Gia công trên gỗ mềm (gỗ sồi) cho thấy máy chạy ổn định, tuy nhiên thời gian gia công còn hơi lâu, đề xuất tăng vận tốc tiến dao và bước ăn dao để nâng cao hiệu quả.

  4. Hệ thống điều khiển và phần mềm: Phần mềm Mach3 được lựa chọn do tính chuyên nghiệp, khả năng nhận diện G-code và nội suy chính xác. Hệ thống điện, mạch nguồn xung, driver động cơ bước DMA860H và 3128A được thiết kế đồng bộ, đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn.

Thảo luận kết quả

Kết quả kiểm tra cơ khí cho thấy thiết kế máy CNC đáp ứng tốt các yêu cầu về độ bền và độ chính xác, phù hợp với điều kiện gia công các sản phẩm thủ công mỹ nghệ. So với các nghiên cứu trong ngành, máy có kích thước và công suất phù hợp với nhu cầu các làng nghề truyền thống, đồng thời giá thành hợp lý hơn so với máy nhập khẩu.

Việc sử dụng động cơ bước và cơ cấu vitme-đai ốc bi giúp giảm ma sát, tăng hiệu suất truyền động trên 90%, góp phần nâng cao độ chính xác và tuổi thọ máy. Phần mềm Mach3 với giao diện thân thiện và khả năng điều khiển đa trục giúp đơn giản hóa quá trình vận hành, giảm thiểu sai sót do con người.

Gia công thử nghiệm cho thấy máy có thể tạo ra các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao, tuy nhiên cần tối ưu thêm về tốc độ gia công để nâng cao năng suất. Các biểu đồ ứng suất và chuyển vị có thể được trình bày để minh họa rõ ràng sự phân bố lực và biến dạng trên các chi tiết máy, hỗ trợ đánh giá thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường tối ưu hóa vận tốc tiến dao và bước ăn dao: Để nâng cao hiệu quả gia công, cần điều chỉnh các thông số này nhằm giảm thời gian gia công mà vẫn đảm bảo độ chính xác. Thời gian thực hiện dự kiến trong 3-6 tháng, do nhóm kỹ thuật và vận hành máy thực hiện.

  2. Nâng cấp hệ thống làm mát spindle: Mặc dù hệ thống giải nhiệt hiện tại sử dụng két nước và quạt hút, việc cải tiến hệ thống làm mát sẽ giúp duy trì nhiệt độ ổn định khi gia công liên tục, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Chủ thể thực hiện là bộ phận bảo trì kỹ thuật.

  3. Phát triển giao diện phần mềm điều khiển: Cải tiến giao diện Mach3 hoặc phát triển phần mềm tùy chỉnh giúp người dùng dễ dàng thao tác hơn, giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.

  4. Mở rộng ứng dụng máy CNC cho các vật liệu khác: Nghiên cứu khả năng gia công các vật liệu phi kim loại khác như mica, nhựa acrylic để đa dạng hóa sản phẩm, tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu và các cơ sở sản xuất thủ công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và giảng viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và điều khiển máy CNC, giúp nâng cao kỹ năng chuyên môn và ứng dụng trong giảng dạy, nghiên cứu.

  2. Các cơ sở sản xuất thủ công mỹ nghệ và làng nghề truyền thống: Tham khảo để áp dụng máy CNC vào sản xuất, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm chi phí nhân công.

  3. Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy CNC: Tài liệu chi tiết về lựa chọn linh kiện, tính toán cơ khí và hệ thống điều khiển giúp cải tiến và phát triển các dòng máy CNC phù hợp với nhu cầu thị trường trong nước.

  4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách phát triển công nghiệp hỗ trợ: Cung cấp cơ sở dữ liệu và mô hình tham khảo để thúc đẩy phát triển công nghệ chế tạo máy CNC trong nước, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy CNC này có thể gia công những loại vật liệu nào?
    Máy được thiết kế để gia công các vật liệu phi kim loại như gỗ, mica, acrylic, PVC, MDF với độ chính xác cao, phù hợp cho các sản phẩm thủ công mỹ nghệ và đồ lưu niệm.

  2. Độ chính xác gia công của máy đạt được là bao nhiêu?
    Qua thử nghiệm gia công trên mica, máy đạt độ chính xác khoảng 0,05 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cho các sản phẩm chạm khắc tinh xảo.

  3. Phần mềm điều khiển Mach3 có ưu điểm gì?
    Mach3 có giao diện thân thiện, khả năng nhận diện G-code và nội suy đa trục chính xác, giúp điều khiển máy CNC dễ dàng và hiệu quả, phù hợp với các máy CNC tự chế.

  4. Làm thế nào để đảm bảo an toàn khi vận hành máy?
    Máy được trang bị công tắc hành trình và nút dừng khẩn cấp (Estop) để ngăn ngừa sự cố khi máy chạy quá hành trình hoặc gặp lỗi, đảm bảo an toàn cho người vận hành.

  5. Chi phí đầu tư cho máy CNC này so với máy nhập khẩu như thế nào?
    Máy CNC tự chế có giá thành hợp lý hơn nhiều so với máy nhập khẩu từ Đức, Nhật, Trung Quốc, đồng thời dễ bảo trì và phù hợp với điều kiện sản xuất của các làng nghề thủ công nhỏ và vừa.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy phay, điêu khắc gỗ CNC với kích thước 1360x965x1087 mm, hành trình làm việc 480x400x100 mm, đáp ứng nhu cầu sản xuất thủ công mỹ nghệ.
  • Máy đạt độ chính xác gia công khoảng 0,05 mm, đảm bảo độ bền và ổn định trong quá trình vận hành nhờ thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển tối ưu.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng phần mềm Mach3 và các linh kiện điện tử đồng bộ, giúp vận hành dễ dàng và an toàn.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao năng suất, giảm chi phí nhân công và mở rộng ứng dụng công nghệ CNC trong các làng nghề truyền thống.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa vận tốc gia công, nâng cấp hệ thống làm mát và phát triển phần mềm điều khiển để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và các cơ sở sản xuất quan tâm áp dụng và phát triển thêm các giải pháp công nghệ CNC phù hợp với điều kiện thực tế nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành thủ công mỹ nghệ Việt Nam.