Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đồ án tốt nghiệp trình độ đại học ngành Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử (chuyên ngành Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử) của sinh viên Đặng Phú Cường, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phí Trọng Hùng tại Khoa Cơ khí – Ô tô và Xây dựng, Trường Đại học Điện lực, tập trung vào đề tài: "Thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục gia công mô hình" (Chuyên đề: "Thiết kế mô hình hệ thống").

1. Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC 4 trục xuất phát từ nhu cầu củng cố và vận dụng kiến thức chuyên môn đã tích lũy về cơ khí và tự động hóa. Đề tài hướng tới việc rèn luyện kỹ năng thực hành, tư duy kỹ thuật và tiếp cận quy trình sản xuất hiện đại bao gồm các công đoạn: lập trình điều khiển, thiết kế cơ khí, gia công chế tạo và kiểm tra chất lượng sản phẩm. Thông qua việc hoàn thiện mô hình thực nghiệm, tác giả đặt mục tiêu đóng góp một phần vào nghiên cứu và phát triển công nghệ chế tạo máy CNC tại Việt Nam.

2. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài xác lập 3 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm theo đề cương được duyệt:

  1. Nghiên cứu tổng quan về các thiết bị máy công cụ CNC và máy CNC 4 trục.
  2. Nghiên cứu ứng dụng phần mềm công nghiệp (SolidWorks) để thiết kế mô hình máy CNC 4 trục gia công mô hình.
  3. Nghiên cứu chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC 4 trục phục vụ gia công mô hình.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí 4 trục chuyển động (X, Y, Z, A) và hệ thống điều khiển số cho máy CNC gia công mô hình.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm và xưởng thực hành Khoa Cơ khí – Ô tô và Xây dựng, Trường Đại học Điện lực.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 10/10/2024, hoàn thành nộp quyển ngày 17/01/2025 và bảo vệ ngày 08/02/2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Khung lý thuyết và mô hình học thuật

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy công cụ điều khiển số và hệ thống sản xuất tích hợp:

  • Nguyên lý chuyển động tọa độ: Ứng dụng quy chuẩn ISO về hệ tọa độ Descartes theo nguyên tắc bàn tay phải, bao gồm 3 chuyển động tịnh tiến cơ bản theo các trục $X, Y, Z$ và các chuyển động quay tương ứng $A, B, C$ quanh các trục tọa độ. Mô hình 4 trục bổ sung chuyển động quay quanh trục $X$ (trục $A$).
  • Cấu trúc hệ thống điều khiển số: Lý thuyết điều khiển NC/CNC, cấu trúc giao tiếp giữa bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ điều khiển chuyển động, bộ nhớ đệm, bộ nội suy và khối logic lập trình (PLC/mạch logic).
  • Nguyên lý lập trình và điều khiển: Quy trình xử lý mã lệnh G-code và M-code; phương pháp chuẩn bị chương trình gia công bằng tay và bằng máy tính qua hệ thống CAD/CAM.
  • Mô hình sản xuất tích hợp: Lý thuyết hệ thống sản xuất tích hợp máy tính CIM (Computer Integrated Manufacturing), điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) và hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System).

2. Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và phân tích tài liệu kỹ thuật về máy CNC, phần mềm CAD/CAM, giáo trình vẽ kỹ thuật và tài liệu chuyên ngành SolidWorks.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế 3D: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng hình tham số 3D toàn bộ kết cấu khung vỏ, các cụm trục truyền động, cơ cấu gá đặt và xuất bản vẽ chế tạo 2D.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo tích hợp: Gia công chi tiết, lắp ráp cơ khí với khung nhôm định hình, liên kết bộ truyền vít me - đai ốc bi, ray trượt tròn; đấu nối hệ thống mạch điều khiển phần cứng trên nền tảng vi điều khiển.

3. Nguồn dữ liệu và tài liệu tham khảo

Đồ án sử dụng các nguồn tài liệu kỹ thuật chuẩn mực:

  • Vẽ kỹ thuật 1-2 (Trần Hữu Quế, 2020, NXB Giáo dục).
  • SolidWorks dành cho người bắt đầu (Phạm Quang Huy, 2020, NXB Thanh Niên).
  • Mastering AutoCAD 2021 and AutoCAD LT 2021 (Brian C. Benton, 2021).
  • Các tiêu chuẩn kỹ thuật về mã điều khiển số và linh kiện cơ điện tử thương mại.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Đồ án triển khai đầy đủ quy trình thiết kế kỹ thuật và chế tạo phần cứng cho mô hình máy CNC 4 trục:

1. Thiết kế cơ khí và động học

Cấu trúc cơ học của máy được phân chia thành các cụm kết cấu độc lập và tích hợp lại trên khung máy tổng thể:

  • Khung và bàn máy: Sử dụng thanh nhôm định hình ghép nối, đảm bảo độ cứng vững và trọng lượng phù hợp cho mô hình.
  • Cơ cấu trục X (chuyển động ngang): Chịu trách nhiệm dịch chuyển cụm dao theo phương ngang trên bàn máy; dẫn hướng bằng thanh trượt tròn kết hợp bộ truyền vít me – đai ốc bi.
  • Cơ cấu trục Y (chuyển động dọc): Tạo chuyển động tịnh tiến theo phương dọc của bàn máy hoặc cụm trục.
  • Cơ cấu trục Z (chuyển động thẳng đứng): Điều khiển dịch chuyển nâng/hạ cụm gá trục chính (spindle) để ăn dao theo chiều sâu.
  • Cơ cấu trục A (chuyển động quay): Bổ sung chuyển động xoay phôi quanh trục ngang, cho phép gia công chi tiết dạng tròn xoay hoặc mô hình 3D nhiều mặt mà không cần gá đặt lại.
  • Cụm đầu cắt: Cụm gá trục chính (spindle) chuyên dụng, liên kết trực tiếp với cơ cấu trượt của trục Z.
Cụm cơ cấu Chức năng chuyển động Thành phần dẫn động & dẫn hướng chính
Trục X Tịnh tiến ngang Động cơ bước, vít me - đai ốc bi, thanh trượt tròn
Trục Y Tịnh tiến dọc Động cơ bước, vít me - đai ốc bi, thanh trượt dẫn hướng
Trục Z Tịnh tiến đứng Động cơ bước, vít me bi, ray dẫn hướng, cụm gá spindle
Trục A Chuyển động quay Động cơ bước, cơ cấu kẹp và xoay phôi
Bàn máy Định vị và đỡ phôi/trục Khung ghép thanh nhôm định hình

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng bo mạch mở rộng Arduino CNC Shield V3 kết hợp vi điều khiển để nhận dữ liệu G-code từ máy tính chủ.
  • Khối truyền động: Các driver điều khiển động cơ bước thực hiện phân phối xung tới động cơ bước trên 4 trục chuyển động (X, Y, Z, A).
  • Khối chấp hành gia công: Động cơ trục chính (spindle) đảm nhận truyền chuyển động quay cho dao cắt/mũi đục.
  • Mạch cấp nguồn và kết nối: Hệ thống dây dẫn tín hiệu, công tắc giới hạn hành trình và nguồn cấp một chiều ổn định cho toàn bộ mạch điều khiển.

Nội dung chính theo từng chương

Bố cục đồ án gồm 48 trang nội dung chính, được tổ chức thành 3 chương:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết tổng quan về công nghệ điều khiển số:

  • Lịch sử và định nghĩa: Phân tích quá trình phát triển của máy công cụ từ hệ thống NC do John Parsons khởi xướng tại Đại học Purdue (thập niên 1950) đến các hệ CNC tích hợp CAD/CAM/CIM hiện đại. Định nghĩa máy CNC là máy công cụ điều khiển tự động thông qua các tập lệnh số (G-code, M-code).
  • Đặc điểm kỹ thuật: Phân tích các ưu điểm về độ chính xác (đạt mức micron), độ linh hoạt, tính lặp lại, năng suất sản xuất hàng loạt, tối ưu hóa vật liệu, an toàn lao động; đồng thời chỉ ra nhược điểm về chi phí đầu tư ban đầu và yêu cầu kỹ thuật vận hành.
  • Phân loại máy CNC:
    • Theo công cụ cắt: Máy phay, tiện, mài, cắt dây, đột dập, gọt.
    • Theo số lượng trục: 3 trục (X, Y, Z), 4 trục (bổ sung 1 trục quay/nghiêng), 5 trục và đa trục.
    • Theo vật liệu gia công: Kim loại, gỗ, nhựa - composite, thiết bị y tế.
    • Theo chức năng công nghệ: Nhóm máy tiện, nhóm máy phay, nhóm máy mài và trung tâm gia công.
  • Cấu tạo và nguyên lý vận hành: Trình bày chi tiết 9 thành phần cơ bản (Bộ điều khiển, động cơ, bàn làm việc, công cụ cắt, hệ thống làm mát/bôi trơn, các trục di chuyển, bộ dẫn hướng, bộ thay dao tự động, bảng điều khiển). Mô tả hệ tọa độ Descartes, nguyên tắc gá đặt bàn máy, chức năng khối điều khiển logic (PLC), các khối vào/ra (I/O), bộ nhớ RAM/Flash và bus liên lạc.
  • Phương pháp chuẩn bị chương trình: So sánh quy trình lập trình bằng tay (tính toán tọa độ, vẽ đường chuyển dao, bù dao) và lập trình bằng máy tính (tự động hóa tính toán hình học qua phần mềm). Giới thiệu hệ thống điều khiển số trực tuyến DNC và hệ thống gia công linh hoạt FMS.

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM CÔNG NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY CNC 4 TRỤC GIA CÔNG MÔ HÌNH

Chương 2 trình bày ứng dụng công cụ CAD trong thiết kế cơ khí:

  • Tổng quan phần mềm SolidWorks: Giới thiệu lịch sử hình thành (Jon Hirschtick thành lập năm 1993, phát hành bản đầu tiên chạy trên Windows năm 1995, Dassault Systèmes mua lại năm 1997), các mốc phát triển và các tính năng chính (thiết kế tham số 3D, xuất bản vẽ 2D, mô phỏng phần tử hữu hạn FEA, mô phỏng động học, quản lý dữ liệu EPDM, tích hợp CAM).
  • Ứng dụng thực tiễn của phần mềm: Khảo sát ứng dụng SolidWorks trong thiết kế sản phẩm cá nhân, nội thất, in 3D, giáo dục đào tạo và chế tạo cơ khí.
  • Thiết kế 3D mô hình máy CNC 4 trục:
    • Xây dựng bản vẽ 3D tổng thể mô hình máy CNC 4 trục.
    • Thiết kế chi tiết cụm trục X: Xác định vai trò tạo chuyển động ngang và phối hợp đa trục; phân tích ưu điểm (giá thành rẻ, dễ lắp ráp, bảo trì) và nhược điểm (độ chính xác cơ học giới hạn) của kết cấu thanh trượt tròn.
    • Thiết kế cụm trục Y, cụm trục Z, cụm trục A và cụm gá đỡ spindle.
    • Thiết kế bàn máy từ các thanh nhôm định hình ghép nối và hệ thống giá đỡ chi tiết.

CHƯƠNG III: CHẾ TẠO VÀ LẮP RÁP MÁY CNC 4 TRỤC ĐỤC MÔ HÌNH

Chương 3 tập trung vào khâu hiện thực hóa phần cứng:

  • Lựa chọn thiết bị điều khiển: Khảo sát và lựa chọn các linh kiện phần cứng phù hợp với quy mô mô hình, bao gồm bo mạch điều khiển Arduino CNC Shield V3, các module điều khiển động cơ bước và động cơ bước cho từng trục.
  • Lắp đặt mạch điều khiển: Đấu nối dây tín hiệu từ board Arduino CNC Shield V3 tới các driver, động cơ bước, công tắc hành trình và spindle; kiểm tra thông mạch và nguồn cấp.
  • Quy trình lắp ráp cơ khí: Lắp đặt khung máy, ghép nối bàn máy nhôm định hình, căn chỉnh bộ truyền vít me – đai ốc bi, lắp đặt hệ thống dẫn hướng thanh trượt tròn cho trục X, liên kết trục Y, trục Z và trục xoay A, cố định động cơ trục chính lên gá spindle.
  • Kiểm tra và hoàn thiện: Hoàn thiện mô hình máy hoàn chỉnh sau khi tích hợp toàn bộ cơ khí và điện điều khiển.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả chính đạt được

  • Bản vẽ thiết kế: Hoàn thành bộ bản vẽ kỹ thuật 3D và 2D chi tiết của toàn bộ hệ thống máy CNC 4 trục trên phần mềm SolidWorks, bao gồm bản vẽ tổng thể và bản vẽ phân rã từng cụm trục (X, Y, Z, A, bàn máy, gá spindle).
  • Mô phỏng kết cấu: Thực hiện mô phỏng chuyển động và kiểm tra không gian làm việc của mô hình trên môi trường thiết kế 3D.
  • Chế tạo phần cứng: Chế tạo và lắp ráp thành công mô hình vật lý máy CNC 4 trục hoàn chỉnh; tích hợp đồng bộ giữa khung cơ khí nhôm định hình, bộ truyền vít me bi, ray trượt tròn và hệ thống điều khiển Arduino CNC Shield V3.

2. Đóng góp của đề tài

  • Đề xuất một quy trình thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục quy mô mô hình với chi phí tối ưu, sử dụng các linh kiện cơ điện tử phổ biến.
  • Cung cấp mô hình trực quan phục vụ công tác giảng dạy, học tập và thực hành các môn học Cơ điện tử, Kỹ thuật vi điều khiển và Công nghệ CNC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Mô hình sử dụng hệ dẫn hướng thanh trượt tròn nhằm tối ưu hóa chi phí chế tạo, dẫn đến độ cứng vững và độ chính xác chuyển động còn hạn chế so với các hệ dẫn hướng công nghiệp (thanh trượt vuông).
  • Hệ thống điều khiển sử dụng bo mạch Arduino CNC Shield V3 phù hợp cho gia công mô hình thử nghiệm và vật liệu mềm, chưa đáp ứng được yêu cầu gia công tải nặng công nghiệp.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp hệ thống dẫn hướng sang thanh trượt vuông có độ chính xác cao và tăng cường độ cứng vững cho khung máy.
  • Nghiên cứu tích hợp các bộ điều khiển công nghiệp chuyên dụng, bổ sung cảm biến hồi tiếp vòng kín để nâng cao độ chính xác gia công.
  • Thử nghiệm lập trình CAM chuyên sâu cho trục thứ tư (trục A) trên nhiều dạng biên dạng hình học phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu về cấu trúc đồ án tốt nghiệp thiết kế - chế tạo hệ thống cơ điện tử từ khâu ý tưởng, dựng hình 3D SolidWorks đến lắp ráp phần cứng.
  • Người nghiên cứu chế tạo máy CNC tự chế (DIY CNC): Tham khảo quy trình tích hợp mạch Arduino CNC Shield V3 với động cơ bước và kết cấu cơ khí 4 trục chuyển động.
  • Các nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình thiết kế cụm trục chuyển động trên SolidWorks (Chương 2) và sơ đồ tích hợp mạch điều khiển phần cứng (Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng phần mềm công nghiệp nào để thiết kế mô hình máy CNC 4 trục?
Tác giả sử dụng phần mềm SolidWorks (Dassault Systèmes) để xây dựng toàn bộ mô hình 3D, thiết kế chi tiết các cụm trục (X, Y, Z, A), bàn máy, cụm gá spindle và xuất bản vẽ kỹ thuật chế tạo. Ngoài ra, phần mềm AutoCAD cũng được đề cập trong danh mục tài liệu tham khảo phục vụ vẽ kỹ thuật.

2. Mô hình máy CNC trong đồ án có kết cấu chuyển động gồm những trục nào?
Máy có cấu trúc 4 trục chuyển động theo hệ tọa độ Descartes mở rộng:

  • Trục X: Chuyển động tịnh tiến theo phương ngang.
  • Trục Y: Chuyển động tịnh tiến theo phương dọc.
  • Trục Z: Chuyển động tịnh tiến theo phương thẳng đứng (nâng/hạ dao cắt).
  • Trục A: Chuyển động quay quanh trục X để xoay phôi khi gia công mô hình 3D.

3. Khối điều khiển phần cứng của máy CNC 4 trục được xây dựng trên nền tảng nào?
Khối điều khiển của mô hình sử dụng bo mạch vi điều khiển kết hợp với bo mạch mở rộng Arduino CNC Shield V3, kết nối với các driver điều khiển động cơ bước và động cơ trục chính (spindle) để thực thi mã lệnh G-code từ máy tính.

4. Vì sao tác giả lựa chọn thanh trượt tròn cho kết cấu dẫn hướng của cụm trục X?
Theo phân tích trong đồ án, thanh trượt tròn được lựa chọn cho mô hình vì 3 ưu điểm chính: giá thành rẻ (phù hợp ngân sách đồ án), cấu tạo đơn giản dễ lắp đặt, bảo trì và khả năng chịu tải vừa phải, đáp ứng tốt cho các dòng máy CNC kích thước nhỏ và vừa.

5. Đồ án phân loại phương pháp chuẩn bị chương trình gia công CNC thành những hình thức nào?
Đồ án phân chia thành 2 hình thức:

  • Chuẩn bị chương trình bằng tay: Người lập trình tự tính toán tọa độ, viết mã lệnh G-code dựa trên bản vẽ chi tiết và chế độ cắt.
  • Chuẩn bị chương trình bằng máy tính: Tự động hóa quá trình tính toán hình học, quỹ đạo dao và xuất mã G-code thông qua phần mềm CAD/CAM chuyên dụng.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục gia công mô hình" của sinh viên Đặng Phú Cường đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu nghiên cứu đề ra theo chương trình đào tạo ngành Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử tại Trường Đại học Điện lực. Tác giả đã hệ thống hóa lý thuyết về hệ thống điều khiển số CNC, ứng dụng thành công phần mềm SolidWorks để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí 4 trục và chế tạo thành công mô hình vật lý hoạt động với mạch điều khiển Arduino CNC Shield V3. Công trình là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên và kỹ sư trong lĩnh vực thiết kế cơ điện tử và chế tạo máy công cụ điều khiển số.