Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của khoa học công nghệ và công nghiệp chế tạo hiện đại đòi hỏi việc ứng dụng các dây chuyền tự động hóa nhằm nâng cao năng suất, độ chính xác gia công và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Trong lĩnh vực cơ khí chính xác, các dòng máy công cụ điều khiển số tích hợp máy tính (CNC), tiêu biểu là máy phay CNC và máy tiện CNC, đóng vai trò nền tảng để gia công linh kiện phức tạp, tạo khuôn mẫu và chế tạo chi tiết máy. Tại môi trường đại học, đặc biệt là các phòng thí nghiệm nghiên cứu như RM Lab (Robotics and Mechatronics Lab) thuộc Khoa Cơ khí - Cơ điện tử, Trường Đại học Phenikaa, nhu cầu gia công mẫu thử nghiệm, chi tiết cơ khí chính xác để phục vụ các đề tài nghiên cứu khoa học và cuộc thi học thuật là rất lớn. Tuy nhiên, việc thuê gia công ngoài thường tốn kém chi phí, phụ thuộc vào tiến độ của bên gia công và không phù hợp với nguồn ngân sách của sinh viên. Do đó, tác giả Phạm Trung Nam đã thực hiện đề tài tốt nghiệp: "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục" nhằm chủ động trang thiết bị gia công tại chỗ, giảm chi phí và rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể qua các nhiệm vụ:

  1. Áp dụng kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử vào giải quyết bài toán thiết kế và chế tạo thực tế.
  2. Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh của máy phay CNC 3 trục trên phần mềm Solidworks.
  3. Thực hiện tính toán lý thuyết động học, động lực học và hiệu chỉnh mô hình thiết kế phù hợp với điều kiện chế tạo.
  4. Chế tạo, gia công cơ khí và lắp ráp hoàn chỉnh máy phay CNC 3 trục đảm bảo các thông số kích thước bao, công suất trục chính và vận tốc di chuyển các trục.
  5. Cài đặt, kết nối phần cứng và thiết lập cấu hình thông số điều khiển trên phần mềm Mach3 CNC.
  6. Thiết kế chi tiết mẫu, lập trình xuất mã G-code trên phần mềm Mastercam và tiến hành gia công thực nghiệm trên các vật liệu gỗ, nhựa và phôi nhôm.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống máy phay CNC 3 trục (gồm kết cấu cơ khí, hệ thống truyền động dẫn hướng, mạch điều khiển điện tử và phần mềm điều khiển). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc tính toán lực cắt, phân tích tải trọng tác dụng lên trục vít me bi và ray trượt dẫn hướng của 3 trục X, Y, Z; kiểm tra độ bền và tuổi thọ chi tiết dẫn động; tính chọn công suất động cơ dẫn động và động cơ trục chính (spindle); xây dựng tủ điện điều khiển sử dụng giao tiếp USB với phần mềm Mach3; thử nghiệm gia công trên vật liệu phi kim (gỗ, nhựa) và kim loại màu (nhôm trắng SS4120) tại không gian xưởng và phòng thí nghiệm RM Lab.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp giữa lý thuyết tính toán sức bền vật liệu, nguyên lý cắt gọt kim loại, lý thuyết điều khiển tự động và các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia, quốc tế.

Nhóm tiêu chuẩn / Cơ sở lý thuyết Tên tiêu chuẩn / Nguồn tài liệu Nội dung áp dụng trong đồ án
Tiêu chuẩn thiết kế bản vẽ và cơ khí ISO 5457-1999, TCVN 3-74-1979, TCVN 6-1:2000, TCVN 8-1982, TCVN 5705:1993, TCVN 2263-1:1989 Quy định khổ giấy, ký hiệu vật liệu, chữ viết - chữ số, đường nét bản vẽ, ghi kích thước và dung sai lắp ghép chi tiết máy.
Tiêu chuẩn an toàn và hệ thống điện TCVN 2572-78, TCVN 4086-85, TCVN 6221:2015, TCVN 6223:2016, TCVN 6946:2011 Quy định biển báo an toàn điện, an toàn vận hành, thiết kế thiết bị đóng cắt và tủ điều khiển trung tâm, nối đất an toàn.
Lý thuyết tính toán cắt gọt & truyền động Sổ tay Công nghệ chế tạo máy tập 2, ứng dụng tra cứu Calculators của hãng Sandvik Công thức tính lực cắt chính ($F_m$), mômen cắt ($M_c$), lượng chạy dao răng ($F_z$), lượng chạy dao vòng ($S$), công suất cắt và tải trọng tương đương.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai đồng bộ qua 4 bước:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Phân tích động học, động lực học các cơ cấu truyền động vít me bi - đai ốc, hệ thống dẫn hướng tuyến tính (ray trượt - con trượt bi); tính toán mômen quán tính quy đổi về trục động cơ, mômen ma sát và mômen cản tĩnh để lựa chọn động cơ bước phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế mô hình hóa (CAD/CAM): Xây dựng mô hình 3D tổng thể và phân rã cụm chi tiết trên Solidworks; mô phỏng đường chạy dao, tính toán chế độ cắt và xuất chương trình G-code trên phần mềm Mastercam.
  • Phương pháp gia công, chế tạo và tích hợp hệ thống: Sử dụng các máy công cụ có sẵn tại xưởng (máy cắt, máy khoan, máy in 3D, máy cắt laser) kết hợp gia công phay CNC các chi tiết tấm nhôm và khung thép; đấu nối mạch điện tử điều khiển và cơ cấu chấp hành.
  • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Vận hành không tải để kiểm tra hành trình, tốc độ di chuyển cực đại ($v_{max}$); vận hành có tải cắt gọt thực tế mẫu phôi nhôm SS4120, nhựa và gỗ; kiểm tra độ nhám bề mặt và sai lệch kích thước hình học của sản phẩm sau gia công.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Đồ án triển khai hệ thống máy phay CNC 3 trục theo dạng kết cấu cổng trục di chuyển (gantry) trên trục Y, bàn máy gá phôi cố định nhằm tối ưu không gian làm việc và giảm tải trọng quán tính cho bàn phôi.

                                  [ Máy tính điều khiển (Phần mềm Mach3) ]
                                          [ Mạch giao tiếp Mach3 USB ]
        [ Driver trục X ]                   [ Driver trục Y ]                   [ Driver trục Z ]
        [ Động cơ bước X ]                  [ Động cơ bước Y ]                  [ Động cơ bước Z ]
        [ Vít me bi - Ray X ]               [ Vít me bi - Ray Y ]               [ Vít me bi - Ray Z ]
                                [ Cụm đầu trục chính (Spindle 500W, 12000 rpm) ]
                                [ Cảm biến tiệm cận LJ12A3 & Nút dừng HIVERO ]

Hệ thống cơ khí sử dụng nhôm định hình kết hợp các tấm nhôm và thép định vị gia công chính xác. Bộ truyền động cả 3 trục X, Y, Z đều sử dụng vít me bi cấp chính xác C5 (tải trọng danh định 3,6 kN, sai số bước dẫn trên trục $< 0,015\text{ mm}$) kết hợp ray dẫn hướng tuyến tính và con trượt bi nhằm giảm ma sát, hạn chế khe hở ngược (backlash).

Hạng mục thông số Mục tiêu thiết kế dự kiến Kết quả thiết kế - chế tạo thực tế
Kích thước bao máy ($L \times W \times H$) $900 \times 600 \times 650\text{ mm}$ $854,5 \times 619 \times 623\text{ mm}$
Không gian làm việc hữu ích ($X \times Y \times Z$) $300 \times 300 \times 50\text{ mm}$ $410 \times 300 \times 50\text{ mm}$
Tốc độ quay trục chính ($n_{max}$) $12.000\text{ vòng/phút}$ $12.000\text{ vòng/phút}$
Công suất cắt trục chính $500\text{ W}$ $500\text{ W}$
Tốc độ chạy dao trục X / Y / Z $500\text{ / }300\text{ / }500\text{ mm/phút}$ $500\text{ / }300\text{ / }500\text{ mm/phút}$
Vận tốc chạy nhanh không tải ($v_{1max}$) $2.000\text{ mm/phút}$ $2.000\text{ mm/phút}$
Vận tốc chạy dao khi gia công ($v_{2max}$) $1.000\text{ mm/phút}$ $1.000\text{ mm/phút}$
Độ chính xác gia công $< 0,15\text{ mm}$ Đạt yêu cầu sai số $< 0,15\text{ mm}$

Hệ thống điện và điều khiển bao gồm:

  • Mạch giao tiếp Mach3 CNC kết nối máy tính qua cổng USB.
  • Mạch điều khiển động cơ (Driver bước) nhận tín hiệu xung/hướng (Step/Dir).
  • Mạch hạ áp Buck DC-DC LM2596 (dòng danh định 3A).
  • Bộ nguồn xung tổ ong cấp nguồn công suất $24\text{V}-15\text{A}$ và $48\text{V}-10\text{A}$.
  • Cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3 đặt tại các giới hạn hành trình các trục.
  • Nút nhấn dừng khẩn cấp HIVERO HC25ER-1R và tay quay phát xung 4 trục (MPG) phục vụ rà gá phôi thủ công.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trong gia công cơ khí chính xác và hoạt động nghiên cứu khoa học tại trường đại học. Tác giả xác định rõ 6 mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi giới hạn của máy phay CNC 3 trục, ý nghĩa khoa học và thực tiễn, đồng thời vạch ra quy trình 12 bước thực hiện từ khâu khảo sát tài liệu đến hoàn thiện báo cáo.

Chương 2: Tổng quan về kết cấu và hệ thống dẫn động máy CNC

Nội dung chương tập trung khái quát lịch sử phát triển, định nghĩa hệ thống điều khiển số CNC và ứng dụng trong các ngành chế tạo khuôn mẫu, công nghiệp ô tô, trang trí nội thất. Tác giả lập bảng so sánh chi tiết giữa máy CNC và máy công cụ vạn năng truyền thống trên các tiêu chí: hệ thống điều khiển, độ chính xác, năng suất, tính linh hoạt và chi phí. Chương này cũng phân loại các dòng máy CNC phổ biến (tiện, phay, mài phẳng, khoan, cắt plasma Maxpro, cắt laser fiber, cắt tia nước áp lực cao) và liệt kê hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật ISO, TCVN áp dụng cho thiết kế cơ khí và an toàn điện.

Chương 3: Phương án thiết kế máy phay CNC 3 trục

Tác giả phân tích các kết cấu máy phay trục đứng (dạng công xôn, dạng cổng) và máy phay nằm ngang; so sánh ưu nhược điểm của hai mô hình động học: mô hình cụm phay đứng yên - bàn mang phôi di chuyển và mô hình cụm phay di chuyển - bàn gá phôi cố định. Dựa trên điều kiện chế tạo và yêu cầu gia công chi tiết dạng tấm phẳng, tác giả lựa chọn phương án cụm trục chính di chuyển trên khung cổng trục, bàn máy đứng yên. Chương này cũng đề xuất bảng thông số kỹ thuật dự kiến ban đầu và phân tích bài toán chi phí chế tạo.

Chương 4: Những yếu tố ảnh hưởng tới thiết kế

Được bổ sung theo tiêu chuẩn kiểm định ABET, chương 4 phân tích các yếu tố ràng buộc kỹ thuật và xã hội:

  • Khả năng chế tạo và mua sắm linh kiện tại xưởng RM Lab kết hợp đặt hàng gia công ngoài các chi tiết phức tạp.
  • Yếu tố môi trường (thu gom phoi cắt, xử lý dầu mỡ bôi trơn, sơn phủ chống gỉ cho thép tấm).
  • Tính bền vững và an toàn vận hành (thiết kế tấm chắn phoi, bố trí nút dừng khẩn cấp HIVERO HC25ER-1R, hộp tủ điện cách ly, nối đất an toàn).
  • Quản lý rủi ro kỹ thuật (xử lý hiện tượng khô mỡ ray trượt, khắc phục sai số kích thước khi lắp ráp modul) và tính kinh tế của sản phẩm.

Chương 5: Thiết kế mô hình, tính chọn ray trượt dẫn hướng và vít me bi cho máy phay CNC 3 trục

Chương 5 trình bày toàn bộ quy trình tính toán cơ học chi tiết:

  • Thiết lập mô hình 3D tổng thể trên Solidworks với kích thước bao $854,5 \times 619 \times 623\text{ mm}$, hành trình làm việc thực tế $410 \times 300 \times 50\text{ mm}$.
  • Tính toán chế độ cắt mẫu trên nhôm trắng SS4120 bằng dao phay ngón đường kính $D_c = 6\text{ mm}$, chiều sâu cắt $a_p = 0,4\text{ mm}$, chiều rộng cắt $a_e = 6\text{ mm}$, lượng chạy dao phút $F_d = 800\text{ mm/phút}$, gia tốc cực đại $a = 0,5\text{ m/s}^2$, gia tốc trọng trường $g = 10\text{ m/s}^2$. Kết quả tính toán mômen cắt và lực cắt chính $F_m$ được kiểm chứng qua phần mềm Calculators của Sandvik.
  • Lựa chọn trục vít me bi cấp chính xác C5, đường kính trục phù hợp tải trọng trục $3,6\text{ kN}$, sai số bước dẫn $< 0,015\text{ mm}$, kiểm tra tốc độ quay tới hạn ($N_c$) và tải trọng uốn cho phép ($P$).
  • Tính toán phản lực, tải trọng tương đương, kiểm tra độ bền và tuổi thọ danh định ($L_{dn}$, $L_h$) của ray dẫn hướng và vòng bi đỡ trục cho cả 3 trục X, Y, Z.

Chương 6: Tính chọn động cơ

Tác giả tính toán tổng mômen quán tính khối lượng ($J$) quy đổi về trục động cơ bao gồm quán tính trục vít me, khớp nối và khối lượng cụm chi tiết tịnh tiến ($M_x$, $M_y$, $M_z$). Tính toán mômen ma sát ($T_{fric}$), mômen tải trọng ngoài tĩnh ($T_L$), mômen mở máy động học ($T_{mach}$) và vận tốc góc cực đại của động cơ để chọn công suất động cơ bước dẫn động 3 trục và công suất động cơ trục chính (spindle 500W, dải tốc độ đến $12.000\text{ vòng/phút}$).

Chương 7: Xây dựng sơ đồ mạch điện và phần mềm điều khiển máy phay CNC 3 trục

Trình bày sơ đồ nguyên lý đấu nối hệ thống điện: kết nối board mạch Mach3 USB với các Driver động cơ bước, nguồn xung $24\text{V}-15\text{A}$ và $48\text{V}-10\text{A}$, mạch hạ áp LM2596 3A cấp nguồn phụ trợ, cảm biến hành trình tiệm cận LJ12A3 và tay quay MPG. Tác giả hướng dẫn cấu hình chi tiết phần mềm Mach3 bao gồm: thiết lập bảng chân ra xung điều khiển (Pin Output/Input), cài đặt tín hiệu giới hạn vị trí bàn máy (Limit/Home switches), khai báo thông số điều khiển tốc độ trục chính, và căn chỉnh tỉ số xung/khoảng dịch chuyển (Steps per unit) để đảm bảo độ chính xác vị trí.

Chương 8: Kết quả thực nghiệm

Chương cuối công bố hình ảnh sản phẩm máy phay CNC 3 trục hoàn chỉnh sau chế tạo và lắp ráp. Tác giả tiến hành gia công thử nghiệm thực tế các chi tiết mẫu trên vật liệu gỗ, nhựa và phôi nhôm bằng mã lệnh G-code sinh ra từ Mastercam; đánh giá chất lượng bề mặt, độ chính xác kích thước sau gia công, kiểm tra độ ổn định nhiệt và rung động của hệ thống khi vận hành liên tục.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh máy phay CNC 3 trục dạng cổng với kết cấu vững chắc, kích thước thực tế $854,5 \times 619 \times 623\text{ mm}$, không gian làm việc đạt $410 \times 300 \times 50\text{ mm}$ (vượt mục tiêu thiết kế ban đầu ở trục X là $410\text{ mm}$ so với $300\text{ mm}$).
  • Hệ thống dẫn động sử dụng vít me bi cấp C5 và ray trượt tuyến tính hoạt động trơn tru; đạt vận tốc không tải $2.000\text{ mm/phút}$, vận tốc gia công $1.000\text{ mm/phút}$, độ chính xác dịch chuyển đạt dung sai $< 0,15\text{ mm}$ theo đúng yêu cầu thiết kế.
  • Cụm trục chính 500W đạt dải tốc độ quay tối đa $12.000\text{ vòng/phút}$, gia công cắt gọt ổn định trên các vật liệu thử nghiệm (nhựa, gỗ, nhôm tấm SS4120 với chiều sâu cắt $0,4\text{ mm}$, lượng chạy dao $800\text{ mm/phút}$).
  • Xây dựng hoàn chỉnh tủ điện điều khiển an toàn theo tiêu chuẩn TCVN, tích hợp cảm biến tiệm cận LJ12A3, nút dừng khẩn cấp HIVERO và tay quay phát xung 4 trục điều khiển qua Mach3.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp một giải pháp thiết kế máy CNC cỡ nhỏ có tính khả thi cao, tận dụng linh kiện tiêu chuẩn sẵn có trên thị trường nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo.
  • Hoàn thiện một thiết bị gia công cơ khí chính xác tại chỗ phục vụ trực tiếp cho hoạt động đào tạo, làm đồ án và nghiên cứu khoa học của sinh viên tại phòng thí nghiệm RM Lab, Trường Đại học Phenikaa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong quá trình thực hiện:

  • Tấm chắn phoi quanh bàn máy chưa bao kín toàn bộ không gian phía trên, khiến phoi nhựa và phoi nhôm khi phay tốc độ cao vẫn bị văng ra ngoài khu vực gia công.
  • Các cụm ray dẫn hướng và trục vít me bi chưa có hệ thống bơm dầu mỡ bôi trơn tự động, dễ xuất hiện hiện tượng khô mỡ sau thời gian vận hành dài nếu không được bảo dưỡng định kỳ thủ công.
  • Việc mua sắm linh kiện qua nhiều đợt dẫn đến một số sai lệch kích thước nhỏ giữa các chi tiết, đòi hỏi thời gian chỉnh sửa, căn chỉnh khi lắp ráp.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

  • Thiết kế và lắp đặt bổ sung hệ thống hút phoi chuyên dụng và bao che kín bảo vệ môi trường làm việc.
  • Nghiên cứu tích hợp hệ thống cấp dầu mỡ bôi trơn tự động theo chu kỳ vận hành cho ray trượt và đai ốc bi.
  • Nâng cấp kết cấu cụm đầu trục chính với công suất lớn hơn và bổ sung hệ thống tưới nguội để tăng năng suất và độ bóng bề mặt khi gia công phôi kim loại dày.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Chế tạo máy có định hướng thiết kế, chế tạo máy công cụ CNC cỡ nhỏ. Trong đó, các phần có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

  • Quy trình và công thức tính chọn chi tiết truyền động cơ khí (vít me bi cấp chính xác C5, ray dẫn hướng tuyến tính, tính toán tải trọng động/tĩnh và kiểm tra tuổi thọ).
  • Phương pháp tính toán mômen quán tính quy đổi và lựa chọn công suất động cơ dẫn động các trục.
  • Quy trình sơ đồ mạch điện chi tiết kết nối board Mach3 USB, driver điều khiển, cảm biến tiệm cận, tay quay MPG và các bước thiết lập thông số phần mềm Mach3.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy phay CNC 3 trục trong đồ án sử dụng cấu hình động học nào và tại sao lại chọn phương án đó?
Máy sử dụng cấu hình cụm trục chính gắn trên cổng trục di chuyển dọc theo trục Y, bàn gá phôi đứng yên cố định. Phương án này được chọn vì mở rộng được không gian làm việc hữu ích ($410 \times 300 \times 50\text{ mm}$), giảm diện tích bao ngoài của máy, kết cấu bàn máy vững chắc và phù hợp để gia công các phôi dạng tấm phẳng.

2. Bộ truyền động các trục X, Y, Z sử dụng loại linh kiện nào và cấp chính xác bao nhiêu?
Toàn bộ 3 trục đều sử dụng bộ truyền vít me bi cấp chính xác C5 kết hợp ray trượt dẫn hướng tuyến tính. Vít me bi có tải trọng cho phép $3,6\text{ kN}$ và sai số vị trí dọc trục nhỏ hơn $0,015\text{ mm}$.

3. Hệ thống điều khiển máy sử dụng phần cứng và phần mềm giao tiếp nào?
Hệ thống sử dụng mạch điều khiển CNC giao tiếp với máy tính qua cổng USB, phần mềm điều khiển trung tâm là Mach3 CNC, kết hợp các Driver điều khiển động cơ bước, mạch hạ áp Buck LM2596 (3A), nguồn tổ ong ($24\text{V}-15\text{A}$, $48\text{V}-10\text{A}$), cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3, nút dừng khẩn cấp HIVERO HC25ER-1R và tay quay 4 trục MPG.

4. Chế độ cắt thực nghiệm được thiết lập như thế nào khi gia công thử nghiệm vật liệu nhôm?
Khi gia công phôi nhôm trắng SS4120, tác giả sử dụng dao phay ngón đường kính $6\text{ mm}$, chiều sâu cắt $a_p = 0,4\text{ mm}$, chiều rộng cắt $a_e = 6\text{ mm}$, lượng chạy dao phút $F_d = 800\text{ mm/phút}$, tốc độ trục chính tối đa $12.000\text{ vòng/phút}$ và kiểm tra mômen cắt qua phần mềm Calculators của Sandvik.

5. Sai lệch giữa kích thước thiết kế thực tế và thông số mục tiêu ban đầu là bao nhiêu?
Kích thước bao máy thực tế là $854,5 \times 619 \times 623\text{ mm}$ (dự kiến $900 \times 600 \times 650\text{ mm}$); không gian làm việc thực tế đạt $410 \times 300 \times 50\text{ mm}$ (dự kiến $300 \times 300 \times 50\text{ mm}$, hành trình trục X tăng $110\text{ mm}$ do tối ưu hóa kết cấu gá đặt).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Phạm Trung Nam đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán động lực học, thiết kế mô hình 3D và chế tạo thành công máy phay CNC 3 trục hoạt động ổn định. Máy đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật về độ chính xác gia công ($< 0,15\text{ mm}$), tốc độ quay trục chính ($12.000\text{ vòng/phút}$) và hành trình làm việc trên vật liệu gỗ, nhựa và nhôm SS4120. Sản phẩm tạo ra giải pháp trang thiết bị thực hành, gia công mẫu tin cậy và tiết kiệm chi phí cho phòng thí nghiệm RM Lab tại Trường Đại học Phenikaa.