Đồ án thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc CNC 3 trục tại HCMUTE

Máy CNC (Computer Numerical Controlled) có lịch sử phát triển đáng kể. Năm 1949, mẫu máy NC (Numerical Controlled) đầu tiên được tạo ra tại MIT (Viện công nghệ Massachusetts) để sản xuất các chi tiết máy bay phức tạp. Năm 1952, máy phay đứng 3 trục điều khiển số xuất hiện. Những năm 1960 chứng kiến sự phát triển của máy NC trong công nghiệp, tuy nhiên, tốc độ xử lý chậm và giao tiếp người-máy khó khăn. Việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy khắc CNC 3 trục dựa trên nền tảng kiến thức này, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và khả năng ứng dụng. CNC 3 trục hiện đại khắc phục được những hạn chế ban đầu, đạt độ chính xác cao và linh hoạt hơn. Thiết kế v à chế tạo máy CNC cần nghiên cứu kỹ lưỡng lịch sử phát triển để chọn giải pháp tối ưu.

Máy khắc CNC 3 trục có nhiều ứng dụng quan trọng trong sản xuất. Trong ngành chế biến gỗ, máy này giúp gia công các sản phẩm gỗ với độ chính xác cao, đặc biệt là các hình dạng 3D phức tạp. Ứng dụng máy khắc CNC 3 trục không chỉ giới hạn ở gỗ, mà còn mở rộng sang nhiều vật liệu khác. Khả năng tự động hóa cao của máy giúp tăng năng suất, giảm chi phí lao động. Ứng dụng công nghệ CNC 3 trục trong sản xuất mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể. Việc chế tạo máy khắc CNC 3 trục nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng, từ sản xuất hàng loạt đến sản xuất quy mô nhỏ. Máy CNC 3 trục giá rẻ trở thành mục tiêu nghiên cứu quan trọng để phổ biến công nghệ này rộng rãi hơn.

Thiết kế kết cấu cơ khí của máy khắc CNC 3 trục là phần quan trọng nhất. Nó bao gồm việc thiết kế khung máy, hệ thống truyền động, hệ thống dẫn hướng cho ba trục X, Y, Z. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là yếu tố quyết định đến độ bền và khả năng chịu lực của máy. Thiết kế một số chi tiết máy được thực hiện trên phần mềm Solidworks 2014. Quá trình lắp ráp từng cụm máy cần tuân thủ nghiêm ngặt các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo độ chính xác và khả năng vận hành ổn định. Kết cấu tổng thể máy khắc gỗ CNC 3 trục phải đảm bảo tính gọn nhẹ, dễ vận hành và bảo trì. Giải pháp thiết kế máy CNC 3 trục cần tính đến yếu tố kinh tế, vật liệu dễ tìm kiếm và giá thành hợp lý.

Việc lựa chọn cơ cấu dẫn động và động cơ cho máy khắc CNC 3 trục ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ chính xác của máy. Động cơ dẫn động các trục tọa độ thường là động cơ bước (stepper motor) vì tính chính xác cao và dễ điều khiển. Động cơ một chiều (DC motor) có thể được sử dụng trong một số trường hợp nhất định. Vít me đai ốc và ray dẫn hướng được lựa chọn dựa trên tải trọng và tốc độ yêu cầu. Tính toán các thông số máy như mô men xoắn, lực cắt, tốc độ quay là rất quan trọng để đảm bảo sự hoạt động ổn định và hiệu quả của máy. Chọn kiểu lắp đặt và tính lực cắt là bước quan trọng trong quá trình thiết kế. Nguyên lý hoạt động máy CNC 3 trục dựa trên sự phối hợp chính xác của các bộ phận này.

Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy khắc CNC 3 trục là một bước quan trọng. Sơ đồ hệ thống điều khiển bao gồm vi điều khiển, driver động cơ, mạch nguồn, và các cảm biến. Vi điều khiển (Arduino Mega2560) đóng vai trò trung tâm trong việc xử lý tín hiệu và điều khiển động cơ. Driver TB6560 điều khiển động cơ bước, đảm bảo độ chính xác và ổn định. Mạch công suất động cơ trục chính cung cấp năng lượng cho động cơ chính. Sơ đồ hệ thống điều khiển cần được thiết kế cẩn thận để đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy. Chuyển dữ liệu từ bản vẽ qua G-code là bước trung gian quan trọng.

Lập trình máy khắc CNC 3 trục sử dụng ngôn ngữ G-code. Phần mềm ArtCAM9 được sử dụng để thiết kế và tạo ra mã G-code. Phần mềm Grblcontroller3 được sử dụng để điều khiển máy. Arduino IDE được sử dụng để lập trình cho vi điều khiển. Thuật toán nội suy được sử dụng để tính toán đường đi của dao. Lưu đồ thuật toán nội suy lệnh G0 và G1 được thiết kế để đảm bảo độ chính xác của đường đi dao. Khái quát GRBL là một firmware mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi. Các tính năng mới trong GRBL v0.88 đã cải thiện hiệu suất và khả năng của hệ thống điều khiển.