Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh sản xuất hiện đại, nhu cầu sử dụng các dòng máy CNC (Computer Numerical Control) có chi phí thấp, kết cấu nhỏ gọn để tăng cường mức độ tự động hóa và hỗ trợ giám sát nhân công trong các ngành công nghiệp phụ trợ như may mặc, giày da, điện tử, chế tác mạch in và điêu khắc gỗ ngày càng gia tăng. Phương pháp gia công truyền thống phụ thuộc lớn vào tay nghề của người thợ, gặp nhiều hạn chế về năng suất, khó đảm bảo độ đồng đều khi chế tác các biên dạng phức tạp và tốn nhiều thời gian điều chỉnh cơ khí.

Đề tài "Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 3 trục" được sinh viên Hoàng Minh Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phạm Minh Hải tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghệ Đông Á (2023). Đề tài tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống máy phay CNC 3 trục mini vừa đáp ứng yêu cầu kỹ thuật gia công, vừa đảm bảo tính kinh tế và khả năng ứng dụng thực tế.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Tổng quan cơ sở lý thuyết về công nghệ CNC, phân loại hệ thống điều khiển, hệ tọa độ và nguyên lý lập trình gia công.
  2. Xác định các thông số kỹ thuật ban đầu và tính toán động lực học quá trình cắt gọt (chiều sâu cắt, lượng chạy dao, tốc độ cắt, lực cắt tiếp tuyến và các lực thành phần).
  3. Tính toán, kiểm nghiệm bền và lựa chọn cụm truyền động trục vít me - đai ốc cho các trục tọa độ X, Y, Z.
  4. Tính chọn công suất động cơ bước dẫn động các trục chuyển động chạy dao X, Y và Z.
  5. Thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển phần cứng (vi điều khiển Arduino Uno R3, mạch công suất driver TB6560, driver trục chính) cùng hệ thống phần mềm điều khiển (b-CNC) và phần mềm lập trình gia công (Vectric Aspire 9).
  6. Chế tạo mô hình thực nghiệm máy CNC 3 trục hoạt động ổn định, đạt sai số nhỏ và gia công thử nghiệm các sản phẩm mẫu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điều khiển và cơ cấu truyền động cơ khí của máy phay CNC 3 trục.
  • Phạm vi không gian và giới hạn kỹ thuật: Mô hình máy CNC 3018 (phiên bản 2019 cải tiến) với hành trình làm việc danh định $S_x = 400\text{ mm}$, $S_y = 450\text{ mm}$, $S_z = 120\text{ mm}$; khối lượng chi tiết gia công tối đa $20\text{ kg}$; chiều cao phôi tối đa $80\text{ mm}$. Vật liệu gia công khảo sát gồm gỗ, mica, phôi mạch in (PCB) và nhôm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nền tảng lý thuyết gia công cắt gọt kim loại và cơ sở điều khiển tự động máy công cụ số:

  • Nguyên lý điều khiển số: So sánh cấu trúc hoạt động giữa hệ thống điều khiển vòng hở (open-loop control system) và hệ thống điều khiển vòng kín (closed-loop control system); phân tích các cấp độ điều khiển từ NC, CNC, DNC (Direct Numerical Control), điều khiển thích nghi AC (ACC/ACO) đến hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System).
  • Quy chuẩn hệ tọa độ: Thiết lập hệ trục tọa độ Đề-các ba chiều ($Oxyz$) tuân theo quy tắc bàn tay phải, xác định mối quan hệ tương quan giữa các điểm chuẩn trên máy công cụ bao gồm điểm gốc máy ($M$), điểm chuẩn máy ($R$), điểm gốc chi tiết/phôi ($W$), điểm gốc chương trình ($P$) và điểm gá đặt dao ($T, N$).
  • Lý thuyết cắt gọt: Ứng dụng các công thức giải tích và hệ số thực nghiệm trích xuất từ tài liệu chuyên ngành "Sổ tay Công nghệ Chế tạo máy tập II" để tính toán lực cắt chính ($P_z$), lực cắt thành phần hướng kính ($P_y$), lực hướng trục ($P_x$), lực chạy dao ngang ($P_h$), lực chạy dao đứng ($P_v$) và lực dọc trục khi khoan ($P_0$).
  • Lý thuyết chi tiết máy: Phương pháp tính toán bộ truyền vít me - đai ốc theo điều kiện bền mòn, áp suất cho phép trên bề mặt ren, điều kiện tự hãm ($\gamma < \rho'$) và kiểm nghiệm ứng suất tương đương ($\sigma_{td}$) trên trục vít.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tính toán giải tích và tra cứu tiêu chuẩn: Sử dụng các công thức kỹ thuật cơ khí kết hợp bảng tra thông số tiêu chuẩn để xác định chế độ cắt tối ưu cho từng loại vật liệu và lựa chọn công suất động cơ phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế - tích hợp hệ thống: Lựa chọn giải pháp điều khiển mã nguồn mở dựa trên nền tảng vi điều khiển họ AVR kết hợp vi bước (microstepping driver) để tối ưu chi phí chế tạo.
  • Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, cài đặt tham số vận hành, nạp mã lệnh G-code và tiến hành chạy thử nghiệm gia công 2D/3D trên các mẫu vật liệu gỗ và phi kim.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy phay CNC 3 trục được thiết kế bao gồm hai phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí - truyền động và hệ thống điều khiển điện tử - phần mềm.

Bảng thông số kỹ thuật thiết kế ban đầu

Thông số Giá trị Đơn vị
Loại máy Máy phay CNC 3 trục -
Hành trình làm việc ($S_x \times S_y \times S_z$) $400 \times 450 \times 120$ mm
Chiều sâu cắt ($t$) - Phay thô $2,0 - 3,0$ mm
Chiều sâu cắt ($t$) - Phay tinh $0,3$ mm
Chiều rộng phay ($B$) $1,8$ ($B \approx 0,6d$) mm
Lượng chạy dao phút ($F$) $900$ mm/phút
Tốc độ chạy dao thiết kế ($v$) $750$ ($0,75$) mm/phút (m/phút)
Tốc độ trục chính tối đa ($N_{\max}$) $24.000$ vòng/phút
Tốc độ trục chính phay thô $10.000$ vòng/phút
Tốc độ trục chính phay tinh $18.000$ vòng/phút
Khối lượng chi tiết gia công tối đa ($M_1$) $20$ kg
Khối lượng cụm trục X / Y / Z ($M_x / M_y / M_z$) $15 / 20 / 10$ kg
Thời gian phục vụ tính toán ($T$) $17.520$ ($5 - 7$ năm) giờ
Hệ số ma sát thanh dẫn hướng ($\mu$) $0,2$ -

Tính toán động lực học và chọn thiết bị dẫn động

  1. Dụng cụ cắt:

    • Dao khắc 3D: Đường kính thân $d = 4\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $L = 45\text{ mm}$, chiều dài lưỡi cắt $28\text{ mm}$, vật liệu hợp kim cứng YG10X (thép cacbua vonfram).
    • Dao khắc 4D: Đường kính thân $d = 6\text{ mm}$, chiều dài tổng thể $L = 55\text{ mm}$, chiều dài lưỡi cắt $30\text{ mm}$, vật liệu hợp kim cứng YG10X.

  2. Kết quả tính toán lực và công suất:

    • Lực cắt tiếp tuyến chính: $P_z = 147\text{ N}$.
    • Các lực thành phần: Lực chạy dao ngang $P_h = 36,75\text{ N}$; Lực chạy dao đứng $P_v = 139,65\text{ N}$; Lực hướng kính $P_y = 51,45\text{ N}$; Lực hướng trục $P_x = 77,91\text{ N}$.
    • Lực dọc trục lớn nhất khi khoan mồi trục Z: $P_0 = 360,7\text{ N}$ (với lượng chạy dao $S = 0,3\text{ mm/vòng}$, đường kính mũi khoan $D = 3\text{ mm}$, các hệ số $C_p = 31,5$, $q = 1$, $y = 0,8$, $K_p = 1$).

  3. Cụm truyền động vít me - đai ốc:

    • Trục Z: Sử dụng vít me ren hình thang bằng thép tôi kết hợp đai ốc đồng thanh không thiếc BrAlFe3 ($[p] = 12\text{ MPa}$, $\psi_h = 0,5$, $\psi_H = 1,8$). Đường kính danh nghĩa $d = 16\text{ mm}$ (đường kính lắp ổ $d_0 = 10\text{ mm}$), bước ren $p_s = 5\text{ mm}$, số mối ren $Z_1 = 1$, chiều cao đai ốc $H = 28,8\text{ mm}$, đường kính ngoài đai ốc $D = 30\text{ mm}$, hiệu suất bộ truyền $K = 0,9$. Ứng suất tương đương $\sigma_{td}$ thỏa mãn điều kiện bền so với giới hạn chảy $\sigma_{ch} = 320\text{ MPa}$ với hệ số an toàn $s = 3$.
    • Trục X và Y: Lựa chọn bộ truyền vít me đai ốc bi đường kính $16\text{ mm}$, bước ren $5\text{ mm}$.

  4. Động cơ bước dẫn động:

    • Trục X và Y: Lực chạy dao tổng hợp $P = 200\text{ N}$, hiệu suất cơ cấu chạy dao $\eta = 0,9$ ($\eta_1 = 1$ cho khớp nối, $\eta_2 = 0,9$ cho vít me bi). Công suất yêu cầu tối thiểu là $3\text{ W}$. Chọn động cơ bước 2 pha, điện áp hoạt động $12\text{V}$, độ phân giải 200 bước/vòng (góc bước $1,8^\circ/\text{bước}$).
    • Trục Z: Tính toán theo lực dọc trục $P_0 = 360,7\text{ N}$, công suất yêu cầu tối thiểu là $5\text{ W}$. Chọn động cơ bước 2 pha, điện áp $12\text{V}$, 200 bước/vòng ($1,8^\circ/\text{bước}$).

Cấu trúc hệ thống điều khiển và phần mềm

  • Bo mạch điều khiển trung tâm: Arduino Uno R3 trang bị vi điều khiển 8-bit AVR ATmega328 (tần số 16 MHz, bộ nhớ Flash 32KB, SRAM 2KB, EEPROM 1KB, 14 chân Digital I/O, 6 chân Analog, điện áp hoạt động 5V, cấp nguồn ngoài khuyên dùng 7-12V DC).
  • Mạch công suất điều khiển động cơ: Driver TB6560 chuyên dụng điều khiển các động cơ bước cho 3 trục chuyển động; mạch driver công suất điều khiển động cơ trục chính (spindle motor).
  • Phần mềm máy tính:
    • Phần mềm thiết kế CAD/CAM: Vectric Aspire 9 thực hiện dựng hình 2D/3D, thiết lập đường chạy dao (toolpath), chọn dao cắt, cài đặt thông số gia công và xuất chương trình gia công dạng mã lệnh chuẩn G-code.
    • Phần mềm giao tiếp và điều khiển máy: b-CNC tiếp nhận tệp G-code từ máy tính, phân tích cú pháp và truyền tín hiệu điều khiển trực tiếp tới mạch vi điều khiển qua cổng giao tiếp nối tiếp (USB/COM).

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Giới thiệu về máy CNC

Chương I tập trung trình bày tổng quan lý thuyết về lịch sử hình thành, phân loại và các thành phần cấu tạo cơ bản của máy công cụ CNC:

  • Khái niệm và quá trình phát triển: Định nghĩa CNC là dạng máy công cụ tự động hóa hoạt động dưới sự trợ giúp của máy tính theo chương trình lập trình sẵn. Lịch sử phát triển được khái quát từ các cơ cấu cơ khí thế kỷ XIV, các phát minh dùng thẻ đục lỗ của Jacquard, Fourneaux, nghiên cứu của Shannon về mã nhị phân, đến công trình của John Parsons và Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) giai đoạn 1949–1952 chế tạo chiếc máy phay Cincinnate Hydrotel điều khiển số đầu tiên.
  • Phân loại hệ thống điều khiển: Phân tích bản chất của hệ thống điều khiển vòng hở (kết cấu đơn giản, giá thành thấp, không có phản hồi vị trí) và hệ điều khiển vòng kín (trang bị cảm biến vị trí và bộ so sánh sai số, độ tin cậy và độ chính xác cao). Phân loại theo chức năng chuyển động gồm điều khiển điểm - điểm (Point-to-Point), điều khiển đoạn thẳng và điều khiển theo đường biên dạng liên tục (Contour). Đồng thời phân biệt các hệ thống NC, CNC, DNC, hệ thống điều khiển thích nghi (ACC, ACO) và hệ thống gia công linh hoạt (FMS).
  • Hệ tọa độ và điểm chuẩn: Quy định hệ trục tọa độ Đề-các $Oxyz$ trên máy phay đứng và máy phay nằm ngang theo quy tắc bàn tay phải. Xác định tọa độ và vai trò của các điểm chuẩn: điểm gốc máy ($M$), điểm chuẩn máy ($R$), điểm gốc phôi ($W$), điểm gốc chương trình ($P$), điểm chuẩn gá dao ($T$) và điểm gá dao ($N$).
  • Cơ sở lập trình gia công: Trình bày cấu trúc một chương trình CNC chuẩn bao gồm thông tin hình học (tọa độ các điểm, các lệnh nội suy như G01 - nội suy tuyến tính, G03 - nội suy cung tròn ngược chiều kim đồng hồ) và thông tin công nghệ (tốc độ chạy dao $F$, tốc độ trục chính $S$, lệnh điều khiển trục chính M03/M04).
  • Ứng dụng trong ngành điêu khắc gỗ: Khảo sát khả năng ứng dụng máy CNC vào việc chế tác tranh gỗ, khắc logo, khắc chữ nổi và tạc tượng 3D/4D thay thế các công đoạn thủ công phức tạp.

Chương II: Tính toán thiết kế máy CNC 3 trục

Chương II là phần trọng tâm về tính toán cơ khí và động lực học của đề tài:

  • Xác lập thông số đầu vào: Đặt ra các điều kiện biên về kích thước không gian làm việc ($400 \times 450 \times 120\text{ mm}$), khối lượng các cụm chuyển động ($M_x = 15\text{ kg}$, $M_y = 20\text{ kg}$, $M_z = 10\text{ kg}$), tải trọng phôi lớn nhất ($20\text{ kg}$) và vận tốc chạy dao gia công định mức ($750\text{ mm/phút}$).
  • Tính toán chế độ cắt và lực cắt:
    • Vận tốc cắt $V$ và số vòng quay trục chính: Xác định dải tốc độ quay khi phay thô ($10.000\text{ vg/ph}$) và phay tinh ($18.000\text{ vg/ph}$).
    • Tra bảng các hệ số lực cắt theo sổ tay công nghệ ($C_p = 68,2$; $x = 0,86$; $y = 0,72$; $u = 1$; $q = 0,86$; $w = 0$).
    • Tính ra lực cắt chính $P_z = 147\text{ N}$ và các thành phần lực tác dụng lên các trục tọa độ: $P_h = 36,75\text{ N}$, $P_v = 139,65\text{ N}$, $P_y = 51,45\text{ N}$, $P_x = 77,91\text{ N}$.
  • Tính toán, lựa chọn bộ truyền vít me - đai ốc:
    • Đối với trục Z: Thiết kế bộ truyền vít me ren hình thang vật liệu thép tôi kết hợp đai ốc đồng thanh BrAlFe3. Đảm bảo điều kiện tự hãm ($\gamma < \rho'$ với $f' = 0,1$), kiểm nghiệm độ bền chịu xoắn, kéo/nén và ứng suất tương đương ($\sigma_{td} < [\sigma]$) tại tiết diện nguy hiểm $d_0 = 10\text{ mm}$. Chọn thông số vít me trục Z có đường kính danh nghĩa $16\text{ mm}$ (hoặc trục ngõng $10\text{ mm}$), bước ren $5\text{ mm}$.
    • Đối với trục X và Y: Xác định lực kéo cần thiết thắng lực ma sát cản trượt $F_{ms}$, lựa chọn bộ truyền vít me bi đường kính $16\text{ mm}$, bước ren $5\text{ mm}$.
  • Tính chọn công suất động cơ bước:
    • Trục X và Y: Tính toán lực kéo tổng hợp $P = 200\text{ N}$, xác định công suất yêu cầu tối thiểu $3\text{ W}$, lựa chọn động cơ bước 2 pha nguồn $12\text{V}$, góc bước $1,8^\circ$ (200 bước/vòng).
    • Trục Z: Tính toán trong điều kiện khoan chịu lực dọc trục $P_0 = 360,7\text{ N}$, xác định công suất yêu cầu tối thiểu $5\text{ W}$, lựa chọn động cơ bước 2 pha nguồn $12\text{V}$, góc bước $1,8^\circ$ (200 bước/vòng).

Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 3 trục

Chương III trình bày giải pháp kỹ thuật tích hợp phần cứng và phần mềm điều khiển:

  • Cấu trúc phần cứng điều khiển:
    • Phân tích chi tiết sơ đồ chân, chức năng các cổng vào/ra (14 cổng Digital I/O, chân nguồn GND, 5V, Vin, RESET, IOREF) và kiến trúc bộ nhớ (32KB Flash, 2KB SRAM, 1KB EEPROM) của bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 chạy chip ATmega328.
    • Sử dụng module công suất Driver TB6560 để khuếch đại dòng điện và điều khiển xung/chiều (PUL/DIR) cho các động cơ bước.
    • Tích hợp bộ điều khiển tốc độ cho động cơ trục chính (spindle motor) đạt dải tốc độ lên đến $24.000\text{ vòng/phút}$.
  • Phần mềm và quy trình vận hành:
    • Triển khai phần mềm mã nguồn mở b-CNC trên máy tính để thiết lập giao tiếp, căn chỉnh gốc tọa độ máy/phôi và truyền mã lệnh gia công.
    • Sử dụng phần mềm Vectric Aspire 9 để thiết kế bản vẽ 2D, lập mô hình 3D, mô phỏng đường chạy dao cắt gọt và xuất tệp G-code tiêu chuẩn.
  • Thực nghiệm gia công: Chế tạo hoàn thiện mô hình máy CNC 3 trục, tiến hành nạp chương trình và gia công thử nghiệm thực tế các sản phẩm mẫu (khắc tranh gỗ, khắc chữ, cắt logo).

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  1. Hoàn thiện hệ thống tính toán cơ khí: Toàn bộ thông số lực cắt ($P_z = 147\text{ N}$, $P_0 = 360,7\text{ N}$), bộ truyền vít me đai ốc (đường kính $16\text{ mm}$, bước $5\text{ mm}$) và công suất động cơ bước dẫn động (X/Y $\ge 3\text{ W}$, Z $\ge 5\text{ W}$) được tính toán rõ ràng theo tiêu chuẩn cơ khí chế tạo máy.
  2. Xây dựng mô hình máy CNC 3 trục hoàn chỉnh: Thiết kế và lắp ráp thành công mô hình máy phay CNC 3 trục nhỏ gọn dựa trên khung máy CNC 3018, đáp ứng không gian làm việc $400 \times 450 \times 120\text{ mm}$.
  3. Tích hợp thành công hệ thống điều khiển giá thành thấp: Ứng dụng hiệu quả vi điều khiển Arduino Uno R3 kết hợp driver TB6560 và phần mềm điều khiển b-CNC, cho phép nhận và xử lý đầy đủ các tập lệnh G-code phức tạp xuất từ Vectric Aspire 9.
  4. Kiểm chứng thực nghiệm: Máy đã gia công thành công các mẫu sản phẩm điêu khắc gỗ, cắt chữ và logo trên các vật liệu phi kim và gỗ với đường nét mịn màng, vận hành ổn định.

Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp tài liệu thuyết minh chi tiết (55–60 trang) về quy trình từ tính toán lý thuyết, thiết kế cơ khí đến tích hợp mạch điều khiển số cho máy CNC mini.
  • Đưa ra giải pháp công nghệ chi phí thấp, tận dụng linh kiện phổ biến trên thị trường để xây dựng thiết bị gia công tự động hóa phục vụ các cơ sở gia công quy mô nhỏ hoặc phòng thí nghiệm đào tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế

  • Mô hình máy CNC 3 trục kích thước nhỏ nên độ cứng vững tổng thể của khung máy còn giới hạn khi gia công các vật liệu có độ cứng cao như kim loại nặng.
  • Hệ thống điều khiển sử dụng mạch vi điều khiển mã nguồn mở hoạt động theo nguyên lý mạch hở (open-loop), chưa tích hợp cảm biến thước đo quang hoặc encoder hồi tiếp vị trí để tự động bù sai số chuyển động.
  • Kinh nghiệm và thời gian thực hiện đề tài có hạn nên máy vẫn còn tồn tại rung động nhẹ trong quá trình cắt gọt tốc độ cao.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nghiên cứu các giải pháp kết cấu nhằm triệt tiêu rung động cơ học, khắc phục sai số truyền động để nâng cao độ chính xác gia công của máy.
  • Tiếp tục nâng cao mức độ tự động hóa của hệ thống điều khiển (bổ sung cảm biến dò dao tự động - tool setter, công tắc hành trình quang học, hệ thống cảnh báo quá tải).
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu và nâng cấp hệ thống điều khiển từ 3 trục lên 4 trục (bổ sung trục xoay A) để phục vụ gia công tượng tròn và các chi tiết 4D phức tạp.

Giá trị tham khảo

Đề tài là tài liệu tham khảo thực tiễn hữu ích cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Tự động hóa: Nắm bắt phương pháp tính toán lực cắt, thiết kế bộ truyền vít me - đai ốc, tính chọn động cơ bước và phương pháp ghép nối vi điều khiển với mạch công suất.
  • Kỹ thuật viên và người làm nghiên cứu tự chế tạo máy (DIY CNC): Tham khảo cấu hình phần cứng tối ưu chi phí (Arduino Uno R3 + TB6560), quy trình thiết lập phần mềm điều khiển máy qua b-CNC và xuất mã G-code bằng phần mềm Vectric Aspire 9.
  • Nội dung đáng tham khảo nhất: Quy trình tính toán kiểm nghiệm bền trục vít me và công thức xác định công suất động cơ bước các trục tọa độ trong Chương II; sơ đồ kết nối và cấu hình phần cứng điều khiển trong Chương III.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài lựa chọn loại vi điều khiển và mạch công suất nào để điều khiển máy CNC 3 trục?
Hệ thống sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 (trang bị vi điều khiển 8-bit AVR ATmega328, bộ nhớ Flash 32KB) kết hợp với các mạch công suất Driver TB6560 để dẫn động các động cơ bước và driver điều khiển động cơ trục chính.

2. Thông số kỹ thuật của bộ truyền vít me - đai ốc trên các trục chuyển động được tính chọn như thế nào?

  • Trục Z sử dụng vít me ren hình thang bằng thép tôi kết hợp đai ốc đồng thanh BrAlFe3, đường kính danh nghĩa $16\text{ mm}$ (đường kính ngõng trục $10\text{ mm}$), bước ren $p_s = 5\text{ mm}$, chiều cao đai ốc $H = 28,8\text{ mm}$.
  • Trục X và Y sử dụng bộ truyền vít me đai ốc bi có đường kính $16\text{ mm}$ và bước ren $5\text{ mm}$.

3. Công suất và thông số của các động cơ bước dẫn động các trục là bao nhiêu?

  • Động cơ trục X và Y: Yêu cầu công suất tối thiểu $3\text{ W}$, sử dụng động cơ bước 2 pha, điện áp $12\text{V}$, độ phân giải 200 bước/vòng ($1,8^\circ/\text{bước}$).
  • Động cơ trục Z: Yêu cầu công suất tối thiểu $5\text{ W}$ (tính theo lực dọc trục khoan $P_0 = 360,7\text{ N}$), sử dụng động cơ bước 2 pha, điện áp $12\text{V}$, 200 bước/vòng ($1,8^\circ/\text{bước}$).

4. Chuỗi phần mềm được tác giả sử dụng để thiết kế và vận hành máy CNC gồm những gì?
Quy trình gia công sử dụng phần mềm Vectric Aspire 9 để thiết kế biên dạng 2D/3D và xuất chương trình gia công G-code; sau đó tệp G-code được nạp vào phần mềm b-CNC trên máy tính để truyền tín hiệu điều khiển trực tiếp tới bo mạch Arduino Uno R3.

5. Lực cắt chính và các lực thành phần khi gia công phay được tính toán ra kết quả bao nhiêu?
Lực cắt tiếp tuyến chính là $P_z = 147\text{ N}$; các lực thành phần tương ứng gồm lực chạy dao ngang $P_h = 36,75\text{ N}$, lực chạy dao đứng $P_v = 139,65\text{ N}$, lực hướng kính $P_y = 51,45\text{ N}$ và lực hướng trục $P_x = 77,91\text{ N}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Tính toán và thiết kế hệ thống điều khiển máy CNC 3 trục" của tác giả Hoàng Minh Tuấn đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra, bao gồm việc hệ thống hóa cơ sở lý thuyết máy CNC, tính toán chính xác các thông số động học, lực cắt và độ bền cơ khí của hệ thống truyền động. Nghiên cứu đã tích hợp thành công giải pháp điều khiển mã nguồn mở giá thành thấp trên nền tảng Arduino Uno R3, driver TB6560 cùng chuỗi phần mềm Vectric Aspire 9 và b-CNC. Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình máy CNC 3 trục vận hành ổn định, gia công chính xác các chi tiết gỗ và vật liệu phi kim, tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng máy CNC đa trục nâng cao sau này.