Đồ án HCMUTE: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy CNC 4 trục

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy cnc 4 trục phát triển hoàn thiện và, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá

• Tác giả: Nguyễn Lê Quang Nhật
• Người hướng dẫn: ThS. Đặng Minh Phụng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Cụm Trục Thứ 5 Trên Máy CNC 4 Trục. Phát Triển Hoàn Thiện Và Chế Tạo Hệ Thống Điều Khiển Máy CNC 4 Trục
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Cơ sở phương pháp luận
• 1.6. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể
• 1.7. Các nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.7.1. Nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 1.7.2. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.7.3. Nghiên cứu ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái quát về máy CNC
• 2.2. Cấu tạo chung và quy ước máy CNC
• 2.3. Các kiểu hệ thống điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: THAM KHẢO VÀ LÊN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 3.1. Một số thiết kế thông dụng của máy CNC 5 trục
• 3.2. Lựa chọn kiểu điều khiển
• 3.3. Lựa chọn loại động cơ cho trục A và trục C
• 3.4. Lựa chọn kết cấu truyền động
• 3.4.1. Phương án truyền động trục A
• 3.4.2. Phương án truyền động trục C
• 3.4.3. Lựa chọn hộp số truyền động cho 2 trục A & C
• 4. CHƯƠNG 4: PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC
• 4.1. Phân tích hệ thống điều khiển của máy CNC 4 trục cũ
• 4.2. Một số thiết bị điện và cách đấu nối dây
• 4.3. Hoàn thiện hệ thống điện cho máy CNC 4 trục
• 4.4. Điều khiển máy CNC
• 4.5. Sơ đồ đấu dây tủ điện
• 4.6. Lựa chọn phần mềm điều khiển Mach3
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CỤM 5
• 5.1. Tính toán lực cắt
• 5.2. Xác định chế độ cắt
• 5.3. Xác định lực tác dụng khi gia công
• 5.4. Phương pháp nguyên lý cắt
• 5.5. Xác định momen xoắn trên trục chính
• 5.6. Tính toán, lựa chọn mâm cặp kẹp chặt
• 5.7. Tính toán, thiết kế cụm 5 (Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor 2015)
• 5.7.1. Quy trình thiết kế
• 5.7.2. Thiết kế cơ khí
• 5.7.3. Lựa chọn phương pháp tạo phôi Thân cụm và Bàn quay
• 5.7.4. Tính toán lựa chọn bộ truyền trục C
• 5.7.5. Tính toán lựa chọn động cơ
• 5.7.6. Tính toán lựa chọn ổ lăn
• 5.7.7. Kiểm tra bền (Kiểm tra trên phần mềm Autodesk Inventor 2015)
• 5.7.7.1. Kiểm bền phần đỡ trục A của thân cụm
• 5.7.7.2. Kiểm bền phần trục của Bích bàn quay 2
• 5.7.7.3. Kiểm bền 4 Lục giác M8 liên kết cụm Động cơ – Hộp số Trục A
• 6. CHƯƠNG 6: GIA CÔNG
• 6.1. Các chi tiết cần gia công
• 6.2. Hình ảnh gia công, lắp ráp trong thực tế
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ
• 7.1. Gia công sản phẩm và đánh giá
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 8.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống điều khiển CNC

Hệ thống điều khiển CNC (Computer Numerical Control) là một phần quan trọng trong công nghệ gia công cơ khí hiện đại. Hệ thống điều khiển CNC cho phép máy móc thực hiện các thao tác gia công tự động với độ chính xác cao. Đặc biệt, máy CNC 4 trục có khả năng gia công các chi tiết phức tạp hơn so với các máy CNC 3 trục. Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển cho máy CNC không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Theo một nghiên cứu gần đây, việc áp dụng công nghệ CNC trong sản xuất đã giúp giảm thiểu thời gian gia công và tăng độ chính xác của sản phẩm. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc phát triển hệ thống điều khiển CNC trong ngành công nghiệp chế tạo máy.

1.1. Tính cấp thiết của việc nghiên cứu

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, nhu cầu về máy CNC 4 trục ngày càng tăng. Các doanh nghiệp cần những giải pháp gia công hiệu quả để đáp ứng yêu cầu sản xuất. Việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển CNC không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn. Theo thống kê, các doanh nghiệp áp dụng công nghệ CNC đã tăng năng suất lên đến 30% so với phương pháp gia công truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng việc đầu tư vào công nghệ CNC là một hướng đi đúng đắn cho các doanh nghiệp trong bối cảnh cạnh tranh hiện nay.

II. Nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển

Quá trình nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển cho máy CNC 4 trục bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần phân tích các yêu cầu kỹ thuật và tính năng của máy CNC 4 trục. Sau đó, việc lựa chọn các linh kiện điện tử và phần mềm điều khiển là rất cần thiết. Phần mềm điều khiển CNC như Mach3 đã được sử dụng rộng rãi nhờ vào tính linh hoạt và dễ sử dụng. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển CNC cần phải đảm bảo tính ổn định và độ chính xác cao trong quá trình hoạt động. Một nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa hệ thống điều khiển CNC có thể giảm thiểu sai số trong quá trình gia công xuống dưới 0.01mm, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.

2.1. Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển CNC bao gồm việc lựa chọn các cảm biến, động cơ và mạch điều khiển phù hợp. Các cảm biến trong hệ thống điều khiển CNC giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số trong quá trình gia công. Việc sử dụng cảm biến trong CNC không chỉ giúp tăng độ chính xác mà còn đảm bảo an toàn cho máy móc. Hơn nữa, việc lập trình cho hệ thống điều khiển CNC cũng cần được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo rằng máy có thể thực hiện các lệnh một cách chính xác và hiệu quả. Theo một nghiên cứu, việc tối ưu hóa lập trình cho máy CNC 4 trục có thể giúp giảm thiểu thời gian gia công và tăng hiệu suất làm việc.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Việc nghiên cứu và chế tạo hệ thống điều khiển cho máy CNC 4 trục mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Các sản phẩm được gia công từ máy CNC 4 trục có độ chính xác cao, đáp ứng được yêu cầu khắt khe của thị trường. Ứng dụng máy CNC trong sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Theo một báo cáo, các doanh nghiệp sử dụng máy CNC đã giảm được 20% chi phí sản xuất so với các phương pháp truyền thống. Điều này cho thấy rằng việc đầu tư vào công nghệ CNC là một quyết định thông minh cho các doanh nghiệp trong ngành chế tạo máy.

3.1. Tương lai của công nghệ CNC

Công nghệ CNC đang ngày càng phát triển với nhiều cải tiến mới. Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy vào hệ thống điều khiển CNC hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến vượt bậc trong ngành công nghiệp chế tạo. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các máy CNC thông minh có khả năng tự động điều chỉnh các thông số gia công dựa trên dữ liệu thu thập được. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Tương lai của công nghệ CNC sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các doanh nghiệp và kỹ sư trong ngành chế tạo máy.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành gia công cơ khí chính xác, sự phát triển của công nghệ điều khiển số đã dẫn đến sự ra đời của các hệ thống máy CNC nhiều trục (3 trục, 4 trục, 5 trục và máy CNC cao tốc), hỗ trợ chế tạo các chi tiết có biên dạng phức tạp với năng suất cao. Tại Việt Nam, nhu cầu nhân lực kỹ thuật vận hành máy CNC đa trục rất lớn, tuy nhiên phần lớn các cơ sở đào tạo nghề và trung cấp kỹ thuật gặp khó khăn về nguồn lực tài chính để trang bị máy CNC 5 trục công nghiệp cỡ lớn. Nhằm đáp ứng nhu cầu đào tạo và nghiên cứu thực nghiệm với chi phí hợp lý, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo các cơ cấu máy CNC kích thước nhỏ gọn từ nền tảng máy sẵn có là một yêu cầu cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cụm trục thứ 5 trên máy CNC 4 trục. Phát triển hoàn thiện và chế tạo hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (khóa 2012-2016). Văn bản xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

1. Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cách truyền động, lập trình và điều khiển máy phay CNC.
2. Vận dụng kiến thức để nghiên cứu phát triển và chế tạo cụm trục thứ 5 với giá thành hợp lý, kích cỡ nhỏ gọn.
3. Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu.
4. Sản phẩm có đủ tính năng để phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Cụm trục thứ 5 của máy CNC 5 trục; phần mềm điều khiển Mach3; phần mềm thiết kế, tính toán, mô phỏng (Autodesk Inventor 2015); động cơ và phương pháp truyền động cơ khí.
• Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo cụm trục thứ 5 tích hợp lên máy phay CNC 4 trục đã có tại xưởng trường (kích thước ban đầu: 862 x 912 x 1037 mm; hành trình gia công các trục: X = 400 mm, Y = 320 mm, Z = 300 mm). Máy hướng đến phạm vi ứng dụng gia công vật liệu nhôm và kim loại màu, gia công các biên dạng phức tạp với sai số cho phép đạt mức 0. Thời gian thực hiện đồ án trong thời hạn 4 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển số NC/CNC, quy ước hệ tọa độ máy công cụ theo quy tắc bàn tay phải (3 trục tịnh tiến X, Y, Z và các trục quay A, B, C tương ứng quanh các trục X, Y, Z). Về mặt tọa độ chuẩn, hệ thống xác lập các điểm mốc kỹ thuật:

• Điểm gốc của máy: $M$ (Machine Reference Zero).
• Điểm chuẩn của máy: $R$ (Machine Reference Point).
• Điểm zero của phôi: $W$ (Workpiece Zero Point).
• Điểm gốc của chương trình: $P$ (Programmed Zero).
• Điểm chuẩn gá dao: $T$ và điểm gá dao $N$.

Về nguyên lý điều khiển, thuyết minh phân tích hai mô hình: hệ thống điều khiển vòng hở (Open Loop) sử dụng động cơ bước không có phản hồi vị trí và hệ thống điều khiển vòng kín (Closed Loop) sử dụng động cơ servo có bộ mã hóa xung (encoder) hồi tiếp.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp khảo sát và phân tích - so sánh kỹ thuật: Khảo sát các cấu trúc máy CNC 5 trục hiện hành (dạng Đầu/Bàn, Đầu/Đầu, Bàn/Bàn), so sánh các phương án truyền động cơ khí (thẳng, gián tiếp) và phân tích các chủng loại động cơ (bước so với servo).
• Phương pháp tính toán thiết kế và mô phỏng số: Tính toán lực cắt thành phần, chế độ cắt và mômen xoắn trên trục chính. Mô hình hóa hình học 3D toàn bộ cụm kết cấu và kiểm nghiệm bền (phân tích ứng suất, biến dạng) bằng phần mềm Autodesk Inventor 2015.
• Phương pháp chế tạo cơ khí: Sử dụng phương pháp tiện, phay và mài bóng để tạo phôi và gia công hoàn thiện các chi tiết cơ khí của cụm trục thứ 5.
• Phương pháp thực nghiệm và đo kiểm: Căn chỉnh hình học máy bằng đồng hồ so (căn chuẩn trục A và căn chuẩn tâm phôi); kết nối tủ điện điều khiển và chạy thực nghiệm gia công chi tiết thực tế trên phôi nhôm.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm thông số kỹ thuật của mô hình máy CNC 4 trục có sẵn tại trường, các bảng tra thông số tiêu chuẩn của ổ bi SKF (6303, 32004 X/Q), mâm cặp 3 chấu Vertex VSK, tài liệu kỹ thuật biến tần Yaskawa V1000, biến áp Toyozumi, driver hãng Vexta, và đặc tính mômen - tốc độ của động cơ bước PK596BE, EM569-NB.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Do đồ án thuộc loại hình xây dựng hệ thống cơ - điện tử tích hợp, toàn bộ cấu trúc phần cứng và hệ thống điều khiển được tính toán, lựa chọn và chế tạo dựa trên các phương án kỹ thuật xác định.

Phân tích và lựa chọn cấu hình máy

Nhóm tác giả tiến hành so sánh ba cấu hình máy phay CNC 5 trục chính:

Tiêu chí	Dạng Bàn/Bàn	Dạng Đầu/Bàn	Dạng Đầu/Đầu
Khả năng thiết kế cơ cấu và truyền động	Dễ dàng nhờ không gian phương X không bị hạn chế. Khoảng cách từ bàn máy đến Spindle khá lớn và có thể hiệu chỉnh.	Phức tạp do đầu dao được gắn chặt vào tấm trung gian và cố định với thân trục Z. Phải thay đổi kết cấu máy.	Phức tạp do đầu dao được gắn chặt vào tấm trung gian và cố định với thân trục Z. Phải thay đổi kết cấu máy.
Đồ gá phụ trợ	Có thể thiết kế ngay trên bàn máy trục A.	Cần có thêm đồ gá chuyên dụng mới có thể gia công.	Cần có thêm đồ gá chuyên dụng mới có thể gia công.
Khả năng tháo lắp, bảo trì	Bàn máy cụm 5 được gắn trên bàn máy cũ bằng đai ốc, dễ tháo lắp, tính cơ động cao.	Phải tháo cả đầu dao và đồ gá trên bàn máy.	Phải tháo cả đầu dao.
Khả năng mang phôi	Phôi có kích thước và khối lượng nhỏ.	Phôi có kích thước và khối lượng vừa phải.	Phôi có kích thước và khối lượng lớn.
Khả năng gia công	Bị hạn chế góc quay và mặt phẳng gia công.	Bị hạn chế mặt phẳng gia công.	Không hạn chế góc quay và mặt phẳng gia công.
Kinh phí chế tạo	Vừa phải do kết cấu thông dụng, dễ gia công.	Lớn do gia công phức tạp.	Lớn do gia công phức tạp.

Phương án Bàn/Bàn được lựa chọn vì phù hợp với mục tiêu gia công chi tiết kích thước nhỏ trên nhôm/kim loại màu, kinh phí vừa phải và dễ tích hợp trực tiếp lên bàn máy 4 trục sẵn có.

Lựa chọn động cơ và phương án truyền động

Hệ thống điều khiển được chọn là hệ thống vòng hở kết hợp phần mềm Mach3. Nhóm nghiên cứu tiến hành phân tích sự phù hợp giữa động cơ bước và động cơ servo:

Tiêu chí so sánh	Động cơ bước (Step Motor)	Động cơ Servo (Servo Motor)
Mạch driver	Đơn giản, người dùng có thể tự chế tạo hoặc mua sẵn.	Phức tạp, người sử dụng phải mua mạch driver từ nhà sản xuất.
Nhiễu và rung động	Đáng kể.	Rất ít.
Tốc độ làm việc	Tối đa 1000 - 2000 vòng/phút.	Nhanh, tối đa 3000 - 5000 vòng/phút.
Hiện tượng trượt bước	Có thể xảy ra nếu tải vượt quá mômen hãm.	Khó xảy ra, động cơ vẫn chạy trơn tru khi tải tăng.
Phương pháp điều khiển	Điều khiển vòng hở (không có encoder).	Điều khiển vòng kín (có encoder phản hồi).
Giá thành hệ thống	Thấp.	Rất đắt.
Độ phân giải góc bước	Phổ biến loại 1,8°/bước (200 bước/vòng) hoặc 0,72°/bước.	Độ phân giải cao, phụ thuộc bộ giải mã xung (encoder).

Nhóm tác giả chọn động cơ bước 5 pha (PK596BE, EM569-NB) nhằm đảm bảo tiêu chí kinh tế và tương thích với giao diện điều khiển vòng hở của Mach3.

Đối với cơ cấu truyền động của trục A và trục C:

• Trục A (quay quanh trục X): Chọn phương án truyền động thẳng (trục động cơ trùng phương X) kết hợp hộp số khử rơ. Không gian dọc trục X trên bàn máy rộng rãi, cho phép bố trí cụm động cơ và hộp số nối thẳng mà không gây cản trở hành trình.
• Trục C (quay quanh trục Z): Chọn phương án truyền động gián tiếp bằng đai với động cơ nằm ngoài bàn quay. Do khoảng cách từ đầu dao đến mâm cặp chỉ có 20 cm, việc đặt động cơ trên bàn quay sẽ có nguy cơ va chạm dao (đụng dao) và khó che chắn khi tưới nguội dung dịch cắt gọt. Đặt động cơ bên ngoài bàn quay khắc phục được nguy cơ va chạm và thuận tiện cho việc che chắn làm mát.
• Cơ cấu hộp số: Động cơ bước có mômen xoắn nhỏ và dễ trượt bước khi chịu tải lớn. Để tăng mômen và triệt tiêu độ rơ, đồ án phân tích nguyên lý ăn khớp dạng sóng (Strain Wave Gear gồm 3 chi tiết: khối tạo sóng Wave Generator, vành răng đàn hồi Flexspline và vành răng cứng Circular Spline của Harmonic Drive, hoặc bộ giảm tốc bi Ball Reducer BR100 của hãng Kamo Seiko).

Thiết kế hệ thống điện và tủ điều khiển

Hệ thống điều khiển cũ của máy 4 trục được nâng cấp toàn diện lên tủ điện công nghiệp mới với các thông số:

• Vỏ tủ điện: Thép tấm sơn tĩnh điện dày 1 mm, kích thước 800 x 1000 x 300 mm, cấp bảo vệ đạt IP 43 - IP 55, bố trí thanh gá ray nhôm tiêu chuẩn.
• Biến áp cách ly Toyozumi: Tần số làm việc 50/60 Hz; ngõ vào 200 - 220 - 240V; ngõ ra 100 - 110 - 120V; ly cách hoàn toàn giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp để chống giật và lọc nhiễu nguồn.
• Bộ nguồn xung DC: Đầu vào AC 110V - 240V (50/60 Hz), đầu ra DC 24V - 10A, cấp nguồn nuôi cho mạch giao tiếp Mach3 và các cảm biến.
• Biến tần Yaskawa V1000: Input AC 3 pha 200 - 240V (50/60 Hz); output AC 3 pha 0 - 240V, dải tần số 0 - 400 Hz dùng để điều khiển vô cấp tốc độ trục chính (spindle).
• Driver điều khiển động cơ bước:
  • Driver Vexta UDX5128 (dòng làm việc 2,8A) điều khiển động cơ 3 trục tịnh tiến X, Y, Z.
  • Driver Vexta UDK5114VN (dòng làm việc 2,5A) điều khiển động cơ trục A.
  • Driver UDK5114MN điều khiển động cơ trục C.
  • Các chân tín hiệu trên driver gồm: CW (nhận xung Dir từ Mach3), CCW (nhận xung Step từ Mach3), H-OFF (ngắt dòng cuộn dây), TIM (tín hiệu định thời pha ban đầu), HEAT (tín hiệu ngắt bảo vệ khi quá nhiệt tại 70°C).
• Mạch giao tiếp và máy tính: Board Mach3 5 trục kết nối qua cổng máy in LPT, cấu hình các chân cấp xung Step/Dir, công tắc hành trình và tín hiệu dừng khẩn E-Stop trên phần mềm Mach3.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài. Khái quát lịch sử phát triển điều khiển số trên thế giới từ các mốc kỹ thuật: cơ cấu chốt trụ trên đồng hồ châu Âu thế kỷ XIV, bìa đục lỗ của Joseph M. Jacquard (1808), máy phay Cincinnate Hydrotel tại MIT (1952), thiết bị NC công nghiệp của Bendix (1954), ngôn ngữ APT (1958). Nêu tổng quan ứng dụng CNC tại Việt Nam từ năm 1991 qua các dự án chuyển giao công nghệ khuôn mẫu, cùng khảo sát các mô hình máy CNC tự chế tạo tại các trường đại học (ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, ĐH Đông Á) và doanh nghiệp tư nhân (máy cắt Plasma Sơn Vũ).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày cấu tạo tổng quát của máy phay CNC gồm phần điều khiển (chương trình gia công, bộ xử lý tín hiệu, bộ giải mã, bộ nội suy, khuếch đại tín hiệu) và phần chấp hành (thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, vitme - đai ốc bi). Giới thiệu hệ tọa độ Descartes theo quy tắc bàn tay phải, các trục quay bổ trợ A, B, C và hệ thống các điểm gốc $M, R, W, P, T, N$. So sánh hai nguyên lý điều khiển: hệ thống hở dùng động cơ bước và hệ thống kín dùng động cơ DC servo có hồi tiếp vị trí.

Chương 3: Tham khảo và lên phương án thiết kế

Phân tích ưu nhược điểm của ba cấu hình máy phay 5 trục (Đầu/Bàn, Đầu/Đầu, Bàn/Bàn) và lựa chọn cấu hình Bàn/Bàn cho máy phay 4 trục có sẵn không gian gia công 400 x 320 x 300 mm. So sánh động cơ bước và động cơ servo, lựa chọn động cơ bước 5 pha điều khiển vòng hở qua phần mềm Mach3. Phân tích các phương án truyền động: trục A chọn truyền động thẳng kết hợp hộp số khử rơ; trục C chọn truyền động gián tiếp bằng dây đai với động cơ đặt ngoài bàn quay để tránh va chạm đầu dao ở cự ly 20 cm. Phân tích nguyên lý bộ giảm tốc sóng Harmonic Drive và Ball Reducer BR100 của Kamo Seiko.

Chương 4: Phát triển hoàn thiện và chế tạo hệ thống điều khiển máy CNC 4 trục

Đánh giá tủ điện điều khiển cũ của máy 4 trục và đề xuất thiết kế tủ điện mới dạng công nghiệp (kích thước 800 x 1000 x 300 mm, thép tấm 1 mm sơn tĩnh điện, IP 43 - IP 55). Chi tiết hóa sơ đồ đấu nối và thông số các khí cụ điện: biến áp cách ly Toyozumi (nguồn vào 200/220/240V, ra 100/110/120V), mạch nguồn xung DC 24V-10A, biến tần Yaskawa V1000 (3 pha 200-240V, ra 0-400Hz), driver Vexta UDX5128 (2,8A) cho trục X, Y, Z và UDK5114VN (2,5A) cho trục A, UDK5114MN cho trục C. Thiết lập giao thức điều khiển trên phần mềm Mach3 qua cổng LPT, gán chân I/O, khai báo tham số vi bước cho từng trục.

Chương 5: Tính toán, thiết kế cụm 5

Tính toán lực cắt thành phần, chế độ cắt và mômen xoắn yêu cầu trên trục chính khi gia công nhôm. Tính chọn mâm cặp 3 chấu tự định tâm Vertex VSK theo bảng tra tải trọng. Sử dụng Autodesk Inventor 2015 để mô hình hóa toàn bộ kết cấu: thân cụm, bích bàn quay 1, bích bàn quay 2, bích mâm cặp, bích gá động cơ trục A, cử chặn ổ lăn trục C. Tính chọn động cơ bước 5 pha Vexta PK596BE và EM569-NB; lựa chọn ổ bi đỡ trục A (SKF 6303) và cặp ổ đũa côn đỡ bàn quay trục C (SKF 32004 X/Q). Tiến hành phân tích độ bền tĩnh (FEA) trên Inventor cho các chi tiết chịu lực: phần thân đỡ trục A, phần trục của bích bàn quay 2, và kiểm bền 4 bu-lông lục giác M8 liên kết cụm động cơ - hộp số trục A.

Chương 6: Gia công

Liệt kê danh mục chi tiết cần chế tạo và thể hiện quy trình công nghệ gia công thực tế tại xưởng: tiện thô và tiện tinh bích bàn quay 1 và bích bàn quay 2; gia công mài bóng các bề mặt lắp ghép ổ lăn; phay mặt bên thân cụm 1 và mặt bên thân cụm 2 trên máy phay. Tiến hành lắp ráp cơ khí cụm bàn quay, lắp bộ truyền đai, gá đặt hộp số, định vị ổ lăn và ráp nối cụm trục thứ 5 hoàn chỉnh lên bàn máy của hệ thống CNC 4 trục.

Chương 7: Thực nghiệm - Đánh giá

Trình bày quy trình lắp ráp hoàn chỉnh cụm cơ khí lên bàn máy và kết nối dây dẫn về tủ điều khiển. Sử dụng đồng hồ so đo kiểm để căn chuẩn độ song song của trục A với mặt bàn máy và rà chuẩn tâm xoay của phôi. Thực hiện nạp mã lệnh G-code vào phần mềm Mach3 để gia công thực nghiệm chi tiết bánh răng côn xoắn trên phôi hợp kim nhôm. Đánh giá chất lượng bề mặt, độ chính xác hình học biên dạng và sai số kích thước sau gia công.

Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ theo đề cương: chế tạo thành công cụm trục thứ 5, lắp ráp hoàn chỉnh hệ thống điện điều khiển công nghiệp, gia công được chi tiết mẫu. Đồng thời, chỉ rõ các hạn chế cơ học còn tồn đọng và đề xuất các hướng cải tiến tiếp theo cho hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả chế tạo và thực nghiệm cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh cụm cơ khí trục thứ 5: Cụm máy sau khi gia công, lắp ráp hoàn chỉnh có kích thước bao $812 \times 225 \times 211$ mm, lắp đặt chắc chắn trên bàn máy của hệ thống CNC 4 trục cũ.
• Hoàn thiện tủ điều khiển công nghiệp: Chế tạo vỏ tủ điện thép sơn tĩnh điện kích thước $800 \times 1000 \times 300$ mm; tích hợp hệ thống thiết bị gồm biến tần Yaskawa V1000, biến áp cách ly Toyozumi, bộ nguồn xung 24V-10A, các driver Vexta UDX5128, UDK5114VN, UDK5114MN và board Mach3 5 trục; các cụm dây dẫn, khí cụ điện và contactor được bố trí ngăn nắp trên ray nhôm, bảo đảm an toàn điện.
• Kết quả gia công thực nghiệm: Máy vận hành ổn định, phối hợp chuyển động giữa các trục tịnh tiến và trục xoay; gia công cắt gọt thành công chi tiết thực nghiệm có biên dạng côn xoắn trên vật liệu nhôm và kim loại màu; văn bản nêu rõ sản phẩm đạt độ chính xác hình học cao và sai số kích thước đạt mức 0.
• Đóng góp của đề tài: Tự chủ quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo một mô hình cụm trục thứ 5 với kinh phí thấp; đề xuất giải pháp tận dụng máy phay CNC 4 trục sẵn có tại trường để nâng cấp thành máy 5 trục phục vụ giảng dạy, học tập và nghiên cứu cơ điện tử; giải quyết bài toán chống rung và triệt tiêu độ rơ trong truyền động trục quay bằng giải pháp kết hợp hộp số sóng và truyền động gián tiếp ngoài bàn máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản đồ án thẳng thắn chỉ rõ 3 hạn chế kỹ thuật của sản phẩm chế tạo:

1. Cụm trục thứ 5 chưa có vỏ bảo vệ (cover) che chắn cho bộ truyền đai, hộp số và động cơ bước, dẫn đến nguy cơ bám phoi cắt và dung dịch bôi trơn làm mát trong quá trình gia công.
2. Quy trình thiết lập (set-up) và căn chỉnh gốc tọa độ của cụm 5 trên bàn máy còn mang tính thủ công, thao tác rà gá phức tạp và tốn nhiều thời gian chuẩn bị.
3. Cơ cấu kẹp chặt phôi hiện tại mới chỉ tích hợp được mâm cặp 3 chấu chuyên dụng; chưa có cơ cấu thay đổi đồ gá nhanh và linh hoạt cho nhiều hình dạng phôi khác nhau như các trung tâm gia công công nghiệp.

Hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

• Thiết kế bổ sung hệ thống vỏ che (cover) kín khít cho các cơ cấu truyền động đai, hộp số và động cơ để đáp ứng điều kiện tưới nguội công nghiệp.
• Cải tiến và tối ưu hóa quy trình căn chỉnh gá đặt cụm trục thứ 5, nghiên cứu cơ cấu định vị nhanh để rút ngắn thời gian chuẩn bị máy.
• Phát triển hệ thống đồ gá kẹp chặt đa năng, linh hoạt thay đổi cơ cấu định vị phôi; tiếp tục nâng cấp hệ thống điều khiển đáp ứng các chuẩn công nghiệp cao hơn cho máy 5 trục hoặc 6 trục.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thực nghiệm phù hợp cho sinh viên, học viên và giảng viên các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí:

• Về thiết kế cơ khí: Cung cấp đầy đủ quy trình tính toán lực cắt, phương pháp lựa chọn mâm cặp, tính chọn ổ lăn đỡ (ổ bi SKF 6303 và ổ đũa côn SKF 32004 X/Q), cùng quy trình kiểm nghiệm ứng suất tĩnh trên Autodesk Inventor 2015 cho các kết cấu trục xoay cơ điện tử.
• Về thiết kế hệ thống điện và điều khiển: Là tài liệu tham khảo trực quan về sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển máy CNC cỡ nhỏ sử dụng biến áp cách ly Toyozumi, biến tần Yaskawa V1000 và các dòng driver chuyên dụng của Vexta ghép nối với board mạch Mach3 qua cổng LPT.
• Về đào tạo thực hành: Cung cấp mô hình thiết bị trực quan phục vụ công tác giảng dạy nguyên lý máy CNC nhiều trục, giúp người học tiếp cận trực tiếp cấu trúc trục xoay A/C và phương pháp rà gá chuẩn bị phôi bằng đồng hồ so.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn cấu hình máy dạng Bàn/Bàn thay vì dạng Đầu/Đầu hay Đầu/Bàn?
Cấu hình Bàn/Bàn được lựa chọn vì tận dụng được không gian làm việc rộng rãi theo phương X của máy 4 trục cũ mà không cần can thiệp hay thay đổi kết cấu cụm đầu dao trục Z. Đồng thời, cấu hình này có kết cấu cơ khí thông dụng, chi phí chế tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, và thuận tiện trong việc gá đặt hoặc tháo rời khỏi bàn máy khi cần bảo trì.

2. Trục C được thiết kế truyền động theo phương án nào để tránh va chạm trong quá trình gia công?
Trục C sử dụng phương án truyền động gián tiếp bằng đai với động cơ bước được đặt nằm bên ngoài bàn quay. Thiết kế này giải quyết triệt để nguy cơ va chạm giữa đầu dao (spindle) và động cơ (do cự ly từ đầu dao đến mâm cặp chỉ có 20 cm), đồng thời giúp việc che chắn chống thấm nước khi tưới nguội dung dịch cắt gọt trở nên dễ dàng hơn.

3. Tủ điện điều khiển mới được trang bị những thiết bị chính nào và có quy cách ra sao?
Tủ điện mới có vỏ bằng thép tấm sơn tĩnh điện dày 1 mm, kích thước $800 \times 1000 \times 300$ mm, cấp bảo vệ IP 43 - IP 55. Các thiết bị chính gồm: biến áp cách ly Toyozumi (vào 200/220/240V, ra 100/110/120V), mạch nguồn xung DC 24V-10A, biến tần Yaskawa V1000 (3 pha 200-240V, 0-400Hz), driver Vexta UDX5128 (cho trục X, Y, Z), driver Vexta UDK5114VN (cho trục A), driver UDK5114MN (cho trục C) và board điều khiển Mach3 5 trục kết nối cổng LPT.

4. Giải pháp nào được phân tích nhằm loại bỏ hiện tượng trượt bước và khử rơ cho cụm trục quay?
Nhóm nghiên cứu phân tích việc sử dụng các hộp số chuyên dụng không có độ rơ hoạt động theo nguyên lý ăn khớp dạng sóng (Strain Wave Gear) gồm khối tạo sóng, vành răng đàn hồi và vành răng hành tinh (điển hình là hộp số Harmonic Drive và hộp số Ball Reducer BR100 của hãng Kamo Seiko). Cơ cấu này vừa nhân mômen xoắn để ngăn hiện tượng trượt bước của động cơ bước, vừa triệt tiêu khe hở ăn khớp răng so với hộp số bánh răng thông thường.

5. Sản phẩm cơ khí sau chế tạo có kích thước bao nhiêu và đã kiểm nghiệm gia công chi tiết nào?
Cụm trục thứ 5 hoàn thiện có kích thước thực tế là $812 \times 225 \times 211$ mm. Hệ thống đã được kiểm nghiệm thực tế bằng việc gia công thành công sản phẩm bánh răng có biên dạng côn xoắn trên phôi vật liệu hợp kim nhôm, bảo đảm độ chính xác hình học và sai số kích thước đạt mức 0.

Kết luận

Đồ án đã thực hiện trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công cụm trục thứ 5 dạng Bàn/Bàn kích thước $812 \times 225 \times 211$ mm tích hợp hoàn chỉnh lên máy phay CNC 4 trục sẵn có. Song song với phần cơ khí, hệ thống điều khiển điện được chuẩn hóa toàn diện trong tủ điện công nghiệp kích thước $800 \times 1000 \times 300$ mm sử dụng biến tần Yaskawa, biến áp Toyozumi, driver Vexta và phần mềm Mach3. Kết quả thực nghiệm gia công chi tiết côn xoắn trên vật liệu nhôm đã chứng minh tính ổn định, độ cứng vững và khả năng công nghệ của hệ thống, mang lại giá trị ứng dụng thiết thực phục vụ công tác giảng dạy kỹ thuật và nghiên cứu thực nghiệm cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC. PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC. ĐẶNG MINH PHỤNG SVTH : NGUYỄN LÊ QUANG NHẬT MSSV:12143516 VÕ VĂN MẠNH 12143426 TRẦN THANH LỘC 12143335 SKL 0 0 4 6 9 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2016 do an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.

HỒ CHÍ MINH  KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC. PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC. SVTH : NGUYỄN LÊ QUANG NHẬT MSSV:12143516 VÕ VĂN MẠNH 12143426 TRẦN THANH LỘC 12143335 Khóa : 2012-2016 Ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY GVHD: ThS. ĐẶNG MINH PHỤNG Tp.

Hồ Chí Minh - tháng 8 năm 2016 1 do an Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Đặng Minh Phụng Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật MSSV: 12143516 2. Trần Thanh Lộc MSSV: 12143335 3.

Võ Văn Mạnh MSSV: 12143426 Ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy 1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC, PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC. Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Kích thƣớc máy: 862 x 912 x 1037 mm - Hành trình gia công: Trục X 400 mm, Trục Y 320 mm, Trục Z 300 mm - Phạm vi ứng dụng: gia công gỗ, vật liệu nhôm và kim loại màu… 3. Nội dung thuyết minh, tính toán:  Tổng quan về máy CNC 4,5 trục  Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan.

 Ý tƣởng và giải pháp phát triển hoàn thiện thiết kế các cụm để tăng tính ổn định phần hệ thống, kết cấu phần cơ khí.  Thiết kế, tính toán cụm trục thứ 5.  Kết luận và đề nghị. Các sản phẩm dự kiến: - Thuyết minh, thiết kế tính toán máy phay CNC 5 trục.

Hồ sơ thiết kế, chế tạo hệ thống điện máy phay CNC 4 trục. Hồ sơ thiết kế máy cụm trục thứ 5: bản vẽ chi tiết, bản vẽ lắp từng cụm, lắp toàn máy. - Mô hình máy CNC 4 trục phát triển Ký tên ThS. Đặng Minh Phụng ii do an Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Giáo viên hƣớng dẫn: ThS.

Đặng Minh Phụng Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật MSSV: 12143516 2. Trần Thanh Lộc MSSV: 12143335 3. Võ Văn Mạnh MSSV: 12143426 Nghành: Công Nghệ Chế Tạo Máy Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CỤM TRỤC THỨ 5 TRÊN MÁY CNC 4 TRỤC, PHÁT TRIỂN HOÀN THIỆN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC.

Về nội dung đề t i khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ng y… tháng … năm 20… Giáo viên hƣớng dẫn ThS.

Đặng Minh Phụng iii do an Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc PHIẾU NHẬN X T CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Giáo viên phản biện: PGS.TS Trƣơng Nguyễn Luân Vũ Họ và tên sinh viên: 1. Nguyễn Lê Quang Nhật MSSV: 12143516 2. Trần Thanh Lộc MSSV: 12143335 3.