Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất công nghiệp, máy điều khiển số (CNC) đóng vai trò then chốt trong lĩnh vực gia công cơ khí chính xác, đặc biệt đối với các chi tiết có biên dạng hình học phức tạp. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng máy CNC trong sản xuất, quảng cáo và gia công vật liệu (như gỗ, mica, nhôm, nhựa) là rất lớn. Tuy nhiên, việc nhập khẩu các hệ thống máy CNC 4 trục, 5 trục từ các quốc gia công nghiệp phát triển (Đức, Nhật Bản) thường gặp trở ngại do chi phí đầu tư ban đầu quá cao và khó khăn trong công tác bảo trì, hiệu chỉnh kỹ thuật. Bên cạnh đó, việc gia công thủ công các chi tiết phức tạp hiện nay phụ thuộc lớn vào tay nghề thợ, dễ dẫn đến sai số và phế phẩm.

Nhằm mở rộng tính năng công nghệ của các máy phay CNC 3 trục sẵn có thành hệ thống 5 trục với chi phí thấp, đề tài "Thiết kế chế tạo bộ trục A, C cho máy phay CNC" được triển khai với các nhiệm vụ cụ thể:

  1. Tính toán động lực học, động học và lập phương án thiết kế cơ khí cho bộ trục A và C kiểu bàn xoay nghiêng.
  2. Thiết kế hệ thống truyền động đai răng và lựa chọn động cơ bước, driver điều khiển phù hợp.
  3. Chế tạo hoàn chỉnh kết cấu cơ khí bộ trục A và C bằng vật liệu thép CT3.
  4. Xây dựng cấu hình điều khiển phần cứng trên nền board Mach3 giao tiếp cổng song song (LPT) và thiết lập bộ hậu xử lý (Post Builder) trên phần mềm Siemens NX11 để xuất G-code 5 trục.
  5. Vận hành, thử nghiệm gia công mẫu và đánh giá độ chính xác của hệ thống.
  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí bộ trục quay A và C (bàn xoay nghiêng 2 bậc tự do), hệ thống điều khiển số vòng hở sử dụng phần mềm Mach3, và chương trình CAM đa trục tích hợp bộ Post Builder trên Siemens NX11.
  • Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo mô hình bàn xoay nghiêng tích hợp cho máy phay CNC; không gian làm việc đạt 375 x 260 mm; khả năng gia công thực nghiệm trên các vật liệu phi kim và kim loại mềm (nhựa, giấy, nhôm, mica, gỗ); sai số kích thước gia công cho phép đạt mức 0,1 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết và phương pháp kỹ thuật chế tạo máy chuyên ngành:

  • Khung lý thuyết và mô hình động học: Mô hình máy phay CNC 5 trục cấu hình TTTRR (3 trục tịnh tiến XYZ mang dụng cụ cắt và 2 trục quay AC mang phôi). Lý thuyết truyền động cơ khí (bộ truyền đai răng, trục dẫn động, ổ lăn) dựa trên giáo trình thiết kế hệ dẫn động cơ khí của Trịnh Chất và Lê Văn Uyển; lý thuyết điều khiển vi bước (microstepping) và chống dao động cộng hưởng động cơ bước theo khuyến cáo kỹ thuật của NMB Technologies Corporation và Industrial Circuits Application Note.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Khảo sát thực tiễn: Tìm hiểu cấu tạo các hệ thống máy CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục và các cơ sở gia công phay cắt thực tế.
    • Thiết kế và mô phỏng 3D: Sử dụng phần mềm Siemens NX11 để dựng hình khối 3D toàn bộ kết cấu cụm cơ khí, thiết kế trục, bố trí ổ bi và mô phỏng quỹ đạo chuyển động.
    • Tính toán cơ khí và động lực học: Xác định lực kéo, công suất yêu cầu, tỉ số truyền đai và kiểm tra bền các trục quay.
    • Thực nghiệm và chế tạo: Gia công cơ khí chính xác các chi tiết kết cấu bằng thép CT3, lắp ráp hoàn chỉnh, tích hợp hệ thống điện và mạch điều khiển.
    • Lập trình và tối ưu hóa: Xây dựng bộ hậu xử lý Post Builder trong NX11, chuyển đổi tọa độ không gian Đề-các sang hệ trục máy (X, Y, Z, A, C) và nạp G-code điều khiển thông qua Mach3.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu hình bàn xoay nghiêng điều khiển tự động 2 trục quay A (trục lắc/nghiêng) và C (trục xoay bàn máy), kết hợp với 3 trục tịnh tiến của máy CNC sẵn có để hình thành hệ thống gia công 5 trục.

Hạng mục thông số Trục quay C (Bàn xoay) Trục quay A (Khung nghiêng)
Loại động cơ lựa chọn Động cơ bước VEXTA PK268-02A Động cơ bước VEXTA ASM66AC
Góc bước cơ bản / Độ chính xác 1,8° / ±5% 1,8° / ±5%
Đường kính trục động cơ 6 mm 8 mm
Trọng lượng động cơ 0,75 kg 1,0 kg
Lực kéo tính toán ($F$) 15,09 N 55,33 N
Vận tốc chỉnh theo xung ($V$) 1062 mm/phút (63,72 m/s) 1485 mm/phút (89,1 m/s)
Công suất động cơ tính toán ($P_{đc}$) 298 W 1162 W (1,162 kW)
Tỉ số truyền bộ truyền đai ($u$) 14/45 14/60
Loại dây đai răng sử dụng HTD 490-5M HTD 294-3M

Kiến trúc điều khiển và phần mềm

  • Mạch công suất và điều khiển: Sử dụng Breakout Board Mach3 giao tiếp qua cổng song song máy in (LPT 25 chân); kết hợp các mạch điều khiển động cơ bước chuyên dụng bao gồm mạch driver vi bước 3128A, UDK2120 và B442CV Microstep Drive. Chế độ vi bước được cài đặt linh hoạt (1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128) giúp giảm rung động, triệt tiêu hiện tượng cộng hưởng cơ điện trong dải tần số 50 ÷ 200 xung/giây, tăng độ mịn và độ chính xác dịch chuyển.
  • Quy trình CAM và Hậu xử lý (Post Processing):
    1. Thiết kế phôi và chi tiết 3D trên nền tảng Siemens NX11.
    2. Lập trình chiến lược chạy dao đa trục (Multi-Axis Milling) trên mô-đun CAM của NX11.
    3. Xây dựng tệp Post Processor chuyên biệt bằng NX Post Builder để ánh xạ đúng chuỗi động học của máy (trục A quay quanh trục X, trục C quay quanh trục Z).
    4. Xuất chương trình G-code hoàn chỉnh và nạp trực tiếp vào phần mềm Mach3 trên máy tính điều khiển (hệ điều hành Windows 32-bit).
    5. Thiết lập chuẩn phôi thực tế trên bàn gá và đồng bộ điểm gốc phôi phần mềm trước khi vận hành chu trình cắt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tính cấp thiết của việc tự chủ thiết kế, chế tạo máy và thiết bị CNC trong bối cảnh công nghiệp hóa tại Việt Nam. Nêu rõ ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn trong việc đào tạo sinh viên cơ khí, hỗ trợ sản xuất vừa và nhỏ. Khái quát mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu (không gian gia công 375 x 260 mm, sai số kích thước 0,1 mm). Tổng hợp lịch sử phát triển máy CNC trên thế giới và khảo sát hiện trạng nghiên cứu máy CNC mini, máy CNC chuyên dụng tại các trường đại học lớn trong nước (ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM).

Chương 2: Tổng quan cơ sở lí thuyết

Phân tích nguyên lý hoạt động của máy công cụ điều khiển số và các ưu điểm nổi bật của máy phay CNC 5 trục: rút ngắn chu kỳ sản xuất, gia công các bề mặt không gian phức tạp trong một lần gá đặt, loại bỏ sai số gá đặt lặp lại. Phân loại cấu hình máy 5 trục dựa trên 4 nhóm phối hợp giữa trục tịnh tiến (T) và trục quay (R), trong đó cấu hình 3T-2R (TTTRR) là phổ biến nhất. Khảo sát toàn diện các kiểu bàn xoay: bàn xoay tiêu chuẩn (HV-4 đến HV-16), bàn xoay có lỗ trục lớn, bàn xoay nhiều trục, bàn xoay nghiêng điều khiển bằng tay và bàn xoay nghiêng điều khiển tự động (dòng VUT).

Chương 3: Ý tưởng và giải pháp thiết kế

Tiến hành phân tích chuỗi động học của máy phay CNC 3 trục kiểu TTT và đề xuất giải pháp bổ sung bàn xoay nghiêng 2 trục AC điều khiển tự động. Phân tích ưu nhược điểm của các loại truyền động ma sát và lựa chọn bộ truyền đai răng nhờ ưu điểm truyền động ăn khớp chính xác, không trượt, vận hành êm và tải trọng phân bố đều lên trục. Thiết lập công thức và tính toán thông số động lực học chi tiết cho từng trục:

  • Xác định lực kéo, hiệu suất hệ thống ($\eta = 0,9405$ cho trục C; $\eta = 0,931$ cho trục A).
  • Tính toán công suất tương đương và công suất yêu cầu ($P_{ct} = 0,959\text{ kW}$ cho trục C; $P_{ct} = 4,98\text{ kW}$ cho trục A), làm căn cứ lựa chọn động cơ bước VEXTA PK268-02A và ASM66AC.
  • So sánh ưu nhược điểm giữa động cơ Servo và động cơ bước; phân tích giải pháp điều khiển vi bước nhằm giảm thiểu quá điều chỉnh (overshoots), dưới điều chỉnh (undershoots) và tránh dải tần cộng hưởng 50 ÷ 200 xung/s. Lựa chọn phần mềm điều khiển Mach3 và giải pháp CAD/CAM trên Siemens NX11.

Chương 4: Thiết kế và xây dựng mô hình

Chi tiết hóa quy trình thiết kế cơ khí từ phác thảo ý tưởng đến mô hình 3D hoàn chỉnh. Tính toán, thiết kế trục dẫn động trục A, lựa chọn ổ bi đỡ chặn và thiết kế kết cấu căng đai cho dây đai HTD 490-5M (trục C) và HTD 294-3M (trục A). Trình bày bản vẽ và gia công chế tạo các cụm chi tiết cơ khí bằng vật liệu thép CT3. Thiết kế sơ đồ đấu nối hệ thống điện, bao gồm cổng LPT, Breakout Board Mach3, Driver bước và nút dừng khẩn cấp (E-Stop). Xây dựng quy trình khép kín tạo ra sản phẩm: thiết lập Post Builder 5 trục trên NX11, lập trình đường chạy dao, xuất mã G-code, nạp vào Mach3 và quy trình xác định gốc tọa độ chuẩn phôi trên đồ gá vật lý tương thích với chuẩn phôi phần mềm.

Chương 5: Thực nghiệm – Đánh giá – Đề xuất cải tiến

Trình bày kết quả lắp ráp mô hình thực tế bộ trục A, C hoàn chỉnh với kích thước bao 375 x 260 x 380 mm. Tiến hành chạy thử nghiệm gia công các mẫu chi tiết thực tế có biên dạng phức tạp trên máy. Đánh giá các thông số vận hành, chỉ ra các vấn đề kỹ thuật phát sinh trong quá trình thử nghiệm (rung động do quán tính và độ thẩm mỹ của các mối ghép cơ khí) và đưa ra các đề xuất cải tiến kết cấu cho các phiên bản phát triển tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Chế tạo thành công mô hình phần cứng bộ trục A, C kiểu bàn xoay nghiêng tự động với kích thước bao 375 x 260 x 380 mm, kết cấu khung thép CT3 chắc chắn.
    • Tích hợp đồng bộ hệ thống truyền động đai răng (HTD 490-5M, HTD 294-3M) với hai động cơ bước VEXTA PK268-02A (trục C) và VEXTA ASM66AC (trục A).
    • Hoàn thiện mạch điều khiển ghép nối máy tính qua cổng LPT, điều khiển thành công chuyển động vi bước thông qua phần mềm Mach3.
    • Xây dựng thành công bộ hậu xử lý Post Builder trong Siemens NX11 tương thích với động học máy, xuất G-code 5 trục chính xác và thực nghiệm gia công mẫu đạt sai số kích thước trong giới hạn cho phép (0,1 mm).
  • Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi, chi phí thấp nhằm nâng cấp máy phay CNC 3 trục thông thường thành máy phay CNC 5 trục (cấu hình TTTRR).
    • Xây dựng tài liệu tính toán động lực học, chọn động cơ, thiết kế truyền động đai răng và phương pháp thiết lập Post Builder 5 trục hoàn chỉnh, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo thực hành và nghiên cứu ứng dụng tại các xưởng cơ khí.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận trong đồ án:
    • Hệ thống vẫn xuất hiện hiện tượng rung động nhất định trong quá trình vận hành do đặc tính dao động của động cơ bước và quán tính bàn gá khi đổi chiều quay.
    • Tính thẩm mỹ công nghiệp của các mối lắp ghép cơ khí thủ công chưa đạt mức hoàn thiện cao.
    • Sử dụng hệ thống điều khiển vòng hở (Open-loop), chưa có cảm biến phản hồi vị trí (Encoder) để kiểm soát triệt để hiện tượng mất bước khi chịu tải cắt đột ngột.
  • Hướng phát triển tiếp theo:
    • Khắc phục triệt để rung động cơ học bằng cách tối ưu hóa kết cấu giảm chấn và nâng cấp giải pháp điều khiển động cơ.
    • Nâng cấp hệ thống sang động cơ Servo hoặc động cơ bước có phản hồi vòng kín (Closed-loop Step Motor) nhằm tăng độ cứng vững và độ tin cậy khi cắt gọt kim loại cứng.
    • Tự động hóa hoàn toàn quy trình và phát triển thành một hệ máy phay CNC 5 trục chuyên dụng độc lập hoàn chỉnh.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị đối với:

  • Giảng viên và sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí đang thực hiện các đồ án thiết kế máy CNC, đồ gá chuyên dùng hoặc nghiên cứu gia công đa trục.
  • Kỹ sư cơ khí và kỹ thuật viên vận hành máy quan tâm đến phương pháp xây dựng bộ hậu xử lý (Post Processor) cho máy CNC 4 trục, 5 trục trên phần mềm Siemens NX.
  • Các cơ sở sản xuất cơ khí vừa và nhỏ có định hướng tự chế tạo hoặc nâng cấp bàn xoay gia công chi tiết phức tạp với chi phí đầu tư hợp lý.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận lựa chọn cấu hình động học nào cho hệ thống gia công 5 trục?
Khóa luận lựa chọn cấu hình máy 5 trục kiểu TTTRR (3 trục tịnh tiến XYZ và 2 trục xoay AC), trong đó 3 trục tịnh tiến XYZ điều khiển chuyển động của dụng cụ cắt (dao phay), còn 2 trục quay A (trục nghiêng) và C (trục xoay bàn máy) mang và định vị phôi.

2. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn động cơ bước thay vì động cơ Servo cho bộ trục A, C?
Nhóm tác giả lựa chọn động cơ bước kết hợp phương pháp điều khiển vi bước vì mạch điều khiển đơn giản, giá thành thấp hơn rất nhiều so với hệ thống động cơ Servo có Encoder, phù hợp với điều kiện kinh tế của đề tài mà vẫn đảm bảo đáp ứng được độ chính xác vị trí yêu cầu thông qua việc cài đặt vi bước (1/4 đến 1/128).

3. Những thông số kỹ thuật chính của hai động cơ được tính toán và lựa chọn là gì?
Trục C sử dụng động cơ bước VEXTA PK268-02A (bước góc 1,8°, trục 6 mm, khối lượng 0,75 kg, công suất tính toán 298 W, đi kèm đai HTD 490-5M, tỉ số truyền 14/45). Trục A sử dụng động cơ bước VEXTA ASM66AC (bước góc 1,8°, trục 8 mm, khối lượng 1,0 kg, công suất tính toán 1162 W, đi kèm đai HTD 294-3M, tỉ số truyền 14/60).

4. Khóa luận giải quyết vấn đề xuất mã lệnh điều khiển (G-code) cho máy 5 trục như thế nào?
Nhóm tác giả sử dụng công cụ Post Builder tích hợp trong phần mềm Siemens NX11 để xây dựng bộ hậu xử lý (Post Processor) chuyên biệt. Bộ Post này có nhiệm vụ chuyển đổi tọa độ dao trong không gian Đề-các sang hệ tọa độ 5 trục thực tế của máy (X, Y, Z, A, C) theo đúng vị trí gá đặt phôi, sau đó xuất ra tệp G-code nạp vào phần mềm Mach3.

5. Sai số cho phép và không gian làm việc của thiết bị đạt được là bao nhiêu?
Theo kết quả thiết kế và chế tạo thực nghiệm được công bố trong văn bản, bộ trục A, C có không gian làm việc đạt 375 x 260 mm (kích thước bao 375 x 260 x 380 mm) và sai số kích thước gia công đạt mức cho phép 0,1 mm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo bộ trục A, C cho máy phay CNC" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết thành công bài toán nâng cấp công nghệ phay từ 3 trục lên 5 trục thông qua cơ cấu bàn xoay nghiêng tự động. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán thiết kế cơ khí chính xác, truyền động đai răng, hệ thống điều khiển vi bước bằng phần mềm Mach3 và giải pháp CAM đa trục với Post Builder trên Siemens NX11. Mặc dù còn một số hạn chế về rung động và tính thẩm mỹ lắp ghép, kết quả thử nghiệm đạt sai số 0,1 mm đã khẳng định tính đúng đắn của phương án thiết kế, mang lại giá trị ứng dụng và học thuật thiết thực cho ngành chế tạo máy.