Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của ngành gia công cơ khí chính xác, sự xuất hiện của các hệ thống máy điều khiển số CNC (Computerized Numerical Control) nhiều trục (3 trục, 4 trục, 5 trục, cao tốc) đã nâng cao năng suất chế tạo và độ chính xác của chi tiết phức tạp. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất đối với các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, phòng thí nghiệm và xưởng thực hành giáo dục là chi phí đầu tư thiết bị công nghiệp nhập khẩu rất lớn. Việc tự nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các mô hình máy phay CNC cỡ nhỏ với giá thành hợp lý, kết cấu linh hoạt nhưng vẫn đảm bảo các tính năng công nghệ cơ bản là hướng đi cấp thiết nhằm phục vụ đào tạo và sản xuất chi tiết phi tiêu chuẩn.

Đề tài "Nghiên cứu phát triển và hoàn thiện thiết kế mô hình máy CNC 4 trục" được triển khai nhằm tiếp nối và nâng cấp mô hình máy phay do các nhóm sinh viên khóa trước chế tạo tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Ở các phiên bản thử nghiệm tiền nhiệm, hệ thống máy vẫn tồn tại một số nhược điểm kỹ thuật: cụm trục xoay A sử dụng hộp số bánh răng cũ bị rơ và có khe hở ăn khớp lớn làm giảm độ chính xác; thiếu cụm ụ động chống tâm khiến phôi dài bị rung khi gá đặt bằng mâm cặp; kết cấu đế trục Y chưa được giằng cố định vững chắc với khung bệ; máy chưa có hệ thống vỏ che chắn (cover) bảo vệ, dẫn đến hiện tượng phoi và dung dịch tưới nguội văng bắn ra khu vực xung quanh trong quá trình vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua 3 nhiệm vụ:

  1. Nắm vững hệ thống kiến thức lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phương thức truyền động, phương pháp lập trình và điều khiển máy phay CNC.
  2. Vận dụng kiến thức kỹ thuật để nghiên cứu phát triển, tối ưu hóa thiết kế và gia công chế tạo hoàn thiện mô hình máy phay CNC 4 trục.
  3. Lập trình và điều khiển hệ thống gia công thực nghiệm các sản phẩm mẫu đạt độ chính xác hình học và kích thước theo yêu cầu kỹ thuật.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm mô hình máy phay CNC 4 trục, các phần mềm tính toán, thiết kế và mô phỏng cơ khí, cùng hệ thống động cơ bước và cơ cấu truyền động điện - cơ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến kết cấu phần cứng cơ khí, thiết kế tủ điện điều khiển và tối ưu hóa vận hành mô hình máy phay CNC 4 trục; không gian thực hiện tại xưởng thực hành Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy trong thời gian nghiên cứu là 4 tháng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý điều khiển số NC/CNC, quy ước hệ tọa độ không gian 3 chiều theo quy tắc bàn tay phải với ba trục tịnh tiến $X, Y, Z$ (trong đó trục $Z$ trùng với trục chính mang dụng cụ cắt, trục $X$ là trục có hành trình tịnh tiến lớn nhất và trục $Y$ vuông góc với mặt phẳng $X-Z$). Hệ tọa độ máy và phôi được xác lập thông qua các điểm chuẩn chuẩn hóa:

  • Điểm gốc của máy $M$ (Machine Reference Zero): Giới hạn vùng làm việc cố định do nhà sản xuất quy định.
  • Điểm chuẩn của máy $R$ (Machine Reference Point): Điểm có tọa độ cố định so với gốc $M$.
  • Điểm gốc của phôi $W$ (Workpiece Zero Point): Điểm chuẩn do người lập trình xác định trên phôi gia công.
  • Điểm gốc chương trình $P$ (Programmed Point) và các điểm chuẩn gá dao $T$, điểm gá dao $N$.

Phương pháp tính toán động học và động lực học hệ dẫn động cơ khí được áp dụng dựa trên giáo trình tính toán thiết kế chi tiết máy của tác giả Nguyễn Trọng Hiệp, kết hợp công cụ tính chọn động cơ chuyên dụng của hãng Oriental Motor. Công thức xác định công suất truyền động cần thiết:

$$N = \frac{M \cdot n}{9,55 \cdot 10^6}$$

Trong đó $N$ là công suất cần thiết ($\text{kW}$), $n$ là số vòng quay của trục chủ động ($\text{vòng/phút}$), và $M$ là mô-men xoắn cần thiết ($\text{N}\cdot\text{mm}$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp khảo sát thực tiễn: Thu thập, tổng hợp và phân tích các dạng kết cấu máy CNC 4 trục trong nước và quốc tế, đối chiếu các dòng máy phay CNC mini tự chế và máy công nghiệp (như máy CNC Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Bách khoa Hà Nội, BKMech VMC-65, Hiệp Phát Warrior 3040, Mori Seiki).
  • Phương pháp xây dựng mô hình và thực nghiệm: Thiết kế 3D các cụm chi tiết trên phần mềm CAD, tính toán lựa chọn động cơ và cơ cấu giảm tốc, gia công chế tạo các bộ phận cơ khí bổ sung, đấu nối tủ điện điều khiển và tiến hành vận hành cắt gọt thử nghiệm.

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các thông số kỹ thuật, tài liệu tra cứu và catalog chính hãng của nhà sản xuất Oriental Motor, Vexta, Yaskawa, World Tech, Toyozumi, kết hợp các tiêu chuẩn dung sai lắp ghép và vật liệu chế tạo cơ khí.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy phay CNC 4 trục được thiết kế và triển khai đồng bộ qua hai phân hệ chính: cơ khí chính xác và điều khiển điện tử.

Kiến trúc cơ khí và giải pháp kết cấu

Căn cứ vào không gian làm việc và độ cứng vững, tác giả lựa chọn mô hình máy 4 trục loại 1: trục thứ 4 là trục xoay $A$ được tích hợp trực tiếp trên bàn máy phay 3 trục tiêu chuẩn ($X, Y, Z$). Phương án này giữ nguyên độ cứng vững của cụm đầu trục chính (Spindle) và kết cấu 3 trục tịnh tiến ban đầu.

Bộ phận / Cụm chi tiết Giải pháp thiết kế & Thông số kỹ thuật chế tạo Yêu cầu kỹ thuật đạt được
Cụm trục xoay A Thay thế hộp số bánh răng bằng hộp số bi (ball reducer) tỉ số truyền $1:20$; bổ sung 2 tấm bích kết nối trung gian giữa động cơ, hộp số và bát đỡ. Khử triệt để độ rơ và khe hở ăn khớp; đảm bảo độ đồng tâm giữa mâm cặp và hộp số, độ song song giữa tâm mâm cặp và phương chuyển động trục $X$.
Thân ụ động Kích thước bao $120 \times 180 \times 140\text{ mm}$; gia công lỗ trụ dẫn hướng đường kính $D = 40\text{ mm}$ (dài $100\text{ mm}$), lỗ $D = 13\text{ mm}$ (dài $20\text{ mm}$); rãnh then dẫn hướng $13\text{ mm}$; tâm lỗ cách đáy $100\text{ mm}$. Đảm bảo độ cứng vững, độ đối xứng các mặt bên, độ song song giữa tâm lỗ và mặt đáy, độ vuông góc của mặt đầu trụ.
Nòng ụ động Đường kính ngoài $D = 40\text{ mm}$, chiều dài $L = 100\text{ mm}$; bên trong gia công lỗ côn Morse số 2; lỗ ren truyền động M16; rãnh then chống xoay kích thước $95 \times 10 \times 3\text{ mm}$. Đồng tâm tuyệt đối với lỗ thân ụ động và mâm cặp; định vị mũi chống tâm vững chắc khi kẹp phôi dài.
Then & Chốt chống xoay Then kích thước $40 \times 10 \times 10\text{ mm}$, bố trí 2 lỗ bắt vít chìm M5 cách nhau $25\text{ mm}$; kết hợp chốt chặn giữ nòng tịnh tiến dọc trục mà không bị xoay tròn. Đảm bảo độ song song hai mặt bên, nòng trượt êm và tự hãm vị trí làm việc chính xác.
Cố định đế trục Y Bổ sung tấm thép đệm trung gian hàn cố định lên khung bệ máy; hàn 4 tấm bát định vị tại 4 góc chân đế trục $Y$ và liên kết cứng bằng 4 bu-lông cường độ cao. Triệt tiêu rung động phát sinh khi cụm bàn máy di chuyển đổi hướng đột ngột.
Hệ thống vỏ che (Cover) Thiết kế phân đoạn 3 cụm: Cover trên bàn máy bao bọc không gian cắt gọt; Cover dưới bàn máy dạng máng nghiêng thu hồi phoi; Cover bệ máy bao quanh khung chân và thùng nước làm mát. Ngăn chặn phoi văng, gom nước làm mát về thùng chứa, tăng tính an toàn lao động và thẩm mỹ công nghiệp.

Tính toán động học và lựa chọn động cơ

Việc tính toán mô-men xoắn cho trục $A$ được thực hiện trên phần mềm Oriental Motor với các thông số đầu vào: bàn quay tròn đường kính mâm cặp $130\text{ mm}$, khối lượng mâm cặp $7\text{ kg}$, trục dẫn hướng thép đường kính $20\text{ mm}$, chiều dài $38\text{ mm}$, chế độ quay trục đứng, vận tốc làm việc biến thiên $50 - 100\text{ vòng/phút}$.

Mô-men xoắn tính toán lý thuyết cần thiết là $M = 0{,}046\text{ N}\cdot\text{mm}$, công suất lý thuyết tương ứng $N_{\text{lt}} = 0{,}014\text{ kW}$ (được mở rộng tính toán dự trù cho nâng cấp 5 trục là $N_{\text{lt}} = 0{,}0285\text{ kW}$ ở tốc độ $1000\text{ vòng/phút}$). Để đảm bảo tốc độ bàn quay đạt $30 - 50\text{ vòng/phút}$ qua hộp số bi tỉ số truyền $1:20$, động cơ cần đạt tốc độ quay $600 - 1000\text{ vòng/phút}$.

Động cơ bước được chọn là dòng 5 pha Vexta PK596BE:

  • Góc bước: $0{,}72^\circ/\text{bước}$.
  • Dòng điện pha định mức: $1{,}4\text{ A}$.
  • Mô-men xoắn giữ: $2{,}1\text{ N}\cdot\text{m}$.
  • Nguồn cấp: $110\text{ V AC}, 50/60\text{ Hz}, 10\text{ A}$.
  • Đồ thị đặc tuyến mô-men thực tế của động cơ đạt $1{,}2 - 2{,}0\text{ N}\cdot\text{m}$ trong dải vận tốc $600 - 1000\text{ vòng/phút}$, đáp ứng mô-men yêu cầu ($M_{\text{tt}} > 0{,}196\text{ N}\cdot\text{m}$).

Hệ thống điều khiển điện và khí cụ

Toàn bộ hệ thống điều khiển được bố trí trong tủ điện sơn tĩnh điện chuyên dụng kích thước $1000 \times 800 \times 300\text{ mm}$, gồm các thiết bị:

Tên thiết bị / Khí cụ Nhà sản xuất / Model Thông số kỹ thuật vận hành Chức năng trong hệ thống
Mạch nguồn DC Chuẩn công nghiệp Input: AC $110-240\text{ V}, 50/60\text{ Hz}$; Output: DC $24\text{ V} - 10\text{ A}$. Cung cấp nguồn DC ổn định cho mạch điều khiển và cảm biến.
Bộ lọc nguồn 1 pha World Tech Điện áp $250\text{ V}$, dòng $30\text{ A}$, tần số lọc $50\text{ kHz}$, cách điện $2500\text{ VAC}/1\text{ phút}$. Lọc nhiễu cao tần từ lưới điện cấp vào hệ thống điều khiển.
Biến tần Yaskawa V1000 Input: AC 3 pha $200-240\text{ V}, 50/60\text{ Hz}$; Output: AC 3 pha $0-240\text{ V}, 0-400\text{ Hz}$. Điều khiển vô cấp tốc độ quay của động cơ trục chính (Spindle).
Máy biến áp Toyozumi Tần số $50/60\text{ Hz}$. Hạ áp và cách ly nguồn điện cho các mạch công suất.
Board điều khiển Mach3 Interface Board Giao tiếp máy tính; tích hợp cách ly quang toàn bộ I/O; 1 cổng xuất Analog điều khiển tốc độ phay; 4 kênh điều khiển Driver. Nhận lệnh G-code từ phần mềm Mach3, phân phối xung điều khiển động cơ các trục.
Driver điều khiển trục Vexta UDX5128 & UDK5114VN Dòng làm việc tương ứng $2{,}8\text{ A}$ và $2{,}5\text{ A}$; chế độ đủ bước/nửa bước; tự động giảm dòng khi dừng. Khuếch đại xung điều khiển, cấp dòng dẫn động các động cơ bước 5 pha.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc tự chế tạo máy CNC kích thước nhỏ phục vụ nghiên cứu, học tập và sản xuất quy mô vừa - nhỏ. Tác giả nêu rõ ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong việc tích hợp liên ngành cơ khí, điện tử và tin học; xác định mục tiêu làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục và giới hạn phạm vi nghiên cứu trong thời gian 4 tháng.

Chương 2: Các nghiên cứu trong và ngoài nước

Chương 2 tổng hợp lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số từ các cơ cấu đục lỗ thế kỷ XIV đến phát minh hệ thống điều khiển máy công cụ của John Parsons và Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) giai đoạn 1949–1952. Tác giả điểm lại sự ra đời của máy phay Cincinnate Hydrotel (1952), thiết bị điều khiển NC công nghiệp Bendix (1954), và ngôn ngữ lập trình tự động APT/G-code (1958). Đồng thời, chương này khảo sát hiện trạng ứng dụng CNC tại Việt Nam từ năm 1991 đến nay, tổng kết các mô hình máy phay, máy tiện, máy cắt plasma CNC do sinh viên các trường đại học (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, ĐH Bách khoa TP.HCM, ĐH Bách khoa Hà Nội, ĐH Bách khoa Đà Nẵng) chế tạo phục vụ giảng dạy và gia công sản phẩm gỗ, quảng cáo.

Chương 3: Tổng quan cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ các khái niệm nền tảng về hệ thống NC/CNC, các trung tâm gia công DNC, hệ thống sản xuất linh hoạt FMS, tích hợp máy tính CIM và phần mềm CAD/CAM. Tác giả phân tích cấu trúc tổng quát của máy CNC gồm hai phần chính: phần điều khiển (chương trình, bộ đọc, bộ giải mã, bộ nội suy, cảm biến hồi tiếp) và phần chấp hành (hộp tốc độ vô cấp, hộp chạy dao vít me bi - động cơ bước, thân máy, bàn máy, trục chính). Đi kèm với đó là quy ước chuẩn về hệ tọa độ không gian 3 chiều theo quy tắc bàn tay phải, định nghĩa chi tiết các điểm gốc chuẩn máy $M$, điểm tham chiếu $R$, điểm gốc phôi $W$, điểm gốc chương trình $P$, điểm chuẩn gá dao $T$ và điểm gá dao $N$.

Chương 4: Ý tưởng và giải pháp thiết kế

Chương 4 phân tích ưu và nhược điểm của 3 phương án bố trí trục xoay thứ 4:

  • Loại 1: Trục 4 là trục xoay $A$ đặt dọc theo bàn máy.
  • Loại 2: Trục 4 là trục xoay $C$ với trục chính Spindle nằm ngang.
  • Loại 3: Trục 4 là trục $B$ tích hợp trên trục $Z$ để nghiêng đầu trục chính.

Tác giả quyết định lựa chọn mô hình Loại 1 nhằm đảm bảo độ cứng vững tối đa của khung máy mà không làm phức tạp hóa kết cấu 3 trục tịnh tiến sẵn có. Bên cạnh đó, chương này so sánh hai phương án thiết kế cụm ụ động (phương án 1 đúc thân kim loại có tính thẩm mỹ nhưng chi phí gia công cao; phương án 2 hàn và phay tổ hợp tấm kim loại với quy trình gia công thuận tiện, chi phí thấp hơn). Tác giả lựa chọn phương án 2 và đưa ra phương án thiết kế hệ thống vỏ che (cover) 3 module dựa trên khảo sát các sản phẩm thương mại của BKMech, Hiệp Phát và Mori Seiki.

Chương 5: Thiết kế, chế tạo hoàn thiện mô hình máy CNC 4 trục

Chương 5 mô tả chi tiết quá trình cải tiến cụm trục $A$ bằng việc thay thế hộp số bánh răng cũ bằng hộp số bi chuyên dụng tỉ số truyền $1:20$, gia công 2 tấm bích kết nối trung gian nhằm triệt tiêu độ rơ tiếp xúc. Tác giả trình bày bản vẽ và quy trình chế tạo từng chi tiết của cụm ụ động gồm: thân ụ động kích thước $120 \times 180 \times 140\text{ mm}$, nòng ụ động $D = 40\text{ mm}$ mang lỗ côn Morse số 2, tay quay $D = 13\text{ mm}$, then dẫn hướng $40 \times 10 \times 10\text{ mm}$, chốt chống xoay và cơ cấu vít me - đai ốc đẩy nòng.

Quy trình tính toán công suất động cơ bước truyền động trục $A$ được lập bảng chi tiết từ phần mềm Oriental Motor với mâm cặp $130\text{ mm}$, khối lượng $7\text{ kg}$, lựa chọn động cơ bước 5 pha Vexta PK596BE (bước $0{,}72^\circ$, dòng $1{,}4\text{ A}$, mô-men $2{,}1\text{ N}\cdot\text{m}$). Ngoài ra, chương này trình bày phương pháp cố định cụm đế trục $Y$ thông qua tấm thép trung gian và 4 bát bu-lông, cùng quy trình gia công, lắp ghép hoàn chỉnh 3 phần vỏ bảo vệ (cover trên bàn máy, cover dưới bàn máy dạng máng nghiêng hứng phoi, cover bao che khung bệ và bình tưới nguội).

Chương 6: Hệ thống điều khiển điện

Chương 6 trình bày cấu trúc bố trí, đặc tính kỹ thuật của các khí cụ điện và sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển trung tâm ($1000 \times 800 \times 300\text{ mm}$). Các thành phần được lựa chọn và lắp đặt gồm: nút nhấn, đèn báo, aptomat CB, contactor, bộ nguồn DC $24\text{ V} - 10\text{ A}$, bộ lọc nguồn 1 pha World Tech ($250\text{ V} - 30\text{ A} - 50\text{ kHz}$), biến tần Yaskawa V1000 (output 3 pha $0-400\text{ Hz}$), máy biến áp Toyozumi, quạt làm mát, board mạch giao tiếp Mach3 kết nối máy tính và các driver điều khiển động cơ bước Vexta UDX5128 ($2{,}8\text{ A}$), UDK5114VN ($2{,}5\text{ A}$). Tác giả thiết lập quy trình cấp nguồn, kích hoạt biến tần và vận hành an toàn hệ thống điều khiển điện.

Chương 7: Thực nghiệm - Đánh giá

Chương này biên soạn tài liệu hướng dẫn vận hành máy, các bước thiết lập gốc phôi, nhập mã lệnh G-code và cài đặt chế độ cắt trên phần mềm Mach3. Tác giả tiến hành gia công thực tế các sản phẩm mẫu dạng trụ xoay và bề mặt 3D phức tạp; qua đó đánh giá khả năng công nghệ của máy đối với các nguyên công phay rãnh, khoan lỗ, điêu khắc hoa văn trên vật liệu gỗ, nhôm và kim loại màu.

Chương 8: Kết luận và kiến nghị

Chương tổng kết những kết quả nghiên cứu đã đạt được trong việc hoàn thiện kết cấu cơ khí, tủ điện điều khiển và nâng cao độ an toàn cho mô hình máy phay CNC 4 trục; đồng thời nêu các đề xuất cải tiến kết cấu cho các thế hệ sinh viên tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đề tài đã hoàn thành việc cải tiến, chế tạo và vận hành thành công mô hình máy phay CNC 4 trục với các thông số kỹ thuật thực tế:

Thông số máy Giá trị đo kiểm thực tế
Kích thước tổng thể máy $862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$
Hành trình gia công trục X $400\text{ mm}$
Hành trình gia công trục Y $320\text{ mm}$
Hành trình gia công trục Z $300\text{ mm}$
Cấu hình trục thứ 4 Trục xoay $A$ đặt trên bàn máy, mâm cặp đường kính $130\text{ mm}$
Tỉ số truyền trục xoay A $1:20$ (hộp số bi chuyên dụng - ball reducer)
Vật liệu gia công phù hợp Gỗ, nhôm, đồng và các hợp kim kim loại màu
Độ chính xác kích thước Đạt yêu cầu gia công chi tiết lắp ráp không đòi hỏi độ chính xác quá cao, đồ lưu niệm, trang trí

Các giải pháp kỹ thuật do tác giả trực tiếp tính toán, thiết kế và chế tạo bổ sung:

  • Cải thiện độ rơ cơ khí trục $A$: Việc thay thế hộp số bánh răng cũ bằng hộp số bi giúp triệt tiêu khe hở ăn khớp, nâng cao độ phân giải góc quay và độ chính xác biên dạng phay xoay tròn.
  • Bổ sung cụm ụ động tùy chỉnh: Khắc phục hiện tượng rung lắc và biến dạng khi gá đặt gia công các chi tiết dạng trục có chiều dài lớn.
  • Gia cố độ cứng vững kết cấu: Tấm đệm trung gian và liên kết 4 bát bu-lông giúp cố định vững chắc đế trục $Y$ vào khung bệ máy.
  • Chế tạo hệ thống cover 3 module: Đảm bảo thu gom phoi cắt gọt, chứa dung dịch bôi trơn làm mát Spindle và nâng cao mức độ an toàn cho người vận hành.
  • Hoàn thiện tủ điện điều khiển chuẩn công nghiệp: Tích hợp thành công board Mach3 cách ly quang với biến tần Yaskawa V1000 và hệ thống driver Vexta, bảo đảm tín hiệu điều khiển ổn định, chống nhiễu cao tần.

So với các mô hình chế tạo đơn lẻ trước đó, công trình đã giải quyết được tính đồng bộ giữa thiết kế cơ khí chính xác, khả năng vận hành thực tế và tiêu chuẩn an toàn lao động trong môi trường xưởng trường.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của mô hình:

  • Kích thước chi tiết gia công trên trục xoay bị khống chế bởi đường kính mở của mâm cặp ($130\text{ mm}$) và chiều cao tâm ụ động ($100\text{ mm}$).
  • Kết cấu máy và công suất động cơ phù hợp cho gia công vật liệu mềm (gỗ, nhôm, kim loại màu); chưa đáp ứng yêu cầu gia công các loại thép hợp kim cứng hoặc chế độ cắt gọt tải nặng.
  • Hệ thống điều khiển vẫn sử dụng giao tiếp máy tính ngoài thông qua phần mềm Mach3, chưa tích hợp bộ điều khiển nhúng CNC công nghiệp độc lập.

Hướng phát triển tiếp theo được tác giả định hướng:

  • Mở rộng nghiên cứu và nâng cấp mô hình lên máy CNC 5 trục (tác giả đã tính toán dự trù công suất động cơ $N_{\text{lt}} = 0{,}0285\text{ kW}$ cho trục thứ 5).
  • Tối ưu hóa kết cấu khung bệ nhằm nâng cao độ cứng vững động lực học, cho phép mở rộng phạm vi vật liệu gia công sang các kim loại có độ cứng cao hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành:

  • Ngành Công nghệ Chế tạo máy và Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo quy trình thiết kế, lập bản vẽ chế tạo các cụm chi tiết máy chính xác (ụ động, gá đỡ trục xoay, then dẫn hướng) và phương pháp tính chọn công suất động cơ, tỉ số truyền cơ khí.
  • Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử và Tự động hóa: Tham khảo sơ đồ đấu nối tủ điện điều khiển CNC, kỹ thuật kết nối board mạch Mach3 với biến tần công nghiệp Yaskawa V1000 và phương pháp cấu hình driver động cơ bước nhiều pha.
  • Các cá nhân tự nghiên cứu chế tạo máy công cụ mini: Cung cấp giải pháp thực tiễn về kết cấu vỏ bảo vệ, phương án xử lý thu gom phoi và chống rung bệ máy với chi phí gia công tiết kiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước tổng thể và hành trình gia công của mô hình máy CNC 4 trục là bao nhiêu? Mô hình máy sau khi chế tạo hoàn thiện có kích thước tổng thể $862 \times 912 \times 1037\text{ mm}$. Hành trình di chuyển gia công của 3 trục tịnh tiến lần lượt là: trục $X = 400\text{ mm}$, trục $Y = 320\text{ mm}$, và trục $Z = 300\text{ mm}$.

2. Tại sao tác giả phải thay thế hộp số cũ ở cụm trục A bằng hộp số bi (ball reducer)? Hộp số cũ của mô hình là loại ăn khớp bánh răng thông thường đã qua sử dụng, có độ rơ và khe hở cơ khí lớn làm sai lệch góc quay khi đảo chiều. Hộp số bi chuyên dụng mới có tỉ số truyền $1:20$, cơ cấu truyền động thông qua các viên bi tiếp xúc trực tiếp giúp khử khe hở ăn khớp, đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác góc quay của trục $A$.

3. Cụm ụ động chế tạo mới có thông số hình học và cơ cấu định vị như thế nào? Thân ụ động có kích thước $120 \times 180 \times 140\text{ mm}$ với khoảng cách từ tâm lỗ đến mặt bàn máy là $100\text{ mm}$, rãnh then rộng $13\text{ mm}$. Nòng ụ động có đường kính ngoài $D = 40\text{ mm}$, chiều dài $L = 100\text{ mm}$, lỗ côn Morse số 2 để lắp mũi chống tâm, lỗ ren M16 ăn khớp vít me và rãnh then chống xoay kích thước $95 \times 10 \times 3\text{ mm}$ kết hợp then dẫn hướng $40 \times 10 \times 10\text{ mm}$.

4. Động cơ bước và các dòng driver nào được sử dụng trong hệ thống điều khiển của máy? Trục xoay của máy sử dụng động cơ bước 5 pha Vexta model PK596BE (góc bước $0{,}72^\circ$, dòng định mức $1{,}4\text{ A}$, mô-men xoắn giữ $2{,}1\text{ N}\cdot\text{m}$). Hệ thống tủ điện sử dụng các bộ điều khiển động cơ chuyên dụng của hãng Vexta gồm Driver UDX5128 (dòng làm việc $2{,}8\text{ A}$) và Driver UDK5114VN (dòng làm việc $2{,}5\text{ A}$).

5. Hệ thống vỏ bao che (Cover) của máy được chia làm mấy phần và có tác dụng gì? Hệ thống vỏ che được chia thành 3 phần:

  • Cover trên bàn máy: Bao kín không gian gia công cắt gọt để ngăn phoi văng bắn ra ngoài.
  • Cover dưới bàn máy: Thiết kế dạng máng nghiêng bao quanh đế trục $Y$ nhằm hứng và dẫn phoi gia công.
  • Cover bệ máy: Bao bọc khung bệ máy và bảo vệ thùng chứa nước tưới nguội làm mát Spindle.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu phát triển và hoàn thiện thiết kế mô hình máy CNC 4 trục" của tác giả Nguyễn Anh Duy đã giải quyết trọn vẹn các vấn đề kỹ thuật còn tồn đọng của mô hình tiền nhiệm thông qua việc cải tiến trục xoay $A$ với hộp số bi $1:20$, chế tạo cụm ụ động định vị phôi dài, gia cố chống rung đế trục $Y$ và lắp đặt hệ thống vỏ che chắn an toàn. Hệ thống điều khiển điện được chuẩn hóa trong tủ điện công nghiệp tích hợp phần mềm Mach3, biến tần Yaskawa V1000 và động cơ bước 5 pha Vexta PK596BE, cho phép máy vận hành ổn định trên các hành trình $X=400\text{ mm}, Y=320\text{ mm}, Z=300\text{ mm}$. Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình đáp ứng tốt yêu cầu gia công các chi tiết phức tạp trên vật liệu gỗ, nhôm và kim loại màu, cung cấp giải pháp thiết bị chi phí thấp phục vụ hiệu quả cho công tác đào tạo thực hành và nghiên cứu ứng dụng cơ khí.