Thiết kế và chế tạo máy khắc CNC 3 trục tại HCMUTE

LỜI CAM KẾT

LỜI CÁM ƠN

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

ABSTRACT

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.3. Giới hạn của đề tài

1.4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

1.5. Nội dung nghiên cứu

1.6. Phương pháp nghiên cứu

2. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

2.1. Tổng quan về máy CNC

2.1.1. Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC

2.1.2. Những đặc điểm cơ bản của máy CNC

2.2. Giới thiệu chung về máy phay CNC

2.2.1. Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta

2.2.2. Phân loại máy phay CNC

2.2.3. Giới thiệu về một số mẫu mã máy phay CNC đang có trên thị trường

3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1. Các phương pháp điều khiển số trên máy CNC

3.2. Cấu trúc tổng thể máy CNC mini

3.2.1. Phần điều khiển

3.2.2. Phần chấp hành

3.3. Hệ trục tọa độ trên máy CNC

3.4. Phương pháp nội suy trên máy CNC

3.4.1. Nội suy đường thẳng (linear interpolation)

3.4.2. Nội suy cung tròn

3.4.3. Nội suy đường xoắn ốc (Helical Interpolation)

3.4.4. Nội suy parabol (Parabolic Interpolation)

3.4.5. Nội suy bậc ba (Cubic)

3.5. Cơ sở lập trình NC

3.5.1. Một số khái niệm cơ bản

3.5.1.1. Chương trình NC

3.5.1.2. Lập trình NC

3.5.1.3. Định dạng của một chương trình NC

4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

4.1. Yêu cầu đề tài

4.2. Phương án thiết kế

4.3. Chọn phương án

5. CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

5.1. Thiết kế kết cấu phần cơ khí

5.1.1. Thiết kế một số chi tiết máy trên phần mềm Solidworks

5.1.2. Lắp ráp từng cụm máy

5.1.3. Kết cấu tổng thể của máy khắc gỗ CNC 3 trục

5.2. Lựa chọn cơ cấu dẫn động

5.2.1. Động cơ dẫn động các trục tọa độ

5.2.2. Động cơ một chiều (DC motor)

5.3. Giới thiệu về động cơ bước

5.4. Tính và chọn công suất động cơ điện

5.5. Lựa chọn cơ cấu truyền động

5.5.1. Vít me đai ốc

5.5.1.1. Vít me đai ốc thường

5.5.1.2. Vít me đai ốc bi

5.5.2. Phương án dùng đai

5.6. Tính toán các thông số máy

5.6.1. Chọn kiểu lắp đặt và tính lực cắt

5.6.2. Tính toán lựa chọn trục vít me, ổ bi đỡ cho trục vít me

5.6.2.1. Chọn kiểu bi

5.6.2.2. Tính toán tải trọng

5.6.2.3. Tốc độ quay cho phép

5.6.2.4. Tính toán momen

5.6.2.5. Momen do tải trọng đặt trước

5.6.2.6. Momen do lực ma sát

5.6.2.7. Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít

5.6.3. Tính toán và chọn ray dẫn hướng cho bàn X và bàn Y

5.6.3.1. Tính chọn ray cho bàn X

5.6.3.2. Tính chọn ray cho bàn Y

5.6.4. Tính toán chọn động cơ

5.6.4.1. Tính Momen quy đổi

5.7. Chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục

5.7.1. Một số hình ảnh về quá trình gia công chế tạo

5.8. Xây dụng hệ thống điều khiển

5.8.1. Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển

5.8.2. Tính toán, lựa chọn các bộ phận cho hệ thống điều khiển

5.8.2.1. Mạch điều khiển trung tâm

5.8.2.2. Giới thiệu chung về arduino

5.9. Giải thuật điều khiển

5.9.1. Chuyễn dữ liệu từ bản vẽ qua G-code

5.9.2. Đọc và xử lý dữ liệu G-code

5.10. Phần mềm điều khiển

5.10.1. Phần mềm thiết kế và tạo g-code ArtCAM9

5.10.2. Phần mềm điều khiển Grblcontroller3

5.10.3. Phần mềm lập trình Arduino

5.11. Khái quát GRBL

6. CHƯƠNG 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

6.1. Một số sản phẩm gia công thực nghiệm

6.2. Đánh giá, phân tích nguyên nhân và khắc phục lỗi

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Thiết kế máy khắc CNC 3 trục Khái niệm và tổng quan

Đề tài tập trung vào thiết kế và chế tạo máy khắc CNC 3 trục, một hệ thống điều khiển số tự động. Máy khắc CNC 3 trục sử dụng chương trình định sẵn để điều khiển chuyển động, tạo ra sản phẩm chính xác cao. Nghiên cứu bao gồm khảo sát các loại máy hiện có, thiết kế kết cấu cơ khí (sử dụng phần mềm Solidworks 2014), thiết kế hệ thống điện và hệ thống điều khiển. CNC 3 trục tại HCMUTE là trọng tâm, hướng đến việc tạo ra mô hình máy khắc gỗ CNC mini 3 trục có giá thành thấp, phù hợp với hộ gia đình sản xuất nhỏ lẻ. Đây là một phần của chiến lược CNH-HDH, tăng năng suất và giảm giá thành sản phẩm. Thiết kế máy khắc CNC 3 trục là một thử thách kỹ thuật đòi hỏi sự kết hợp hài hòa giữa phần cứng và phần mềm.

1.1 Lịch sử phát triển máy CNC

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.

1.2 Ứng dụng của máy khắc CNC 3 trục

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.

II. Thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện

Phần này tập trung vào thiết kế kết cấu cơ khí của máy khắc CNC 3 trục. Bản vẽ kỹ thuật được thực hiện trên phần mềm Solidworks 2014. Việc lựa chọn vật liệu và linh kiện máy CNC 3 trục được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo độ bền, độ chính xác và hiệu quả hoạt động. Vật liệu chế tạo máy CNC 3 trục cần đáp ứng yêu cầu về độ cứng, độ bền và khả năng chịu lực. Các linh kiện máy CNC 3 trục, bao gồm động cơ, vít me, ray dẫn hướng, được lựa chọn dựa trên thông số kỹ thuật và yêu cầu vận hành của máy. CNC 3 trục tự chế cần chú trọng đến việc lựa chọn linh kiện chất lượng để đảm bảo độ bền và hiệu quả hoạt động.

2.1 Thiết kế kết cấu cơ khí

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.

2.2 Lựa chọn cơ cấu dẫn động và động cơ

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.

III. Hệ thống điều khiển và lập trình

Hệ thống điều khiển của máy khắc CNC 3 trục đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu quả hoạt động. Hệ thống điều khiển bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm vi điều khiển (Arduino Mega2560), driver động cơ bước (TB6560), và các cảm biến. Phần mềm bao gồm chương trình điều khiển máy và phần mềm giao tiếp với người dùng. Lập trình máy khắc CNC 3 trục sử dụng mã G-code. Phần mềm thiết kế và tạo G-code ArtCAM9 và phần mềm điều khiển Grblcontroller3 được sử dụng. Giải thuật điều khiển bao gồm việc đọc và xử lý dữ liệu G-code, nội suy đường đi của dao và điều khiển động cơ.

3.1 Thiết kế hệ thống điều khiển

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.

3.2 Lập trình và phần mềm điều khiển

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.

IV. Thực nghiệm và đánh giá

Sau khi hoàn thành chế tạo máy khắc CNC 3 trục, quá trình thực nghiệm và đánh giá được tiến hành. Các sản phẩm thực nghiệm được gia công để kiểm tra hiệu suất của máy. Đánh giá kết quả dựa trên độ chính xác, tốc độ gia công và độ ổn định của máy. Phân tích nguyên nhân các lỗi phát sinh và khắc phục lỗi được thực hiện để hoàn thiện máy. CNC 3 trục HCMUTE sau khi hoàn thiện cần có độ chính xác cao, hoạt động ổn định, và dễ sử dụng. Báo cáo thiết kế máy CNC 3 trục tổng hợp toàn bộ quá trình nghiên cứu, từ khái niệm đến kết quả thực nghiệm.

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