Đồ án nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất

Đồ án nghiên cứu hcmute nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Nguyễn Trần Bá Thiên
• Người hướng dẫn: Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM KẾT
• DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 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. Tình hình chạm khắc đồ gỗ hiện nay
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 2.1. Khái quát về máy cnc
• 2.2. Chọn cơ cấu dẫn động cho các trục
• 2.2.1. Sử dụng động cơ bước
• 3. CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY
• 4. CHƯƠNG 4: HOÀN THÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHỨC NĂNG HỖ TRỢ GIA CÔNG
• 5. CHƯƠNG 5: GIA CÔNG THỬ NGHIỆM NHIỀU CHẾ ĐỘ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục 1: Cách sử dụng phần mềm jdpaint
• Phụ lục 2: Cách Sử Dụng Phần Mềm Artcam
• Phụ lục 3: Cài đặt các thông số ban đầu của máy trong phần mềm Mach 3

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy phay gỗ CNC

Máy phay gỗ CNC là một thiết bị công nghệ cao, sử dụng công nghệ CNC để gia công các sản phẩm từ gỗ với độ chính xác cao. Sự phát triển của máy phay gỗ CNC đã giúp nâng cao năng suất sản xuất, giảm thiểu thời gian gia công và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Theo nghiên cứu, khoảng 90% sản phẩm gỗ hiện nay đều sử dụng máy CNC thay cho phương pháp thủ công truyền thống. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc áp dụng công nghệ CNC trong sản xuất gỗ đã mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Nhu cầu về sản phẩm gỗ ngày càng tăng cao, trong khi đó, các phương pháp sản xuất truyền thống không thể đáp ứng kịp thời. Việc nghiên cứu và hoàn thiện máy phay gỗ CNC là cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Đề tài này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo tồn và phát triển nghề thủ công mỹ nghệ truyền thống của Việt Nam.

II. Cải tiến máy CNC

Cải tiến máy CNC là một trong những yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất. Việc tối ưu hóa thiết kế và cải thiện các bộ phận của máy sẽ giúp tăng cường khả năng gia công và giảm thiểu lãng phí. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc cải tiến máy phay gỗ CNC có thể giúp giảm thiểu tiếng ồn và bụi trong quá trình gia công, từ đó nâng cao môi trường làm việc cho công nhân. Hệ thống điều khiển và phần mềm cũng cần được cập nhật để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường.

2.1. Nâng cao năng suất máy CNC

Nâng cao năng suất của máy phay gỗ CNC có thể đạt được thông qua việc sử dụng động cơ bước và các công nghệ điều khiển hiện đại. Việc áp dụng các phương pháp điều khiển như điều khiển cả bước, nửa bước và vi bước sẽ giúp tối ưu hóa quá trình gia công. Điều này không chỉ giúp tăng tốc độ gia công mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong từng sản phẩm.

III. Ứng dụng CNC trong sản xuất

Ứng dụng CNC trong sản xuất gỗ đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực. Các sản phẩm được gia công bằng máy phay gỗ CNC không chỉ đạt độ chính xác cao mà còn có tính đồng nhất trong sản xuất. Điều này giúp giảm thiểu tỷ lệ sản phẩm lỗi và tăng cường sự hài lòng của khách hàng. Hơn nữa, việc sử dụng máy CNC còn giúp tiết kiệm chi phí nhân công và thời gian sản xuất, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp trên thị trường.

3.1. Tối ưu hóa sản xuất

Tối ưu hóa quy trình sản xuất bằng cách áp dụng công nghệ CNC sẽ giúp doanh nghiệp giảm thiểu lãng phí và tăng cường hiệu quả. Việc lập trình và điều khiển máy phay gỗ CNC một cách chính xác sẽ giúp sản xuất ra các sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhanh chóng nhu cầu của thị trường. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần nâng cao giá trị thương hiệu của doanh nghiệp.

IV. Kết luận

Nghiên cứu và hoàn thiện máy phay gỗ CNC là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất trong ngành chế biến gỗ. Việc áp dụng công nghệ CNC không chỉ giúp tăng năng suất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm. Đề tài này không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn có giá trị thực tiễn cao, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến gỗ tại Việt Nam.

4.1. Định hướng phát triển

Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển máy phay gỗ CNC với nhiều tính năng mới, nhằm đáp ứng tốt hơn nhu cầu của thị trường. Việc cải tiến công nghệ và nâng cao trình độ tay nghề của công nhân sẽ là yếu tố quyết định để nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Nghề thủ công mỹ nghệ và chạm khắc gỗ truyền thống tại Việt Nam giữ vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm văn hóa, đồ nội thất và quà lưu niệm phục vụ nhu cầu trong nước cũng như xuất khẩu. Tuy nhiên, phương thức sản xuất thủ công truyền thống chủ yếu dựa vào tay nghề của thợ đục, sử dụng các dụng cụ thô sơ như chàng, tách, đục các loại, dẫn đến năng suất lao động thấp, thời gian gia công kéo dài, độ chính xác không đồng đều và tỷ lệ sản phẩm lỗi cao khi xử lý các chi tiết 3D phức tạp. Nhu cầu ứng dụng máy điều khiển số (CNC) vào sản xuất đồ gỗ mỹ nghệ ngày càng gia tăng. Dù vậy, các dòng máy CNC nhập khẩu từ Đức, Nhật Bản hay Trung Quốc có chi phí đầu tư rất lớn và gặp nhiều trở ngại trong công tác bảo trì, sửa chữa tại các cơ sở vừa và nhỏ.

Trước thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM nhằm thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một hệ thống máy phay CNC 3 trục có giá thành hợp lý, kết cấu vững chắc và độ chính xác đáp ứng yêu cầu sản xuất thực tế.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

1. Hoàn thiện kết cấu phần cơ khí của máy phay gỗ CNC.
2. Hoàn thiện hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công.
3. Gia công thử nghiệm máy với nhiều chế độ cắt để đánh giá độ ổn định.
4. Hoàn thiện giao diện điều khiển và các thiết lập thông số vận hành.
5. Lập trình, điều khiển máy CNC để gia công ra sản phẩm hoàn chỉnh đạt độ chính xác theo yêu cầu kỹ thuật.

• Đối tượng nghiên cứu: Máy phay khắc gỗ điều khiển số (CNC Router) 3 trục (X, Y, Z), bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống truyền động vít me bi - thanh trượt bi, động cơ bước, trục chính spindle làm mát bằng nước và hệ thống điều khiển số dựa trên phần mềm Mach3.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Không gian: Đề tài được triển khai thiết kế, chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm tại Xưởng thực hành Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • Thời gian thực hiện: Khóa học 2013 – 2017, hoàn thành và nghiệm thu vào tháng 07/2017.
  • Phạm vi kỹ thuật và kích thước: Tập trung giải quyết bài toán gia công phay, khắc gỗ tấm với kích thước phôi mục tiêu ban đầu là $400 \times 400 \times 20\text{ mm}$ trên các vật liệu thực nghiệm gồm mica, gỗ mềm và các loại gỗ cứng dùng trong sản xuất bàn ghế, tủ thờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp đồng thời nền tảng lý thuyết cơ học chế tạo máy, lý thuyết điều khiển số và phương pháp mô phỏng số hiện đại:

• Khung lý thuyết và mô hình tính toán:

  • Lý thuyết máy CNC và chuyển động cắt gọt: Khái niệm hệ thống điều khiển số máy tính (Computer Numerical Control), phân loại máy công cụ CNC theo phương pháp gia công và chuyển động tạo hình.
  • Lý thuyết điều khiển động cơ bước: Nguyên lý phân phối xung cho động cơ bước theo các phương pháp điều khiển cả bước (Full-step), nửa bước (Half-step) và vi bước (Microstep).
  • Mô hình tính toán động lực học truyền động: Tính toán lực cắt tiếp tuyến tới hạn $P_z$ dựa trên vận tốc cắt $v$, chiều sâu cắt $t$, lượng chạy dao răng $s_z$, chiều rộng phay $B$ và đường kính dao $D$; tính toán công suất cắt $N_c$; tính lực cản ma sát lăn trên thanh dẫn hướng bi và mô-men xoắn yêu cầu trên trục vít me bi ($T$).
  • Lý thuyết sức bền và phương pháp phần tử hữu hạn (FEA): Đánh giá trạng thái ứng suất tương đương ($\sigma$) và độ võng/chuyển vị ($\Delta$) của các kết cấu chịu lực dưới tác dụng của trọng trường và ngoại lực cắt.

• Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp nghiên cứu thực địa và khảo sát nhu cầu: Khảo sát các cơ sở sản xuất đồ gỗ mỹ nghệ để xác định yêu cầu công nghệ, kích thước phôi gia công phổ biến và đặc tính của vật liệu gỗ.
  • Phương pháp thiết kế mô hình 3D: Thiết kế toàn bộ kết cấu cụm chi tiết và mô hình tổng thể máy trên phần mềm SolidWorks, trích xuất dữ liệu khối lượng các trục ($m_x, m_y, m_z$).
  • Phương pháp mô phỏng số kiểm bền (FEA): Ứng dụng mô-đun Simulation trong phần mềm SolidWorks để đặt tải trọng, gán điều kiện biên cố định (Fix) và phân tích ứng suất tĩnh cùng chuyển vị biến dạng của khung đế, vai trục Y, vai trục X và giá đỡ spindle.
  • Phương pháp chế tạo, gia công cơ khí: Gia công các chi tiết kết cấu định hình trên máy phay cơ và máy phay CNC; chế tạo tủ điện điều khiển và lắp ráp hoàn thiện máy.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Chạy thử nghiệm máy ở các dải vận tốc, gia tốc tiến bàn và chiều sâu cắt khác nhau; gia công mẫu hình học chuẩn trên mica để đo sai số kích thước và gia công mẫu tranh 3D trên gỗ để kiểm tra độ mịn bề mặt.

• Nguồn dữ liệu:

  • Công thức tra cứu lực cắt và hệ số vật liệu từ Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy.
  • Thông số khối lượng và đặc tính hình học trích xuất trực tiếp từ mô hình 3D trong phần mềm SolidWorks.
  • Số liệu thực nghiệm đo đạc độ chính xác kích thước bằng thước cặp cơ khí sau khi gia công phôi thử nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy phay gỗ điều khiển số được thiết kế và chế tạo bao gồm ba phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí, hệ thống điện - truyền động và hệ thống điều khiển số.

Kết cấu cơ khí và truyền động

Cụm kết cấu	Quy cách vật liệu / Kích thước chi tiết	Thông số kỹ thuật / Cơ cấu truyền động
Khung đế máy	Thép hộp $75 \times 75\text{ mm}$, $40 \times 40\text{ mm}$, thép tấm dày $8\text{ mm}$	Kích thước bao tổng thể: $1360 \times 965 \times 1087\text{ mm}$
Bàn máy	Nhôm định hình $80 \times 40\text{ mm}$, dài $1200\text{ mm}$ ghép nối	Kích thước mặt bàn: $1055 \times 766\text{ mm}$; hành trình: $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$
Truyền động trục X	Gá đỡ bằng 2 tấm thép $380 \times 220 \times 15\text{ mm}$ phay CNC	Vít me bi $\phi25\text{ mm}$, bước $5\text{ mm}$, dài $1200\text{ mm}$; thanh trượt bi vuông
Truyền động trục Y	Gá đỡ thép tấm liên kết đế con trượt	Vít me bi $\phi25\text{ mm}$, bước $5\text{ mm}$, dài $810\text{ mm}$; thanh trượt bi vuông
Truyền động trục Z	Gá đỡ 1 (thép $240 \times 380 \times 8\text{ mm}$), Gá đỡ 2 (nhôm $260 \times 220 \times 12\text{ mm}$)	Vít me bi $\phi20\text{ mm}$, bước $5\text{ mm}$, dài $420\text{ mm}$; thanh trượt bi vuông
Gá đỡ Spindle	Nhôm định hình $600 \times 110 \times 30\text{ mm}$ (gia công chuyên dụng)	Liên kết với cụm trượt trục Z bằng 4 bu lông siết chặt

Hệ thống điện, động cơ và trục chính

• Động cơ bước và Driver: Động cơ bước có tốc độ định mức $3000\text{ rpm}$, encoder phản hồi $8192\text{ ppr}$, mô-men xoắn giữ $0.64\text{ Nm}$; kết hợp với Driver điều khiển động cơ bước DMA860H.
• Trục chính (Spindle): Spindle công suất $1.5\text{ kW}$, tốc độ quay tối đa $24000\text{ rpm}$, điện áp 3 pha 220V lấy từ biến tần, dòng điện danh định 5A, tần số hoạt động $400\text{ Hz}$, sử dụng vòng bi đỡ C7002, đầu kẹp dao tiêu chuẩn ER11-A, độ chính xác chuyển động quay $0.02\text{ mm}$, khối lượng $3\text{ kg}$.
• Biến tần: Biến tần Sunfar E300 điều khiển vô cấp tốc độ quay của spindle.
• Mạch nguồn xung: Nhận nguồn điện lưới xoay chiều AC 110V–240V (50/60Hz), chỉnh lưu và chuyển đổi qua biến áp xung tần số cao ($20\text{–}200\text{ kHz}$) tạo điện áp một chiều DC 24V, dòng tải 8A có mạch hồi tiếp ổn áp cấp nguồn cho các mạch điều khiển và thiết bị ngoại vi.
• Hệ thống làm mát Spindle: Sử dụng két nước giải nhiệt lá nhôm của xe máy kết hợp quạt hút gió cưỡng bức để tản nhiệt tuần hoàn cho dòng nước làm mát trục chính; bố trí máng xích nhựa kích thước trong $25 \times 75\text{ mm}$ dài $1000\text{ mm}$ để dẫn đường ống nước và dây tín hiệu.
• Dụng cụ cắt: Dao khắc 3D hợp kim cứng YG10X (V-Shaped Flat Bottom Cutters, thép cacbua vonfram).

Hệ thống điều khiển và phần mềm

Hệ thống sử dụng máy tính cài đặt phần mềm Mach3 của hãng ArtSoft trên hệ điều hành Windows. Tín hiệu điều khiển được xuất qua cổng máy in song song LPT DB25 (25 chân) kết nối với mạch đệm giao tiếp Mach3:

• 8 chân dữ liệu xuất (D0–D7, chân 2 đến 9): Phát xung Step và tín hiệu Direction điều khiển các Driver động cơ bước trục X, Y, Z.
• 5 chân tín hiệu vào (S3–S7, chân 10 đến 13, chân 15): Tiếp nhận tín hiệu từ các công tắc hành trình giới hạn (Limit Switch), công tắc gốc tọa độ (Home Switch) và nút dừng khẩn cấp (Estop).
• 4 chân điều khiển xuất (C0–C3, chân 1, 14, 16, 17): Điều khiển bật/tắt biến tần và các thiết bị phụ trợ.
• Chân nối đất chung (Ground): Các chân từ 18 đến 25.
• Phần mềm CAD/CAM hỗ trợ: JDPaint và ArtCAM được sử dụng để thiết kế mẫu mỹ nghệ 3D, tính toán đường chạy dao và xuất chương trình mã lệnh G-code nạp vào Mach3.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 phân tích bối cảnh phát triển của công nghệ tự động hóa và vị trí của máy điều khiển số CNC trong sản xuất cơ khí chính xác. Tác giả trình bày thực trạng nghề chạm khắc gỗ thủ công truyền thống tại Việt Nam, nêu bật nhu cầu thị trường đối với đồ gỗ mỹ nghệ, tranh phù điêu và nội thất. Chương này làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu, tự chế tạo máy phay gỗ CNC nhằm tăng năng suất, giảm giá thành đầu tư so với máy nhập khẩu, đồng thời xác lập mục tiêu và ý nghĩa thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Phương án thực hiện đề tài

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về phân loại máy CNC, các phương pháp điều khiển động cơ bước (cả bước, nửa bước, vi bước) và nguyên lý hoạt động của bộ truyền vít me - đai ốc bi, thanh trượt dẫn hướng bi. Tác giả tính toán công suất và tải trọng động cơ cho từng trục dựa trên mô hình 3D trong SolidWorks:

• Trọng lượng cụm trục X: $m_x = 342\text{ N}$.
• Trọng lượng cụm trục Y: $m_y = 1067\text{ N}$.
• Trọng lượng cụm trục Z: $m_z = 253\text{ N}$.
• Lực cắt tới hạn tính toán: $P_z = 93.36\text{ N}$ (vận tốc cắt $v = 754\text{ m/ph}$, chiều sâu cắt $t = 4\text{ mm}$, lượng chạy dao răng $s_z = 0.05\text{ mm/r}$, chiều rộng phay $B = 10\text{ mm}$, đường kính dao $D = 10\text{ mm}$).
• Công suất cắt tính toán: $N_c = 1.4\text{ kW}$, từ đó lựa chọn spindle công suất $1.5\text{ kW}$ tốc độ $24000\text{ rpm}$.
• Mô-men xoắn cần thiết trên trục vít me X: $T = 14.68\text{ N}\cdot\text{cm}$.

Chương 3: Hoàn thiện phần kết cấu cơ khí của máy

Chương 3 tập trung vào thiết kế chi tiết kết cấu cơ khí và kiểm nghiệm độ bền bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEA) trên phần mềm SolidWorks Simulation với hệ số an toàn bằng 3 (lực cắt tính toán $P_z \approx 300\text{ N}$):

• Khung đế máy và vai trục Y: Chịu tải trọng trọng lượng $P = 1066 + 300 = 1366\text{ N}$ và lực trục Y $P_{ty} = 125.37\text{ N}$. Ứng suất tương đương lớn nhất đạt $5.05\text{ MPa}$ (nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép $[\sigma] = 250\text{ MPa}$), chuyển vị lớn nhất đạt $0.035\text{ mm}$.
• Vai trục X và thanh truyền động trục Y: Lực tác dụng $P_{tx} = 103.62\text{ N}$. Ứng suất tương đương lớn nhất đạt $8.607\text{ MPa}$, chuyển vị lớn nhất đạt $0.033\text{ mm}$.
• Giá đỡ Spindle: Chịu phản lực cắt $P_z = 100.95\text{ N}$. Ứng suất tương đương lớn nhất đạt $0.2135\text{ MPa}$, chuyển vị lớn nhất là $0.00075\text{ mm}$.

Chương này cũng mô tả việc chế tạo thực tế khung đế từ thép hộp, lắp đặt mặt bàn nhôm định hình $80 \times 40\text{ mm}$, giá đỡ trục X bằng thép tấm $15\text{ mm}$, giá đỡ trục Z và bố trí hệ thống giải nhiệt nước dùng két nhôm xe máy cùng máng xích nhựa dẫn cáp.

Chương 4: Hoàn thành hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công

Chương 4 trình bày cấu trúc phần cứng và sơ đồ kết nối điện điều khiển của hệ thống. Tác giả phân tích sơ đồ 25 chân của cổng LPT, các bảng hiệu chỉnh cấu hình Ports and Pins trong phần mềm Mach3, sơ đồ ghép nối giữa bo mạch giao tiếp Mach3 với các bộ Driver động cơ bước DMA860H, sơ đồ điều khiển tần số với biến tần Sunfar E300, cùng việc lắp đặt hoàn chỉnh tủ điện, công tắc hành trình các trục X/Y/Z và nút dừng khẩn cấp Estop.

Chương 5: Gia công thử nghiệm nhiều chế độ đánh giá độ ổn định

Chương 5 ghi lại kết quả thực nghiệm cắt gọt trên máy đã hoàn thiện qua ba giai đoạn:

1. Gia công thử nghiệm trên phôi mica chi tiết đường tròn bán kính $r = 20\text{ mm}$ để đo đạc và kiểm tra sai số hình học, sai lệch kích thước.
2. Gia công thử nghiệm trên các loại gỗ mềm nhằm hiệu chỉnh thông số vận tốc, gia tốc tiến bàn và chiều sâu cắt.
3. Gia công thử nghiệm trên các loại gỗ cứng dùng làm bàn ghế, tủ thờ với sản phẩm điêu khắc tranh 3D hình con ngựa từ dữ liệu ảnh raster BMP thông qua lập trình đường dao trên JDPaint/ArtCAM.

Chương 6: Kết luận

Chương 6 tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được về mặt chế tạo phần cứng, độ chính xác gia công, đồng thời thẳng thắn chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất phương hướng phát triển tiếp theo cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

• Kết quả kỹ thuật chính:

  • Chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh một máy phay khắc gỗ CNC 3 trục có kích thước tổng thể $1360 \times 965 \times 1087\text{ mm}$, kích thước bàn máy $1055 \times 766\text{ mm}$, hành trình làm việc hữu ích đạt $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$.
  • Máy có khả năng cắt khắc gỗ với chiều sâu cắt đạt $5\text{ mm}$ cho mỗi lượt gia công.
  • Kết quả gia công kiểm tra chi tiết mẫu hình học trên mica chứng minh độ chính xác làm việc của máy đạt sai lệch kích thước trong giới hạn $0.05\text{ mm}$.
  • Trục chính $1.5\text{ kW}$ vận hành ổn định ở dải tốc độ cao lên đến $24000\text{ rpm}$ nhờ hệ thống tản nhiệt nước cưỡng bức hiệu quả.
  • Xây dựng đầy đủ hồ sơ thiết kế kỹ thuật gồm: Bản vẽ lắp tổng thể máy, bản vẽ lắp cụm chi tiết, bản vẽ chi tiết các tấm gá đỡ, bản vẽ sơ đồ hệ thống điện và tài liệu hướng dẫn vận hành máy.

• Đóng góp của đề tài:

  • Chứng minh tính khả thi của việc tự thiết kế, tính toán kiểm nghiệm độ bền tĩnh (FEA) và chế tạo máy CNC điêu khắc gỗ quy mô nhỏ với chi phí hợp lý.
  • Làm chủ quy trình tích hợp hệ thống điều khiển số sử dụng máy tính cá nhân qua cổng LPT, phần mềm Mach3 và các bộ điều khiển động cơ bước công nghiệp, tạo tiền đề ứng dụng trực tiếp vào sản xuất tại các xưởng mộc địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế được văn bản nêu rõ:

  • Quá trình gia công phát ra tiếng ồn tương đối lớn và phát sinh nhiều bụi gỗ, mùn cưa ra môi trường xung quanh do chưa có buồng cách âm và hệ thống hút bụi.
  • Máy chỉ hoạt động với 3 trục tịnh tiến (X, Y, Z), chưa hỗ trợ gia công các bề mặt tròn xoay hoặc chi tiết không gian đa hướng.
  • Do hạn chế về mặt kinh phí, hệ thống hiện tại mới chỉ lắp đặt và vận hành được 1 đầu dao (spindle) duy nhất, chưa đạt được mục tiêu thiết kế ban đầu là sử dụng 2 đầu dao đồng thời để nhân đôi năng suất.

• Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Nghiên cứu thiết kế và lắp đặt bổ sung hệ thống hút bụi công nghiệp chuyên dụng cho máy CNC để thu hồi mùn cưa, cải thiện điều kiện an toàn và vệ sinh lao động.
  • Cải tiến kết cấu cơ khí nhằm giảm thiểu tiếng ồn và chống rung động khi cắt ở tốc độ cao.
  • Nâng cấp phần cứng và bộ điều khiển để mở rộng thêm các trục gia công (trục xoay 4 trục, 5 trục).
  • Bổ sung kinh phí để lắp đặt hệ thống nhiều đầu dao (nhiều spindle) chạy song song nhằm tăng năng suất gia công hàng loạt.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình tính toán lực cắt, thiết kế cụm truyền động vít me bi - thanh trượt bi, mô phỏng kiểm bền FEA trên SolidWorks và sơ đồ đấu nối mạch điều khiển Mach3 qua cổng LPT.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên chế tạo máy CNC tự chế: Tham khảo thông số tính toán thực tế của động cơ bước, biến tần Sunfar E300, giải pháp tản nhiệt spindle bằng két nước xe máy và cách cài đặt bảng tín hiệu chân LPT trên phần mềm Mach3.
• Cơ sở sản xuất đồ gỗ mỹ nghệ vừa và nhỏ: Nắm bắt quy trình chuyển đổi số từ file ảnh (BMP) sang dữ liệu chạm khắc 3D trên phần mềm JDPaint, ArtCAM và vận hành máy phay gỗ CNC.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hành trình làm việc thực tế của máy phay gỗ CNC này là bao nhiêu?
Máy có kích thước bao tổng thể là $1360 \times 965 \times 1087\text{ mm}$, kích thước bàn máy là $1055 \times 766\text{ mm}$ và hành trình làm việc hữu ích của ba trục X, Y, Z đạt $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$.

2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn trục X để tính toán chọn động cơ cho cả ba trục?
Qua kết quả tính toán động lực học dựa trên mô hình 3D trong SolidWorks, lực cực đại sinh ra khi vận hành thuộc về cụm trục X. Do đó, việc lấy thông số tải trọng và mô-men xoắn yêu cầu của trục X làm chuẩn giúp đảm bảo động cơ bước đáp ứng dư tải an toàn cho cả ba trục truyền động.

3. Kết quả kiểm nghiệm ứng suất và chuyển vị của khung đế máy và vai trục Y đạt giá trị như thế nào?
Dưới tải trọng tác dụng $1366\text{ N}$ và lực trục Y $125.37\text{ N}$, mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) trên SolidWorks cho thấy ứng suất tương đương lớn nhất là $5.05\text{ MPa}$ (thấp hơn nhiều so với ứng suất cho phép $250\text{ MPa}$) và chuyển vị lớn nhất là $0.035\text{ mm}$, nhỏ hơn độ chính xác yêu cầu $0.05\text{ mm}$.

4. Giải pháp giải nhiệt cho động cơ trục chính (Spindle) 1.5 kW được thiết kế như thế nào?
Để ngăn hiện tượng quá nhiệt khi spindle hoạt động liên tục ở tốc độ $24000\text{ rpm}$, hệ thống sử dụng két nước tản nhiệt lá nhôm của xe máy kết hợp quạt hút gió cưỡng bức để làm mát dòng nước tuần hoàn, đồng thời bố trí máng xích nhựa $25 \times 75\text{ mm}$ để dẫn đường ống an toàn.

5. Đồ án sử dụng các phần mềm nào để phục vụ thiết kế mẫu, lập trình đường dao và điều khiển máy?
Đồ án sử dụng SolidWorks để thiết kế mô hình 3D và mô phỏng kiểm bền FEA, JDPaint và ArtCAM để thiết kế mẫu phù điêu 3D và xuất mã lệnh G-code, cùng phần mềm Mach3 chạy trên máy tính kết nối cổng LPT DB25 để điều khiển chuyển động máy.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất" đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu thiết kế, tính toán kiểm bền và chế tạo thành công một máy phay CNC 3 trục có kết cấu cứng vững và hoạt động ổn định. Máy đạt hành trình làm việc $480 \times 400 \times 100\text{ mm}$, chiều sâu khắc $5\text{ mm}$ và sai lệch kích thước kiểm nghiệm thực tế trong giới hạn $0.05\text{ mm}$. Công trình cung cấp giải pháp máy công cụ điêu khắc gỗ chi phí thấp, làm chủ phần cứng và phần mềm điều khiển Mach3, tạo nền tảng vững chắc cho các nghiên cứu nâng cấp mở rộng nhiều trục và tích hợp đa đầu dao gia công trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN MÁY PHAY GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ SẢN XUẤT GVHD: TS. PHẠM HUY TUÂN SVTH: NGUYỄN TRẦN BÁ THIÊN MSSV: 13143333 SVTH: PHẠM THÀNH TRUNG MSSV: 13143374 SVTH: VÕ TUẤN HIỆP MSSV: 13143111 SKL 0 0 4 9 0 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2017 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN MÁY PHAY GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ SẢN XUẤT” GVHD: TS.

PHẠM HUY TUÂN SVTH : NGUYỄN TRẦN BÁ THIÊN 13143333 PHẠM THÀNH TRUNG 13143374 VÕ TUẤN HIỆP 13143111 Khóa: 2013 - 2017 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN MÁY PHAY GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ SẢN XUẤT” GVHD: TS. PHẠM HUY TUÂN SVTH : NGUYỄN TRẦN BÁ THIÊN 13143333 PHẠM THÀNH TRUNG 13143374 VÕ TUẤN HIỆP 13143111 Khóa: 2013 - 2017 Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2017 do an KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên:. ……………………………………………………………………………………… Họ và tên giáo viên hƣớng dẫn: …. Về nội dung của đề tài & khối lƣợng thực hiện: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 2. Đề nghị cho bảo vệ hay không? ……………………………………………………………………………………… 5.

Đánh giá loại: …………………………………………………………………………………………. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) 1 do an KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM BỘ MÔN THIẾT KẾ MÁY Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: …………………………………. ……………………………………………………………………………………… Họ và tên giáo viên phản biện: …. Về nội dung của đề tài & khối lƣợng thực hiện: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… 2.

Câu hỏi phản biện (nếu có): ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… …… 5. Đề nghị có cho bảo vệ hay không: ……………………………………………………………………………………… 6. Đánh giá loại: ………………………………………………………………………………………… … 7. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) 2 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hƣớng dẫn: TS.

PHẠM HUY TUÂN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TRẦN BÁ THIÊN MSSV: 13143333 PHẠM THÀNH TRUNG MSSV: 13143374 VÕ TUẤN HIỆP MSSV: 13143111 1. Tên đề tài: NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN MÁY PHAY GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ PHỤC VỤ SẢN XUẤT 2. Số liệu ban đầu: Kích thƣớc phay sản phẩm thực tế gỗ tấm 400x400x20 mm, dùng 2 đầu dao để tăng năng suất. Nội dung chính của đồ án: - Hoàn thiện kết cấu phần cơ khí.

- Hoàn thiện hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công. - Gia công thử nghiệm máy với nhiều chế độ để đánh giá độ ổn định. - Hoàn thiện giao diện. Các sản phẩm dự kiến  Hồ sơ bản vẽ thiết kế: - Bản vẽ lắp tổng thể máy.

- Bản vẽ lắp cụm chi tiết. - Bản vẽ chi tiết. - Bản vẽ hệ thống điện - Tài liệu hƣớng dẫn sử dụng máy.  Máy gia công gỗ CNC hoàn chỉnh.

Ngày nộp đồ án: TRƢỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) 3 do an LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: “Nghiên cứu và hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất”. PHẠM HUY TUÂN - Họ và tên sinh viên: NGUYỄN TRẦN BÁ THIÊN MSSV: 13143333 PHẠM THÀNH TRUNG MSSV: 13143374 VÕ TUẤN HIỆP MSSV: 13143111 - Địa chỉ sinh viên: Đƣờng số 68, Khu phố 2, Phƣờng Hiệp Phú, Quận 9, TP. - Số điện thoại liên lạc: 01675614996 - Email: 13143333@student. - Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp ĐATN): …/…./2017 Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính chúng tôi nghiên cứu và thực hiện”.

Hồ Chí Minh, ngày…tháng… năm 2017 Đại diện ký tên: 4 do an LỜI CẢM ƠN Trong suốt bốn năm học tập và rèn luyện tại Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đƣợc sự dạy bảo và hƣớng dẫn của thầy cô giáo trong trƣờng đã giúp chúng em học hỏi và tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức về khoa học kỹ thuật, hoạt động xã hội …cũng nhƣ sự giúp đỡ của bạn bè và gia đình trong thời gian vừa qua. Nhờ vào những sự giúp đỡ này mà chúng em đi gần hết con đƣờng đại học để rồi đƣợc làm đồ án tốt nghiệp nhƣ ngày hôm nay. Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Phạm Huy Tuân. Ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp, góp ý vào những thiếu xót của nhóm.

Chúng em đã học hỏi đƣợc rất nhiều kinh nghiệm từ thầy, một lần nữa chúng em chân thành cảm ơn đến thầy. Một lần nữa chúng em xin gởi lời cảm ơn đến tất cả mọi ngƣời đã giúp đỡ nhóm hoàn thành tốt Đồ Án Tốt Nghiệp này. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, ngày…tháng… năm 2017 Sinh viên thực hiện 5 do an TÓM TẮT ĐỒ ÁN “Nghiên cứu hoàn thiện máy phay gỗ điều khiển số phục vụ sản xuất” Từ bao đời nay những nghề thủ công mỹ nghệ là những ngành nghề truyền thống mang một bản sắc văn hóa riêng của đất nƣớc ta.

Qua từng tác phẩm đƣợc điêu khắc trên gỗ, đá những vật tƣởng chừng nhƣ vô tri vô giác trở nên sống động và tinh tế nhờ bàn tay tài hoa của ngƣời nghệ nhân. Ngày xƣa, các sản phẩm làm ra chỉ đáp ứng nhu cầu cho một bộ phân ngƣời dân nhất định. Lƣợng sản phẩm làm chỉ đủ đáp ứng tại địa phƣơng. Các làng nghề chủ yếu làm thủ công cho nên thời gian để hoàn thành một sản phẩm hoàn chỉnh thƣờng mất rất nhiều thời gian và công sức.

Sản phẩm làm ra không đủ đáp ứng nhu cầu thị trƣờng. Do đó sự ra đời của máy cnc chạm khắc gỗ giúp một phần giải quyết bài toán trên. Đề tài đƣợc tiến hành qua nhiều bƣớc: nghiên cứu, tìm hiểu nhu cầu thực tế (90% các sản phẩm bằng gỗ đều sử dụng máy cnc thay cho lao động truyền thống), phát triển ý tƣởng, giải pháp, triển khai thiết kế, tối ƣu hóa mô hình, tính toán và mô phỏng tính bền vững của hệ thống, thực hiện gia công các chi tiết cần thiết và lắp ráp thành một máy hoàn chỉnh. Sau đó, máy đƣợc chạy thử nghiệm, kiểm tra, chạy thử ở nhiều chế độ (vận tốc, gia tốc tiến bàn máy, chiều sâu khắc.) và hiệu chỉnh thông số máy để có thể đƣa vào sản xuất thục tế.

Máy khắc phay gỗ CNC sau khi chế tạo có kích thƣớc 1360x965x1087 mm, có khả năng khắc gỗ với độ sâu 5 mm cho mỗi lần khắc. Độ chính xác cao về hình dạng và sai số kích thƣớc đáp ứng yêu cầu của khách hàng. Tuy nhiên, máy cũng còn hạn chế nhƣ quá trình gia công phát ra tiếng ồn, nhiều bụi, máy chỉ hoạt động 3 trục, do thiếu kinh phí nên hiện tại máy chỉ gia công đƣợc 1 đầu dao. Nhóm hi vọng có thể phát triển hơn nữa máy CNC này bằng cách khắc phục các nhƣợc điểm trên và có thể phát triển máy với nhiều trục, nhiều đầu dao hơn nữa phù hợp hơn nữa với yêu cầu của khách hàng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Trần Bá Thiên Phạm Thành Trung Võ Tuấn Hiệp 6 do an ABSTRACT “Numerical control milling machine for wood production” For many generations, handicrafts have been the traditional fields of our country. The products sculpted in wood seemingly inanimate to become alive and delicate by the talented hands of artisans. In the past, products made only meet local needs. Craft villages should complete a finished product that takes a lot of time and effort.

The product is not enough to meet the market demand. Therefore, the introduction of wood carving machines helped to solve the problem. The topic is carried out through a number of steps: research, understanding the practical needs (90% of wood products use cnc instead of traditional labor), develop ideas, solutions, design, model optimization, calculation and simulation of system sustainability, machining of the required components and assembly into a complete machine. Then, the machine was tested in many modes (velocity, table speed, depth of engraving .) and calibration parameters to be able to put into production.

CNC wood engraving machine is 1360x965x1087 mm, capable of wood engraving with a depth of 5 mm per engraving. High precision of shape and size error meet the requirements of customers. However, the machine is limited as the operation produces noise, dust, machine only operate 3 axis, due to lack of funds so the machine is currently only 1 spindle. The group hopes to further develop this CNC machine by overcoming the disadvantages and can develop machines with multiple shafts and more knives more suited to the requirements of customers.

7 do an MỤC LỤC Trang BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN .1 BẢNG NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .2 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .3 LỜI CAM KẾT .8 DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ. 10 DANH MỤC BẢNG BIỂU. 12 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .Tính cấp thiết của đề tài: .Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn: .Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .Tình hình chạm khắc đồ gỗ hiện nay:. 14 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .Khái quát về máy cnc: .Chọn cơ cấu dẫn động cho các trục: .Sử dụng động cơ bƣớc: .Tính công suất động cơ trục X: .Tính công suất động cơ trục Y: .Tính công suất động cơ trục Z: .Cơ cấu truyền động: .Phần mềm điều khiển : .Chọn spindle trục chính : .Dụng cụ khắc (dao V Shaped Flat Bottom Cutters (Dao khắc 3D)):.

30 CHƢƠNG 3: HOÀN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY .Tính toán kiểm bền phần cơ khí: .Kiểm bền đế khung máy và vai trục Y: .Kiểm bền vai trục X và thanh truyền động trục Y: .Kiểm bền giá đỡ spindle trục chính: .Lắp đặt hệ thống giải nhiệt và dây dẫn điện cho máy: .Lắp đặt bàn máy: .Kết cấu của máy: .Thiết kế và chế tạo các chi tiết máy điển hình:. 42 CHƢƠNG 4 : HOÀN THÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHỨC NĂNG HỔ TRỢ GIA CÔNG .Giới thiệu về phần mềm mach 3: .Lựa chọn động cơ bƣớc: .Thông số mạch mach 3:.Thiết kế hệ thống điện: .Thiết kế tủ điện:.Sơ đồ đấu nối của toàn bộ hệ thống điều khiển: .