Tổng quan nghiên cứu

Máy CNC (Computer Numerical Control) đã trở thành công nghệ chủ đạo trong gia công cơ khí với độ chính xác cao và khả năng tự động hóa vượt trội. Tại Việt Nam, các máy CNC gia công gỗ hiện nay chủ yếu là loại cố định với kích thước lớn, gây hạn chế về kích thước sản phẩm và tính linh hoạt trong quá trình gia công. Theo ước tính, các máy CNC cố định chỉ có thể gia công các sản phẩm có kích thước giới hạn, dẫn đến việc phải lắp ghép nhiều phần cho các sản phẩm lớn, làm giảm độ bền và tăng chi phí sản xuất.

Trước thực trạng này, luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khắc gỗ CNC di động với trọng lượng khoảng 40 kg, có thể dễ dàng di chuyển và gia công trên các mặt phẳng lớn ở nhiều vị trí khác nhau như mặt bàn, tủ, giường, hoặc các bức tường đứng và nghiêng. Máy có 3 trục chuyển động độc lập X, Y, Z với hành trình lần lượt là 150 mm, 200 mm và 80 mm, sử dụng động cơ bước cho các trục và động cơ servo cho trục chính (spindle) với tốc độ quay lên đến 24.000 vòng/phút. Sai số gia công được kiểm soát trong khoảng ±0.1 mm, đảm bảo độ chính xác cao cho sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển một máy CNC di động có kết cấu cơ khí gọn nhẹ, độ rung thấp, dễ vận hành và có khả năng gia công các sản phẩm gỗ cứng như Gõ, Hương, Lim, Trắc với chất lượng tương đương máy nhập khẩu nhưng chi phí thấp hơn khoảng 1/3. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế kết cấu cơ khí, mô phỏng ứng suất và biến dạng bằng phần mềm Ansys, chế tạo và thực nghiệm máy tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2016. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm mỹ nghệ gỗ, đồng thời thúc đẩy phát triển công nghiệp chế tạo máy CNC trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nguyên lý chuyển động hệ trục tọa độ Descartes: Máy CNC hoạt động dựa trên hệ trục X, Y, Z độc lập, trong đó chi tiết gia công đứng yên, phần đầu dao phay di chuyển theo các trục. Quy tắc bàn tay phải được áp dụng để xác định hướng chuyển động và vị trí trong không gian ba chiều.

  • Lý thuyết động cơ bước và động cơ servo: Động cơ bước được chọn cho các trục X, Y, Z nhờ ưu điểm chi phí thấp, điều khiển chính xác góc quay và khả năng hoạt động trong mạch điều khiển hở. Động cơ servo được sử dụng cho trục chính (spindle) nhằm đảm bảo tốc độ cao (10.000 - 30.000 vòng/phút), mô men lớn và độ ổn định khi gia công.

  • Mô hình tính toán lực cắt khi gia công gỗ cứng: Lực cắt lớn nhất được xác định dựa trên các thông số vật liệu gỗ (khối lượng thể tích 0.9 g/cm³, hàm lượng keo 12%), chế độ cắt (phay bề mặt), và đặc tính dao phay (đường kính 6 mm, chiều rộng cắt 10 mm). Công thức tính lực cắt và công suất động cơ được áp dụng để lựa chọn động cơ phù hợp.

  • Mô phỏng ứng suất và biến dạng bằng phần mềm Ansys: Các chi tiết chính của máy như đế trục X, đế trục Y, khung máy được mô phỏng chịu tải trọng 300 N tương đương lực cắt lớn nhất để đánh giá độ bền và độ biến dạng, đảm bảo sai số gia công trong giới hạn cho phép.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành về máy CNC, động cơ bước, động cơ servo, tính toán lực cắt gỗ, và các tiêu chuẩn kỹ thuật từ sách, báo cáo khoa học, và các nguồn trực tuyến uy tín.

  • Phương pháp thiết kế: Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế kết cấu cơ khí máy CNC di động, bao gồm các bộ phận trục vít me bi, thanh trượt vuông, đế lắp trục và khung máy bằng hợp kim nhôm.

  • Phương pháp mô phỏng: Áp dụng phần mềm Ansys để mô phỏng ứng suất và biến dạng các chi tiết máy dưới tải trọng 300 N, đánh giá khả năng chịu lực và độ ổn định của kết cấu.

  • Phương pháp chế tạo và thực nghiệm: Chế tạo máy CNC theo bản vẽ thiết kế, lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành thử nghiệm gia công các hình dạng cơ bản trên gỗ như hình chữ nhật, hình tròn, và chữ S để kiểm tra sai số thực tế so với mô phỏng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu bắt đầu từ tháng 12/2015, hoàn thành thiết kế và mô phỏng trong quý 1 và quý 2 năm 2016, chế tạo và thực nghiệm trong quý 3 năm 2016, hoàn thiện luận văn vào tháng 9/2016.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế kết cấu cơ khí tối ưu: Phương án thiết kế kết cấu cơ khí được lựa chọn là trục X và trục Y chuyển động độc lập, khung máy di chuyển dọc theo trục Y, trong đó chi tiết gia công đứng yên. Kết cấu này giúp máy gọn nhẹ, trọng lượng khoảng 40 kg, phù hợp với yêu cầu di động.

  2. Lực cắt lớn nhất và lựa chọn động cơ: Lực cắt lớn nhất khi gia công gỗ cứng được tính là 2210 N, tương ứng công suất cắt 93 W. Động cơ bước size 57 được chọn cho các trục X, Y, Z với công suất động cơ khoảng 124 W, đảm bảo khả năng vận hành ổn định. Động cơ servo Makita RT0700C công suất 710 W được sử dụng cho trục chính, đáp ứng tốc độ quay 10.000 - 30.000 vòng/phút.

  3. Kết quả mô phỏng ứng suất và biến dạng: Mô phỏng bằng Ansys cho thấy ứng suất lớn nhất trên đế trục X là khoảng 1 MPa, thấp hơn nhiều so với giới hạn chịu lực của hợp kim nhôm (280 MPa). Độ biến dạng lớn nhất của đế trục X dưới tải 300 N là khoảng 0.01 mm, nằm trong sai số cho phép ±0.1 mm. Tương tự, các chi tiết đế trục Y và khung máy cũng đáp ứng yêu cầu về độ bền và độ ổn định.

  4. Kết quả thực nghiệm gia công: Máy đã thực hiện thành công các bài gia công hình chữ nhật 70x50 mm, hình tròn đường kính 80 mm và hình chữ S trên gỗ với sai số thực nghiệm so với mô phỏng dưới 0.1 mm, chứng minh độ chính xác và hiệu quả của thiết kế.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy CNC di động có thể gia công các sản phẩm gỗ cứng với độ chính xác cao và năng suất vượt trội so với phương pháp điêu khắc thủ công truyền thống. Việc lựa chọn động cơ bước cho các trục chuyển động giúp giảm chi phí và đơn giản hóa hệ thống điều khiển, trong khi động cơ servo cho trục chính đảm bảo tốc độ và độ bóng bề mặt gia công. Mô phỏng ứng suất và biến dạng bằng Ansys là công cụ hiệu quả để đánh giá và tối ưu kết cấu cơ khí, giúp giảm thiểu sai số và tăng độ bền máy.

So sánh với các nghiên cứu và sản phẩm máy CNC cố định trong nước và nước ngoài, máy CNC di động do luận văn thiết kế có ưu điểm vượt trội về tính linh hoạt, khả năng gia công trên các bề mặt lớn và đa dạng vị trí, đồng thời có giá thành thấp hơn khoảng 1/3 so với máy nhập khẩu. Điều này mở ra cơ hội phát triển sản phẩm CNC nội địa chất lượng cao, phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam.

Dữ liệu kết quả có thể được trình bày qua các biểu đồ ứng suất và biến dạng chi tiết, bảng so sánh sai số thực nghiệm và mô phỏng, cũng như hình ảnh thực nghiệm gia công các hình dạng mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển tích hợp: Thiết kế và tích hợp bộ điều khiển CNC riêng biệt trên thân máy với giao diện USB, màn hình LCD và nút bấm trực quan nhằm tăng tính tiện dụng và giảm phụ thuộc vào máy tính bên ngoài. Thời gian thực hiện: 6 tháng; Chủ thể: Công ty Cơ Điện Tử Hiệp Phát phối hợp với nhóm nghiên cứu.

  2. Nâng cao độ bền và giảm trọng lượng máy: Sử dụng vật liệu hợp kim nhôm cao cấp hoặc vật liệu composite cho các chi tiết khung máy để giảm trọng lượng dưới 35 kg, đồng thời tăng độ cứng và giảm rung động. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Phòng thí nghiệm cơ khí và nhà sản xuất vật liệu.

  3. Mở rộng hành trình gia công: Thiết kế các phiên bản máy với hành trình trục X, Y, Z lớn hơn (ví dụ 300x400x100 mm) để đáp ứng nhu cầu gia công các sản phẩm kích thước lớn hơn, đồng thời giữ nguyên tính di động. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất máy CNC.

  4. Phát triển phần mềm điều khiển và lập trình CNC thân thiện: Xây dựng phần mềm điều khiển dễ sử dụng, hỗ trợ nhập liệu trực tiếp từ USB, tích hợp các chức năng mô phỏng gia công và tối ưu đường chạy dao. Thời gian thực hiện: 9 tháng; Chủ thể: Đội ngũ phát triển phần mềm CNC.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo vận hành, bảo trì máy CNC di động cho các doanh nghiệp và làng nghề điêu khắc gỗ nhằm nâng cao năng lực sản xuất và ứng dụng công nghệ mới. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Trường Đại học Công Nghệ TP. HCM và các đối tác doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất đồ gỗ mỹ nghệ: Có thể ứng dụng máy CNC di động để gia công các sản phẩm có kích thước lớn, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí nhân công và thời gian gia công.

  2. Làng nghề truyền thống điêu khắc gỗ: Giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm sự phụ thuộc vào kỹ năng thủ công, đồng thời bảo tồn và phát triển nghề truyền thống với công nghệ hiện đại.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí, tự động hóa: Tham khảo phương pháp thiết kế kết cấu cơ khí, lựa chọn động cơ, mô phỏng ứng suất và biến dạng, cũng như quy trình chế tạo và thử nghiệm máy CNC.

  4. Các công ty chế tạo máy CNC và thiết bị tự động hóa: Áp dụng các kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm máy CNC di động phù hợp với thị trường trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao sức cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy CNC di động có thể gia công những loại vật liệu nào?
    Máy được thiết kế chủ yếu để gia công gỗ cứng như Gõ, Hương, Lim, Trắc và các loại ván dăm. Ngoài ra, với động cơ servo công suất 710 W và tốc độ spindle lên đến 30.000 vòng/phút, máy có thể gia công các vật liệu mềm khác như mica, nhôm, đồng với độ chính xác cao.

  2. Độ chính xác gia công của máy đạt được là bao nhiêu?
    Sai số gia công được kiểm soát trong khoảng ±0.1 mm, phù hợp với các sản phẩm mỹ nghệ và điêu khắc gỗ có yêu cầu độ tinh xảo cao. Kết quả thực nghiệm cho thấy sai số thực tế so với mô phỏng không vượt quá giới hạn này.

  3. Máy có thể gia công trên các bề mặt đứng hay nghiêng không?
    Có, máy CNC di động được thiết kế để gia công trên các mặt phẳng lớn đặt nằm ngang, đứng hoặc nghiêng. Trong trường hợp mặt đứng vuông góc 90 độ, máy có thể được treo để đảm bảo ổn định khi gia công.

  4. Làm thế nào để điều khiển máy mà không cần máy tính?
    Máy được tích hợp bộ điều khiển riêng trên thân máy với cổng kết nối USB, màn hình LCD và các nút bấm trực quan, cho phép truyền dữ liệu và điều khiển trực tiếp mà không cần kết nối với máy tính bên ngoài.

  5. Chi phí sản xuất máy CNC di động so với máy nhập khẩu như thế nào?
    Máy CNC di động do nghiên cứu thiết kế có giá thành thấp hơn khoảng 1/3 so với các máy CNC di động nhập khẩu cùng loại, giúp giảm chi phí đầu tư và tăng khả năng cạnh tranh cho các doanh nghiệp trong nước.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công máy khắc gỗ CNC di động với trọng lượng khoảng 40 kg, hành trình trục X, Y, Z lần lượt là 150, 200, 80 mm, đáp ứng yêu cầu di động và gia công trên nhiều bề mặt khác nhau.
  • Lực cắt lớn nhất khi gia công gỗ cứng được xác định là 2210 N, từ đó lựa chọn động cơ bước cho các trục và động cơ servo cho trục chính phù hợp với công suất và tốc độ yêu cầu.
  • Mô phỏng ứng suất và biến dạng bằng Ansys cho thấy kết cấu cơ khí máy đảm bảo độ bền và sai số gia công trong giới hạn cho phép ±0.1 mm.
  • Thực nghiệm gia công các hình dạng cơ bản trên gỗ chứng minh độ chính xác và hiệu quả của máy, phù hợp với nhu cầu sản xuất mỹ nghệ và điêu khắc gỗ.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển hệ thống điều khiển, nâng cao vật liệu, mở rộng hành trình gia công và đào tạo chuyển giao công nghệ nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi máy CNC di động trong thực tế.

Quý độc giả và các doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ với Trường Đại học Công Nghệ TP. HCM để được hỗ trợ tư vấn và hợp tác phát triển sản phẩm máy CNC di động chất lượng cao, góp phần thúc đẩy ngành công nghiệp chế tạo máy trong nước.