Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa, ngành cơ khí chế tạo máy giữ vai trò nền tảng trong việc cung ứng trang thiết bị và công cụ sản xuất cho nền kinh tế. Sự phát triển của hệ thống điều khiển số bằng máy tính (CNC) đã nâng cao năng suất và độ chính xác trong gia công các biên dạng phức tạp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phần lớn cơ sở sản xuất có quy mô vừa và nhỏ, việc tiếp cận các dòng máy CNC công nghiệp hiện đại nhập khẩu gặp trở ngại lớn do chi phí đầu tư ban đầu cao. Đồng thời, tại các cơ sở đào tạo đại học và cao đẳng, các mô hình máy CNC phục vụ học tập đa số là dòng máy mini tự chế, vận hành theo phương thức thay dao thủ công bằng tay. Nhược điểm này làm gián đoạn chu trình gia công khi thực hiện các chi tiết nhiều nguyên công, gây lãng phí thời gian và làm giảm hiệu quả vận hành. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo máy phay CNC Router thay dao tự động” (Mã số đề tài: CTM-02).

Mục tiêu tổng quát của đề tài là nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy phay CNC Router 3 trục có tích hợp hệ thống thay dao tự động (ATC - Automatic Tool Changer), đáp ứng yêu cầu kỹ thuật phục vụ nghiên cứu và công tác giảng dạy thực hành. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan và phân tích các đặc tính kỹ thuật của hệ thống máy CNC cùng cơ cấu thay dao tự động hiện hành.
  2. Lựa chọn phương án kết cấu, thiết kế và mô phỏng 3D toàn bộ mô hình máy bằng các phần mềm chuyên ngành (SolidWorks, AutoCAD).
  3. Tính toán động học, động lực học, lựa chọn vật tư và gia công chế tạo, lắp ráp hoàn chỉnh các cụm cơ khí của máy.
  4. Thiết kế mạch điện điều khiển, mạch khí nén, tích hợp bo mạch giao tiếp máy tính và thiết lập phần mềm điều khiển Mach3 cùng macro lệnh thay dao tự động M6.
  5. Vận hành chạy thử nghiệm, kiểm nghiệm khả năng gia công thực tế trên vật liệu và biên soạn hệ thống bài tập thực hành gia công.

Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy phay CNC Router 3 trục tích hợp cơ cấu thay dao tự động; hệ thống điều khiển số sử dụng phần mềm Mach3 CNC kết hợp bo mạch giao tiếp cổng LPT và driver điều khiển động cơ bước; các phần mềm thiết kế cơ khí (SolidWorks, AutoCAD); các cụm chi tiết cơ điện, bộ truyền vít me bi - ray trượt và cơ cấu kẹp/nhả dao khí nén.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Không gian và kích thước kết cấu: Kích thước phủ bì toàn máy là 1400 x 1010 x 650 mm; phạm vi hành trình làm việc khả dụng của 3 trục tọa độ đạt 456 x 610 x 325 mm (tương ứng các trục X, Y, Z).
  • Năng lực hệ thống thay dao: Đài dao dạng tĩnh bố trí thẳng hàng với dung lượng lưu trữ tối đa 6 dao; sử dụng trục chính Spindle kết hợp đầu kẹp dao chuôi côn (BT30/collet) và hệ thống cấp khí nén phục vụ cơ cấu nhả kẹp dao.
  • Chế độ cắt gọt định mức: Tốc độ quay trục chính đạt mức tối đa S = 30.000 vòng/phút; tốc độ cắt tối đa F = 500 mm/phút; gia công thử nghiệm tập trung trên các vật liệu có độ cứng trung bình và thấp như gỗ, nhựa mica và kim loại mềm (nhôm).
  • Thời gian và địa điểm thực hiện: Đề tài hoàn thành vào tháng 3 năm 2024 tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, có sự phối hợp tư vấn kỹ thuật từ Công ty TNHH Giải pháp Công nghệ CODIA.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết máy công cụ điều khiển số, kỹ thuật cơ điện tử và gia công cắt gọt kim loại:

  • Cơ sở lý thuyết về máy CNC: Nguyên lý điều khiển số (Numerical Control) thông qua hệ thống mã lệnh G-code/M-code tiêu chuẩn; cấu trúc động học máy phay 3 trục theo hệ tọa độ Đề-các (Descartes) OXYZ tuân thủ quy tắc bàn tay phải; các điểm chuẩn và gốc tọa độ cơ bản bao gồm điểm zero của máy ($M$), điểm tham chiếu ($R$), điểm gốc chi tiết ($W$), điểm chuẩn dụng cụ cắt ($P$), điểm chuẩn giá đỡ dao ($T$) và điểm gá dao ($N$).
  • Nguyên lý hệ thống dẫn động và chấp hành: Lý thuyết ma sát và chuyển động tịnh tiến của bộ truyền vít me - đai ốc bi (vít me bi với hai cơ cấu tuần hoàn bi: ống hồi bi ngoài và lỗ khoan hồi bi trong); hệ thống dẫn hướng tuyến tính (thanh trượt vuông và thanh trượt tròn); nguyên lý hoạt động của động cơ bước (Step Motor) điều khiển bằng xung điện rời rạc kết hợp mạch công suất Driver (TB6600) theo cấu trúc điều khiển vòng hở (Open-loop control system).
  • Lý thuyết hệ thống thay dao tự động (ATC): Phân loại các dạng mâm dao (dạng đĩa/trống, dạng xích, dạng nấm và dạng bàn tĩnh); cấu tạo cụm trục chính ATC có tích hợp ty rút, lò xo đĩa và xilanh khí nén tác động nhả dao; chu trình hoán đổi dao tự động thông qua sự phối hợp giữa các trục tịnh tiến XYZ và tín hiệu điều khiển van khí nén.
  • Nền tảng điều khiển phần mềm: Nguyên lý giao tiếp phần cứng thông qua bo mạch đệm (CNC BOB Mach3 LPT) qua cổng máy in DB25 LPT của máy tính cá nhân; cấu hình các hàm logic xuất/nhập (Input/Output ports and pins), xử lý xung điều khiển bước (Step/Direction), thiết lập tỷ lệ xung trên milimet (Steps per Unit) và lập trình Macro thay dao bằng ngôn ngữ VBScript trong phần mềm Mach3 CNC.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai qua các bước:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập và đối chiếu các tài liệu kỹ thuật, nghiên cứu tiền trạm về máy CNC tự chế trong và ngoài nước (các mô hình máy phay của Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Trà Vinh; lịch sử phát triển máy NC từ John Parsons và Viện Công nghệ Massachusetts - MIT).
  • Phương pháp tính toán thiết kế giải tích: Tính toán lực cắt khi phay, lực hướng trục khi khoan; tính toán tải trọng tương đương và tuổi thọ danh định của cụm dẫn hướng, trục vít me; xác định công suất động cơ dẫn động và áp lực xilanh khí nén cần thiết để mở collet kẹp dao.
  • Phương pháp mô hình hóa và thiết kế CAD/CAE: Thiết kế chi tiết từng bộ phận và mô phỏng động học lắp ráp toàn bộ máy trên phần mềm SolidWorks; trích xuất bản vẽ kỹ thuật gia công trên AutoCAD.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo: Gia công cơ khí chính xác các cụm chi tiết gá đỡ, lắp ráp khung máy, đi dây tủ điện điều khiển, lắp đặt đường ống khí nén; cài đặt phần mềm, lập trình macro lệnh M6, chạy thử kiểm nghiệm không tải và cắt thử nghiệm mẫu chi tiết thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: Các thông số tải trọng và kích thước từ tài liệu tra cứu (catalogue) của hãng THK (dòng sản phẩm LM Guide Actuator Model KR); catalogue xilanh và thiết bị khí nén của hãng Airtac; tài liệu hướng dẫn kỹ thuật vận hành và cấu hình phần mềm Mach3 của ArtSoft USA; sổ tay thiết kế chi tiết máy và công nghệ chế tạo máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Kiến trúc cơ khí và kết cấu khung máy

Trong quá trình xác lập phương án kết cấu 3 trục, nhóm nghiên cứu đã tiến hành so sánh giữa hai cấu trúc cơ bản:

Tiêu chí đánh giá Phương án 1: Bàn máy di chuyển 2 trục (X-Y) Phương án 2: Bàn máy đứng yên, trục X-Y-Z di chuyển
Đặc điểm chuyển động Bàn máy dịch chuyển theo phương X và Y; cụm trục chính chỉ di chuyển tịnh tiến theo phương thẳng đứng Z. Bàn máy cố định hoàn toàn; cụm cổng trục và cụm đầu cắt đảm nhận chuyển động tịnh tiến theo cả 3 phương X, Y, Z.
Ưu điểm Khai thác không gian làm việc tập trung, việc cân chỉnh độ vuông góc giữa trục chính và bàn máy tương đối thuận tiện. Tối ưu hóa không gian làm việc; diện tích bàn máy rộng; kết cấu gọn gàng, giảm kích thước bao tổng thể của máy.
Nhược điểm Cụm trục chính dễ chịu hiện tượng dầm công-xôn nếu vươn xa; kích thước máy cồng kềnh, không phù hợp với mô hình nhỏ. Cổng trục chuyển động đòi hỏi kết cấu dẫn động phải có độ cứng vững cao để triệt tiêu rung động phát sinh.
Kết luận lựa chọn Loại bỏ do không tối ưu kích thước bao. Được lựa chọn để chế tạo máy CNC Router thay dao tự động.

Để giải quyết bài toán chống rung và bảo đảm độ cứng vững cho hệ thống khi bàn máy đứng yên, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp sử dụng mô-đun truyền động tích hợp vít me bi - đai ốc và ray trượt tuyến tính (Model KR - LM Guide Actuator từ hãng THK) cho cả 3 trục X, Y, Z. Cấu trúc tích hợp này kết hợp rãnh dẫn hướng U-shaped outer rail và trục vít me bi bên trong, giúp tiết kiệm không gian lắp ráp, tăng cường khả năng chịu mô-men uốn và xoắn. Riêng đối với trục Y (trục cổng đỡ mang toàn bộ cụm trục X và Z), nhóm bổ sung thêm 2 thanh trượt ray vuông dẫn hướng độc lập nhằm gia tăng độ cứng vững và ổn định khi tải dịch chuyển tốc độ cao.

       [MÁY TÍNH CÁ NHÂN (Phần mềm Mach3 CNC)]
                         |
           (Cáp song song LPT - 25 chân)
                         |
                         v
              [BO MẠCH CNC BOB MACH3 LPT]
              /          |          \
             /           |           \
 (Xung Step/Dir)   (Rơle / Output)   (Cảm biến Input)
          |              |                    |
          v              v                    v
   [DRIVER TB6600]  [VAN ĐIỆN TỪ]     [CÔNG TẮC HÀNH TRÌNH,
          |              |             CẢM BIẾN QUANG]
          v              v
    [ĐỘNG CƠ BƯỚC] [XILANH KHÍ NÉN]
   (Trục X, Y, Z)  (Kẹp / Nhả dao)

Hệ thống điều khiển, dẫn động và mạch khí nén

  • Hệ thống truyền động trục: Sử dụng động cơ bước (Step Motor) điều khiển độc lập cho các trục X, Y, Z thông qua các mạch điều khiển động cơ bước TB6600. Động cơ bước được chọn nhờ ưu điểm giá thành hợp lý, mô-men xoắn giữ lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, mạch điều khiển đơn giản.
  • Hệ thống trục chính (Spindle): Sử dụng động cơ một chiều có chổi than (DC motor), có khả năng điều khiển chiều và tốc độ thông qua mạch công suất riêng, tốc độ quay trục chính đạt mức 30.000 vòng/phút. Cụm trục chính được tích hợp đầu côn kẹp dao chuẩn BT30.
  • Mạch giao tiếp điều khiển: Tủ điện bố trí bo mạch đệm CNC BOB Mach3 LPT. Mạch này nhận tín hiệu điều khiển từ cổng LPT của máy tính, thực hiện cách ly quang (Optocoupler) bảo vệ vi mạch, xuất xung điều khiển Step/Direction tới các driver TB6600, kích hoạt rơ-le đóng ngắt Spindle và van điện từ khí nén, đồng thời tiếp nhận tín hiệu hồi tiếp từ công tắc hành trình các trục và cảm biến quang xác định vị trí.
  • Cơ cấu thay dao tự động khí nén: Cơ cấu giữ dao gồm bàn gá dao dạng tĩnh chứa tối đa 6 vị trí gá đầu kẹp dao BT30. Quá trình kẹp/nhả dao vận hành nhờ hệ thống khí nén: khi nhận lệnh nhả dao, van điện từ cấp khí nén áp suất cao vào xilanh khí nén Airtac đặt trên đỉnh cụm trục chính; trục xilanh đẩy ty rút nén hệ thống lò xo đĩa xuống để mở ngàm kẹp collet giải phóng chuôi dao; ngược lại, khi xilanh rút về, lực đàn hồi của lò xo đĩa kéo ty rút lên để kẹp chặt chuôi dao vào lỗ côn trục chính.

Kiểm thử và chạy thử nghiệm

Toàn bộ quá trình vận hành được kiểm tra qua các công đoạn:

  1. Kiểm tra tín hiệu I/O: Kiểm tra trạng thái đóng/ngắt của công tắc hành trình các trục X, Y, Z, nút dừng khẩn cấp (E-Stop) và cảm biến quang trên giao diện Diagnostics của phần mềm Mach3.
  2. Cân chỉnh trục và cấu hình xung: Cài đặt thông số vi bước trên driver TB6600, tính toán và nhập giá trị Steps per Unit cho từng trục trên Mach3 để bảo đảm độ chính xác kích thước dịch chuyển tịnh tiến.
  3. Thử nghiệm chu trình thay dao tự động M6: Viết mã macro M6 trong thư mục cài đặt của Mach3. Khi phát hiện mã lệnh thay dao (ví dụ T2 M6), máy thực hiện tuần tự: dừng quay trục chính $\rightarrow$ nâng trục Z lên vị trí an toàn $\rightarrow$ di chuyển trục X-Y tới vị trí dao hiện tại trên bàn giữ dao $\rightarrow$ hạ trục Z $\rightarrow$ kích hoạt xilanh khí nén nhả dao $\rightarrow$ nâng trục Z lên $\rightarrow$ dịch chuyển X-Y tới vị trí dao mới cần gọi $\rightarrow$ hạ trục Z $\rightarrow$ ngắt khí nén để xilanh thu về kẹp chặt dao $\rightarrow$ nâng trục Z và tiếp tục chu trình gia công.
  4. Gia công thử nghiệm sản phẩm: Nạp G-code gia công các chi tiết mẫu để đánh giá độ chính xác biên dạng phay và chất lượng bề mặt cắt gọt.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu dựa trên khảo sát thực trạng công nghệ cơ khí chế tạo máy và tự động hóa sản xuất. Tác giả phân tích nhu cầu nâng cao năng suất của các doanh nghiệp quy mô vừa và nhỏ tại Việt Nam, đồng thời chỉ ra điểm nghẽn của các mô hình máy CNC giáo dục tự chế hiện nay là thao tác thay dao thủ công gây lãng phí thời gian. Chương này trình bày mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng là máy CNC router thay dao tự động và phạm vi giới hạn gồm hành trình 456 x 610 x 325 mm, tốc độ trục chính $S = 30.000$ vòng/phút, tốc độ cắt $F = 500$ mm/phút, bàn thay dao 6 vị trí. Bên cạnh đó, tác giả tổng thuật lịch sử phát triển máy NC/CNC từ công trình của John Parsons (thập niên 1940), dự án tại MIT (1952), sự ra đời của ngôn ngữ lập trình APT (1959), cho đến thực trạng chế tạo máy CNC tại các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam (ĐH Bách Khoa Hà Nội, ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Trà Vinh, ĐH Bách Khoa Đà Nẵng).

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết về máy công cụ CNC và cơ cấu thay dao tự động. Nội dung bao quát phân loại máy CNC theo dạng máy công cụ (phay, tiện, khoan, mài, doa, đột dập) và theo phương pháp cắt gọt (Router, Plasma, Laser, in 3D). Tác giả mô tả chi tiết hai phân hệ cơ bản của máy CNC: phần chấp hành (thân đế máy, bàn máy, cụm trục chính Spindle, thanh trượt vuông/tròn, vít me bi với các kiểu tuần hoàn bi) và phần điều khiển (động cơ bước, servo driver AC/DC, sơ đồ điều khiển vòng hở và vòng kín). Chương này chuẩn hóa quy ước hệ tọa độ Descartes OXYZ theo quy tắc bàn tay phải cùng các điểm mốc tọa độ ($M, R, W, P, T, N$). Phần cuối chương làm rõ nguyên lý hệ thống thay dao tự động (ATC), so sánh cấu tạo các dạng mâm dao (dạng xích, dạng nấm, dạng phẳng/tĩnh) và giới thiệu tính năng của phần mềm Mach3 CNC kết hợp bo mạch CNC BOB Mach3 LPT.

Chương 3: Phương án thực hiện đề tài

Chương 3 tập trung phân tích, so sánh các phương án kỹ thuật để đưa ra lựa chọn tối ưu cho mô hình thiết kế:

  • Phương án kết cấu 3 trục: So sánh phương án bàn máy di chuyển 2 trục X-Y với phương án bàn máy đứng yên và trục XYZ di chuyển; quyết định chọn phương án bàn máy đứng yên nhằm tối ưu hóa diện tích bàn làm việc và kích thước tổng thể.
  • Lựa chọn bộ truyền vít me và dẫn hướng: Phân tích đồ thị quan hệ giữa ma sát và vận tốc để chọn vít me bi thay vì vít me thường (vít me bi có hiệu suất 90 - 95%, lực ma sát nhỏ và ổn định); lựa chọn cơ cấu truyền động tích hợp vít me bi - đai ốc và ray trượt Model KR (THK) cho cả 3 trục, đồng thời bổ sung 2 thanh trượt vuông trên trục Y để gia cường độ cứng vững.
  • Lựa chọn phần điện và động cơ: So sánh động cơ bước và động cơ servo (chọn động cơ bước kết hợp driver điều khiển do chi phí thấp, điều khiển đơn giản); so sánh động cơ trục chính DC và AC (chọn động cơ một chiều có chổi than cho mô hình nhỏ); đề xuất mạch điện và các thiết bị cảm biến (công tắc hành trình, cảm biến quang); chọn phương án kẹp/nhả dao bằng xilanh khí nén.

Chương 4: Tính toán, thiết kế máy CNC 3 trục

Chương 4 thực hiện toàn bộ các nội dung tính toán cơ học giải tích phục vụ thiết kế:

  • Lập quy trình tính toán và lựa chọn thanh trượt vuông, bộ truyền tích hợp vít me - ray trượt THK KR dựa trên việc tra cứu dữ liệu kỹ thuật từ catalogue nhà sản xuất.
  • Tính toán phân tích lực cắt khi phay (chiều sâu cắt, bề rộng cắt), lực hướng trục và mô-men khi khoan tác động lên hệ thống.
  • Tính toán lực dọc trục và chọn thông số tải trọng cho từng trục riêng biệt: trục X, trục Y, trục Z.
  • Phân tích lực đẩy cần thiết tác động lên collet để nhả chuôi dao; tính toán và tra bảng lựa chọn xilanh khí nén chuyên dụng từ hãng Airtac.
  • Thiết kế kết cấu bàn giữ 6 mũi dao dạng tĩnh; tính toán lựa chọn công suất động cơ trục chính và động cơ bước; tính toán kiểm nghiệm chọn ổ lăn đỡ trục theo các sơ đồ lắp ghép (fixed-free, fixed-fixed, fixed-support).

Chương 5: Gia công và lắp ráp

Chương 5 thuyết minh quy trình chế tạo thực tế các cụm kết cấu cơ khí của máy phay CNC Router:

  • Thiết kế hoàn chỉnh bản vẽ chế tạo cho từng cụm: cụm trục X, cụm trục Y, cụm trục Z, cụm gối đỡ ổ bi, cụm trục chính (spindle) và cụm bàn máy.
  • Quy trình gia công cơ khí chính xác các chi tiết gá đặt, bệ đỡ mô-đun truyền động và cụm thay dao tự động.
  • Trình bày trình tự các bước lắp ráp cơ khí: Lắp đặt khung đế máy, định vị và cố định các bộ truyền tích hợp KR và thanh trượt vuông dẫn hướng, lắp ráp cụm cổng trục Y, cụm trượt ngang X, cụm trục đứng Z mang cụm trục chính Spindle, căn chỉnh độ song song và độ vuông góc giữa các trục chuyển động.

Chương 6: Thiết lập mạch điều khiển và biên soạn bài tập

Chương 6 hoàn thiện hệ thống điều khiển tích hợp và xây dựng học liệu thực hành:

  • Thiết kế và lắp đặt hoàn chỉnh tủ điện: Đấu nối nguồn cấp, bo mạch CNC BOB Mach3 LPT, các bộ điều khiển động cơ bước TB6600, rơ-le trung gian, cảm biến quang và hệ thống công tắc hành trình giới hạn.
  • Thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển khí nén: Xây dựng sơ đồ nguyên lý hoạt động, biểu đồ trạng thái chu trình xylanh kẹp/nhả dao.
  • Cài đặt và cấu hình phần mềm Mach3 Mill: Khai báo cổng giao tiếp LPT, định địa chỉ chân phát xung (Step Pin/Dir Pin) cho động cơ bước trục X, Y, Z, thiết lập các chân Input/Output, cài đặt tần số và thông số điều khiển trục chính Spindle, cài đặt độ phân giải vi bước trên driver TB6600.
  • Hướng dẫn quy trình vận hành máy: Xác định điểm gốc chi tiết ($W$), rà gá phôi, nạp tệp chương trình gia công G-code, mô phỏng kiểm tra quỹ đạo chạy dao trên giao diện Tool Path.
  • Lập trình lệnh thay dao tự động M6 (viết macro điều khiển tọa độ dịch chuyển và kích hoạt van xilanh khí nén); hoàn thiện toàn bộ máy và tiến hành chạy thử nghiệm gia công.
  • Biên soạn bộ 5 bài tập thực hành gia công chi tiết hoàn chỉnh từ khâu lập bản vẽ kỹ thuật, lập trình G-code cho đến mô phỏng quỹ đạo cắt gọt.

Chương 7: Kết luận

Chương 7 tổng kết toàn bộ quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp sau 3 tháng triển khai. Tác giả khẳng định máy phay CNC Router thay dao tự động đã được chế tạo hoàn thiện, vận hành ổn định đúng các thông số thiết kế ban đầu; đồng thời chỉ ra những trải nghiệm thực tế quý báu thu nhận được trong công tác thiết kế tổng thể, gia công cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển số.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

Đề tài đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế, gia công chế tạo và tích hợp điều khiển một máy phay CNC Router 3 trục có cơ cấu thay dao tự động với các thông số cụ thể:

Hạng mục thông số Giá trị kỹ thuật thực tế trong đồ án
Kích thước máy tổng thể $1400 \times 1010 \times 650$ mm
Hành trình làm việc 3 trục (X $\times$ Y $\times$ Z) $456 \times 610 \times 325$ mm
Phương án kết cấu cơ khí Bàn máy đứng yên, cổng trục di chuyển 3 trục XYZ
Cơ cấu truyền động và dẫn hướng Bộ truyền tích hợp vít me bi - ray trượt Model KR (THK) trên cả 3 trục; trục Y gia cố thêm 2 thanh trượt ray vuông
Hệ thống thay dao tự động (ATC) Bàn gá dao tĩnh dung lượng 6 dao; đầu kẹp chuẩn BT30; xilanh khí nén Airtac điều khiển nhả/kẹp dao
Tốc độ quay trục chính (Spindle) Tối đa $S = 30.000$ vòng/phút (động cơ DC có chổi than)
Vận tốc cắt tối đa $F = 500$ mm/phút
Phần cứng và phần mềm điều khiển Phần mềm Mach3 Mill kết hợp mạch CNC BOB Mach3 LPT (cổng DB25) và Driver bước TB6600
Cảm biến và an toàn Công tắc hành trình giới hạn hành trình các trục, cảm biến quang định vị

Đóng góp thực tiễn và đào tạo

  • Chế tạo thành công một mô hình máy CNC Router vật lý hoàn chỉnh có khả năng tự động hóa chu trình đổi dao mà không cần sự can thiệp thủ công của người vận hành, tối ưu hóa thời gian chạy máy khi thực hiện các sản phẩm có nhiều nguyên công phay/khoan.
  • Ứng dụng giải pháp mô-đun hóa kết cấu bằng cơ cấu truyền động tích hợp Model KR của THK, cung cấp giải pháp thiết kế nhỏ gọn, giảm thiểu thời gian chế tạo gá lắp mà vẫn bảo đảm độ cứng vững.
  • Đóng góp bộ học liệu thực hành gồm 5 bài tập lập trình, gia công CNC chi tiết kèm theo bản vẽ kỹ thuật và mô phỏng đường chạy dao, phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy, thực hành môn học máy công cụ CNC tại Khoa Cơ khí Chế tạo máy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong văn bản

  • Động cơ trục chính: Do giới hạn về kinh phí mô hình, máy sử dụng động cơ một chiều có chổi than, dẫn đến hiện tượng phát sinh nhiệt cao và gây tiếng ồn trong quá trình hoạt động liên tục; tuổi thọ chổi than hạn chế so với các dòng động cơ Spindle cao tần chuyên dụng.
  • Vật liệu gia công giới hạn: Máy được tính toán kết cấu phù hợp nhất cho gia công các vật liệu có độ cứng vừa và thấp (gỗ mỹ nghệ, nhựa mica, phíp, nhôm mềm); chưa đáp ứng được gia công phay tải nặng trên các vật liệu thép hoặc kim loại có độ cứng cao.
  • Hệ thống điều khiển vòng hở: Sử dụng động cơ bước không có phản hồi encoder vị trí (Open-loop control), do đó vẫn tiềm ẩn nguy cơ bị trượt bước nếu tải cắt gọt đột ngột tăng cao hoặc nguồn cấp không ổn định.
  • Thời gian và tài liệu nghiên cứu: Thời gian thực hiện đồ án bị giới hạn (hơn 3 tháng), nguồn tài liệu chuyên sâu về cơ cấu ATC tự chế bằng tiếng Việt còn hạn chế.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp cụm trục chính sang loại Spindle không chổi than cao tần hoặc Spindle Servo điều khiển bằng biến tần để tăng công suất, giảm tiếng ồn và gia công được các vật liệu có độ cứng cao hơn.
  • Thay thế động cơ bước bằng động cơ AC Servo hoặc Hybrid Step-Servo có phản hồi vị trí encoder vòng kín để triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trượt bước, nâng cao độ chính xác định vị và tốc độ chạy dao.
  • Mở rộng ổ chứa dao tự động lên dạng mâm xoay (dạng trống hoặc dạng nấm) với số lượng dao lớn hơn (từ 8 đến 16 dao) để đáp ứng các chi tiết gia công phức tạp hơn.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích đối với:

  • Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Chế tạo máy: Cung cấp phương pháp luận và trình tự tính toán thiết kế máy công cụ hoàn chỉnh từ việc lập phương án động học, tính toán lực cắt phay/khoan, tra cứu chọn mô-đun truyền động công nghiệp (THK, Airtac) cho đến thiết kế bản vẽ chi tiết.
  • Các nhóm nghiên cứu thiết kế máy CNC mini và hệ thống ATC: Phần phân tích nguyên lý kẹp nhả dao bằng xilanh khí nén, sơ đồ mạch động lực khí nén và kịch bản viết mã Macro M6 trên phần mềm Mach3 là nguồn dữ liệu thực nghiệm có giá trị ứng dụng trực tiếp.
  • Cán bộ giảng dạy thực hành xưởng: Bộ 5 bài tập gia công CNC hoàn chỉnh có thể được sử dụng làm tài liệu hướng dẫn sinh viên thực tập lập trình, vận hành và đo kiểm sản phẩm trên máy phay CNC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án kết cấu bàn máy đứng yên và các trục XYZ di chuyển thay vì bàn máy di chuyển hai hướng?

Nhóm tác giả lựa chọn phương án bàn máy đứng yên (Phương án 2) vì cấu trúc này giúp tối ưu hóa không gian làm việc, cho phép thiết kế kích thước bàn máy lớn hơn mà không làm tăng quá mức kích thước bao tổng thể của máy ($1400 \times 1010 \times 650$ mm). Ngược lại, phương án bàn máy di chuyển hai hướng X-Y (Phương án 1) đòi hỏi khung gầm phải kéo dài để đỡ hành trình bàn, làm máy trở nên quá khổ và cụm đầu trục chính dễ gặp hiện tượng dầm công-xôn, không phù hợp với mục tiêu chế tạo máy nhỏ gọn phục vụ đào tạo.

2. Bộ truyền động và dẫn hướng trên 3 trục của máy được lựa chọn như thế nào để đảm bảo độ cứng vững?

Máy sử dụng bộ truyền động tích hợp vít me bi - đai ốc và ray trượt Model KR (LM Guide Actuator của hãng THK) cho cả 3 trục X, Y, Z. Giải pháp tích hợp này kết hợp thanh ray dẫn hướng dạng rãnh chữ U và trục vít me bi bên trong, giúp giảm kích thước lắp đặt, tăng khả năng chống mô-men uốn/xoắn và vận hành êm ái. Riêng trục Y do phải chịu toàn bộ tải trọng của cụm trục X và Z nên được lắp bổ sung thêm 2 thanh trượt ray vuông độc lập để tăng cường độ cứng vững và độ ổn định khi chuyển động.

3. Hệ thống thay dao tự động (ATC) của máy hoạt động theo nguyên lý nào và quản lý được bao nhiêu dao?

Hệ thống ATC của máy quản lý tối đa 6 dao đặt trên bàn giữ dao dạng tĩnh. Khi nhận lệnh gọi dao (mã Macro M6 trong Mach3), máy điều khiển cổng trục di chuyển đầu kẹp dao BT30 về vị trí gá dao tương ứng trên bàn máy. Tại đây, van điện từ cấp khí nén đẩy xilanh Airtac nén hệ thống lò xo đĩa để mở ngàm collet nhả dao cũ, sau đó di chuyển sang vị trí nhận dao mới, xilanh xả khí rút về để lò xo đĩa kéo ty kẹp chặt dao mới vào côn trục chính trước khi tiếp tục gia công.

4. Hệ thống điều khiển của máy sử dụng phần cứng và phần mềm cụ thể nào?

Hệ thống sử dụng phần mềm điều khiển Mach3 CNC (phiên bản Mach3 Mill) chạy trên máy tính cá nhân. Tín hiệu điều khiển được truyền qua cổng máy in song song LPT (DB25) đến bo mạch đệm CNC BOB Mach3 LPT có cách ly quang. Từ bo mạch, tín hiệu xung và hướng (Step/Dir) được gửi đến các mạch điều khiển động cơ bước TB6600 để dẫn động các trục X, Y, Z, còn các cổng Output điều khiển rơ-le đóng ngắt Spindle và van khí nén của hệ thống thay dao.

5. Đề tài đã hoàn thành những sản phẩm đào tạo cụ thể nào ngoài mô hình máy vật lý?

Ngoài việc chế tạo thành công mô hình máy CNC Router vật lý hoàn thiện, nhóm tác giả đã xây dựng hoàn chỉnh bộ học liệu gồm 5 bài tập thực hành gia công CNC. Mỗi bài tập đều đi kèm bản vẽ kỹ thuật chi tiết của sản phẩm, quy trình thiết lập G-code gia công và hình ảnh mô phỏng đường chạy dao trên phần mềm, phục vụ trực tiếp cho sinh viên thực hành lập trình và vận hành máy tại trường.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và chế tạo máy phay CNC Router thay dao tự động” đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, từ tính toán cơ học giải tích, thiết kế mô hình 3D, gia công lắp ráp cơ khí cho đến tích hợp tủ điện điều khiển Mach3 và hệ thống khí nén ATC 6 vị trí dao. Mô hình máy thực tế vận hành ổn định trong phạm vi hành trình $456 \times 610 \times 325$ mm, thực hiện chuẩn xác chu trình thay dao tự động thông qua macro M6 và gia công đạt yêu cầu các chi tiết mẫu thử nghiệm. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao và bộ bài tập thực hành hoàn chỉnh, đóng góp thiết thực cho công tác giảng dạy, nghiên cứu thực nghiệm trong ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí.