Ứng dụng phần mềm Mach3 xây dựng và điều khiển máy CNC laser 4 trục

Đồ án ứng dụng phần mềm Mach3 xây dựng và điều khiển máy CNC laser 4 trục tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Trương Hoàng Vũ
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tử Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng phần mềm Mach3 xây dựng và điều khiển máy CNC laser 4 trục
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan ứng dụng Mach3 điều khiển máy CNC laser 4 trục

Công nghệ điều khiển số bằng máy tính đóng vai trò cốt lõi trong sản xuất cơ khí hiện đại. Tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, nghiên cứu tích hợp phần mềm Mach3 mở ra giải pháp linh hoạt cho hệ thống gia công tự động. Phần mềm Mach3 biến máy tính cá nhân thành bộ điều khiển trung tâm mạnh mẽ. Nền tảng này đọc mã lệnh G-code và chuyển đổi thành xung điều khiển chính xác. Hệ thống máy gia công bốn trục kết hợp chuyển động tịnh tiến ba chiều với một trục xoay tròn. Đầu phát tia laser thay thế trục chính truyền thống để khắc và cắt vật liệu với độ tinh xảo cao. Sự phối hợp này triệt tiêu áp lực cơ học lên phôi gia công. Mô hình thực nghiệm tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao khẳng định tính khả thi của giải pháp. Cấu trúc hệ thống bao gồm máy tính, card giao tiếp USB, bộ điều khiển động cơ servo và hệ thống quang học laser. Chi phí chế tạo giảm đáng kể so với việc nhập khẩu thiết bị ngoại nhập nguyên chiếc. Đề tài cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng cho giảng dạy và cải tiến công nghệ tự động hóa.

1.1. Nền tảng điều khiển Mach3 trong gia công laser

Phần mềm Mach3 cung cấp giao diện trực quan và khả năng tùy biến cao cho các máy điều khiển số. Hệ thống tiếp nhận tập lệnh G-code từ các phần mềm CAD/CAM chuyên dụng. Dữ liệu gia công được biên dịch tức thời để tạo xung nhịp bước và hướng. Mach3 kiểm soát đồng bộ các trục X, Y, Z và trục xoay A. Tín hiệu kích hoạt nguồn laser được điều biến xung linh hoạt theo tốc độ di chuyển thực tế. Điều này ngăn ngừa hiện tượng cháy biên hoặc quá nhiệt trên bề mặt chi tiết. Giao tiếp qua cổng USB cải thiện tốc độ truyền nhận lệnh. Phần mềm còn cho phép giám sát tọa độ thời gian thực, thiết lập bù sai số cơ khí và tạm dừng quy trình khẩn cấp khi phát sinh sự cố.

1.2. Ý nghĩa nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM

Đồ án tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM gắn liền lý thuyết tự động hóa với chế tạo thực tế. Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa trực tiếp làm chủ phần cứng lẫn thuật toán điều khiển. Dự án giải quyết bài toán gia công các bề mặt cong phức tạp nhờ trục xoay thứ tư. Thiết bị hoàn thiện đóng vai trò giáo cụ trực quan trong các học phần điều khiển máy CNC và truyền động điện. Chi phí nghiên cứu và lắp ráp thấp hơn nhiều so với dây chuyền công nghiệp. Mô hình tạo tiền đề phát triển các dòng máy gia công nội địa có độ chính xác cao. Sản phẩm khẳng định năng lực đào tạo thực hành của nhà trường trong thời kỳ công nghệ phát triển.

II. Thách thức kỹ thuật khi Mach3 điều khiển máy CNC laser 4 trục

Quá trình chế tạo máy CNC bốn trục gặp nhiều trở ngại kỹ thuật phức tạp. Trở ngại lớn nhất nằm ở việc đảm bảo độ ổn định chuyển động khi vận hành đồng thời nhiều trục tọa độ. Động cơ servo công nghiệp đòi hỏi tần số phát xung cao và liên tục từ bộ điều khiển. Sai lệch thời gian trễ giữa tín hiệu điều khiển và phản hồi vị trí encoder dễ gây sai số gia công. Ngoài ra, môi trường xung điện áp cao từ nguồn laser 12VDC và bộ truyền động servo sinh ra xung nhiễu lớn. Nhiễu điện từ lan truyền qua đường dây tín hiệu gây mất bước hoặc treo phần mềm Mach3. Cảm biến tiệm cận GLX-N12FB thường xuyên bị kích hoạt giả nếu không được bọc kim chống nhiễu kỹ lưỡng. Vấn đề tản nhiệt cho diode laser khi vận hành công suất lớn cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ thiết bị. Việc nội suy chuyển động trên phôi trụ tròn đòi hỏi đồng bộ vận tốc góc của trục A với vận tốc tiếp tuyến trục X và Y. Sai sót tính toán dẫn đến bề mặt cắt bị biến dạng hoặc cháy xém vật liệu. Các thách thức này đòi hỏi phương án phân tích mạch điện và cấu trúc cơ khí bài bản.

2.1. Vấn đề đồng bộ truyền động servo đa trục

Bộ khuếch đại Mitsubishi MR-J2S-A và MR-C yêu cầu chuỗi xung điều khiển cực kỳ chuẩn xác. Khi thực hiện phép gia công tròn xoay, trục A phải quay nhịp nhàng cùng chuyển động dọc trục vitme. Sai lệch vận tốc dù nhỏ cũng làm biến dạng hoa văn khắc laser. Card Mach3 USB xử lý tín hiệu thông qua vi điều khiển trung gian, tạo ra độ trễ mili-giây nhất định. Nếu thông số gia tốc và vận tốc tối đa không được cân chỉnh chuẩn xác, động cơ servo sẽ báo lỗi quá tải hoặc rung lắc. Hiện tượng rơ cơ khí tại các khớp nối trục vitme làm gia tăng sai số tích lũy qua thời gian. Vì vậy, việc thiết lập hệ số tỷ lệ và kiểm soát phản hồi vị trí là yêu cầu then chốt.

2.2. Xử lý nhiễu điện từ và an toàn laser

Hệ thống công nghiệp luôn đối mặt với vấn đề tương thích điện từ trường. Động cơ servo đóng ngắt tần số cao phát sinh sóng hài gây nhiễu loạn nguồn cấp 24VDC của cảm biến hành trình. Xung nhiễu đi vào cổng vào Mach3 USB gây dừng khẩn cấp hệ thống ngoài ý muốn. Bên cạnh đó, chùm tia laser hội tụ mang mật độ năng lượng nhiệt rất lớn. Nguy cơ cháy nổ vật liệu hoặc phản xạ quang học gây hại thị lực đòi hỏi quy chuẩn bảo hộ nghiêm ngặt. Nguồn phát laser 12VDC cần mạch điều khiển độc lập có relay cách ly quang học. Thiếu thiết bị chắn bảo vệ và hút khói độc hại sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người vận hành và phòng thí nghiệm.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống Mach3 điều khiển máy CNC laser 4 trục

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đề xuất giải pháp kiến trúc phần cứng phân tầng kết hợp phần mềm điều khiển tối ưu. Khối nguồn phân phối năng lượng riêng biệt cho từng thành phần chức năng. Nguồn 12VDC cấp riêng cho mô-đun diode laser, trong khi nguồn 24VDC nuôi cảm biến và ngõ vào cách ly. Bộ lọc nhiễu 3 pha WYFTH20T1BD AC500V được lắp đặt để triệt tiêu hoàn toàn xung điện áp cao tần từ lưới điện. Khối xử lý trung tâm dùng card Mach3 USB nhận lệnh từ máy tính cá nhân. Tín hiệu xung bước và chiều quay chuyển tới các bộ điều khiển servo Mitsubishi MR-J2S-A và MR-C. Khối truyền động sử dụng vitme bi có độ rơ tối thiểu, gắn trực tiếp với động cơ servo qua khớp nối mềm. Bốn cảm biến tiệm cận GLX-N12FB được bố trí tại các giới hạn hành trình nhằm bảo vệ an toàn cơ khí. Tín hiệu điều chế độ rộng xung PWM được tinh chỉnh để kiểm soát năng lượng chùm tia laser đồng bộ với tốc độ dịch chuyển. Mô hình này giúp hệ thống phản hồi cực nhanh và triệt tiêu sai số vị trí.

3.1. Tích hợp phần cứng giao tiếp Mach3 USB

Card điều khiển Mach3 USB đóng vai trò cầu nối dữ liệu tốc độ cao giữa phần mềm và cơ cấu chấp hành. Mạch in tích hợp cổng cách ly quang bảo vệ máy tính khỏi sự cố phóng điện ngược. Các chân xuất xung điều khiển Step và Direction được kết nối chuẩn xác tới đầu vào của Driver Servo Mitsubishi. Nhờ đó, động cơ phản ứng tức thời theo từng lệnh nội suy chuyển động. Hệ thống cấp nguồn sử dụng rơ-le trung gian điều khiển đóng mở công tắc phát laser an toàn. Các cảm biến tiệm cận GLX-N12FB gắn ở đầu mút trục X, Y, Z, A cung cấp tín hiệu logic phản hồi về card. Quy trình này bảo đảm động cơ dừng lập tức khi chạm giới hạn cơ khí.

3.2. Cấu hình phần mềm và thuật toán nội suy

Cài đặt phần mềm Mach3 đòi hỏi thiết lập chính xác các thông số Motor Tuning cho từng trục truyền động. Thông số bước trên mỗi milimét (Steps per Unit) được tính toán dựa trên bước ren trục vitme và độ phân giải encoder servo. Thông số gia tốc và vận tốc cắt gọt được căn chỉnh nhằm triệt tiêu lực quán tính khi đổi hướng. Thuật toán nội suy tuyến tính và cung tròn liên tục điều phối quỹ đạo di chuyển của đầu laser. Trục xoay A được gán hệ số góc phù hợp với đường kính chi tiết hình trụ. Đồng thời, bảng chân cắm Ports and Pins được ánh xạ tương ứng với sơ đồ mạch phần cứng. Cấu hình hoàn chỉnh cho phép đọc mượt mà các tập tin G-code phức tạp từ phần mềm thiết kế mỹ thuật.

IV. Đánh giá ứng dụng thực tiễn Mach3 điều khiển máy CNC laser 4 trục

Kết quả thực nghiệm tại ĐH SPKT TP.HCM chứng minh tính ưu việt của giải pháp máy CNC laser bốn trục. Hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra ban đầu. Khả năng gia công trên các vật liệu phi kim như gỗ, mica, da và bề mặt trụ tròn đạt độ sắc nét vượt trội. Sai số định vị cơ khí và sai số kích thước chi tiết duy trì ở mức dung sai cho phép dưới 0.05 milimét. Chùm tia laser di chuyển đồng đều, không tạo vết cháy lem và đường cắt phẳng mịn. Chi phí chế tạo máy tiết kiệm hơn sáu mươi phần trăm so với thiết bị thương mại cùng tính năng. Mô hình không chỉ hoàn thành mục tiêu đồ án tốt nghiệp xuất sắc mà còn mang giá trị ứng dụng lâu dài. Thiết bị phục vụ công tác giảng dạy thực hành cho sinh viên chuyên ngành tự động hóa và cơ điện tử. Nghiên cứu mở ra hướng đi thiết thực trong việc làm chủ công nghệ điều khiển số tại các trường đại học kỹ thuật.

4.1. Kết quả kiểm tra độ chính xác gia công

Thử nghiệm gia công mẫu khắc hoa văn phức tạp trên phôi trụ tròn cho thấy các nét khắc sắc sảo và liền mạch. Sự kết hợp giữa bộ lọc nhiễu 3 pha và bộ điều khiển servo Mitsubishi loại bỏ hiện tượng méo hình. Vận tốc dịch chuyển của đầu laser duy trì ổn định trong suốt chu trình chạy mã G-code. Tọa độ điểm gốc ban đầu được khôi phục chính xác nhờ cụm cảm biến tiệm cận GLX-N12FB. Không xảy ra hiện tượng mất bước hay trôi tọa độ sau nhiều giờ vận hành liên tục. Năng lượng laser phân bổ đồng đều giúp bề mặt khắc đạt tính thẩm mỹ cao. Độ lặp lại vị trí đạt tiêu chuẩn kiểm định cơ khí chính xác trong môi trường đào tạo đại học.

4.2. Tiềm năng ứng dụng đào tạo tại HCMUTE

Máy CNC laser bốn trục đóng góp một mô hình thiết bị đào tạo trực quan tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Sinh viên có cơ hội trực tiếp khảo sát sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển và các giao thức truyền thông công nghiệp. Thiết bị hỗ trợ đắc lực các môn học về PLC, vi điều khiển, kỹ thuật truyền động và gia công số. Mô hình mở còn tạo điều kiện nâng cấp các thuật toán thông minh trong tương lai như bù sai số nhiệt tự động hoặc tích hợp thị giác máy tính. Đây là bước đệm vững chắc giúp người học làm chủ các công nghệ công nghiệp hiện đại, thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết giảng đường và sản xuất thực tế.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của nền kinh tế và kỹ thuật công nghiệp đặt ra yêu cầu ngày càng cao đối với các sản phẩm gia công cơ khí, đồ gỗ mỹ nghệ, khuôn mẫu và linh kiện nhựa về độ chính xác, tính tiện dụng cũng như giá trị thẩm mỹ. Để đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về năng suất và độ tinh xảo, việc chuyển dịch từ gia công thủ công hoặc máy công cụ vạn năng sang các dòng máy điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computer Numerical Control) trở thành một xu thế kỹ thuật tất yếu. Mặc dù thị trường hiện nay cung cấp nhiều chủng loại máy CNC công nghiệp với khả năng làm việc ổn định, độ chính xác cao và tuổi thọ lớn, song giá thành chế tạo cũng như chi phí đầu tư ban đầu của các thiết bị này rất cao. Bên cạnh đó, chất lượng của các dòng máy CNC phổ thông trên thị trường trong nước chưa đồng đều, gây khó khăn cho các cơ sở sản xuất vừa và nhỏ cũng như môi trường thực hành, đào tạo đại học. Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một mô hình máy CNC 4 trục kích thước thu nhỏ sử dụng phần mềm điều khiển phổ dụng Mach3 kết hợp với hệ thống điều khiển servo công nghiệp là giải pháp kỹ thuật cần thiết, giúp sinh viên làm chủ công nghệ điều khiển chuyển động đa trục và giảm thiểu chi phí chế tạo, bảo trì.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua các nhiệm vụ sau:

1. Vận dụng kiến thức chuyên ngành, tìm hiểu, thiết kế và chế tạo mô hình máy CNC khắc laser 4 trục bao gồm các trục chuyển động X, Y, Z và trục xoay A; có khả năng gia công trên bề mặt phẳng tọa độ X, Y hoặc gia công trên bề mặt khối trụ tròn, khối trụ vuông bằng gỗ thông qua sự kết hợp của các trục tịnh tiến và trục xoay A, trong đó trục Z giữ nhiệm vụ mang nguồn laser khắc sản phẩm.
2. Thiết lập kết nối phần cứng, tổ chức giao tiếp và phát chuỗi xung điều khiển đồng bộ giữa mạch đệm giao tiếp máy tính (Board Mach3 USB), các bộ điều khiển động cơ (Driver) và hệ thống động cơ servo.
3. Lập trình, điều khiển và giám sát quá trình vận hành của hệ thống máy CNC trên máy tính nhằm tạo ra sản phẩm gia công đạt độ chính xác theo yêu cầu thiết kế.
4. Thành thạo quy trình cấu hình, cài đặt thông số chuyển động (Motor Tuning) và điều khiển vận hành trên phần mềm Mach3.
5. Kiểm tra, phát hiện và xử lý khắc phục các lỗi kỹ thuật, sự cố phát sinh trong quá trình vận hành hệ thống.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: mô hình máy CNC 4 trục; hệ thống truyền động cơ khí vitme và động cơ servo; phần mềm điều khiển máy CNC Mach3; board mạch giao tiếp trung gian CNC BOB Mach3 USB.

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn ở việc gia công khắc laser trên vật liệu phôi gỗ (dạng phẳng và dạng trụ); sử dụng phần mềm Vectric Aspire phiên bản 8.5 để thiết kế đồ họa và xuất mã lệnh gia công G-code; ứng dụng phần mềm Mach3 để điều khiển hệ thống qua giao tiếp máy tính; không gian làm việc của bàn phôi đạt 150 mm × 170 mm với hành trình giới hạn chuyển động của các trục vitme là 300 mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý điều khiển số theo chuẩn EIA-274-D (mã G-code) và cấu trúc điều khiển vòng kín (closed-loop) của hệ thống truyền động servo công nghiệp. Trong hệ thống này, các tín hiệu lệnh vị trí và vận tốc phát ra từ máy tính điều khiển được gửi đến bộ khuếch đại (Driver). Bộ điều khiển định vị liên tục giám sát tín hiệu phản hồi từ thiết bị phát hiện lỗi (Encoder) gắn liền với trục động cơ để hiệu chỉnh sai lệch tức thời, đảm bảo độ chính xác chuyển động ở mọi dải vận tốc.

Các thành phần phần cứng và thiết bị công nghệ chính được tác giả sử dụng bao gồm:

• Động cơ AC Servo trục A: Sử dụng model Mitsubishi HC-KFS13 có công suất định mức 0,1 kW, điện áp nguồn cấp 200V, tốc độ định mức 3000 – 4500 vòng/phút, mô-men xoắn định mức 0,95 N·m, tích hợp bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder) quang học 17-bit với độ phân giải 131.072 xung/vòng.
• Bộ điều khiển động cơ AC Servo (Driver): Sử dụng bộ khuếch đại Mitsubishi series MELSERVO MR-J2S (cụ thể là MR-J2S-10A) tương thích với động cơ HC-KFS13, có khả năng nhận chuỗi xung điều khiển tốc độ cao lên tới 500 kpps, hỗ trợ chức năng giao tiếp nối tiếp RS-232C hoặc RS-422, có cơ chế cài đặt giới hạn mô-men xoắn bảo vệ bóng bán dẫn mạch chính khỏi quá dòng hoặc quá tải; kết hợp cùng bộ điều khiển servo dòng Mitsubishi MR-C (MR-C10A).
• Mạch đệm điều khiển trung gian: Sử dụng Board mạch CNC BOB Mach3 USB 4 trục, giao tiếp với máy tính qua cổng USB, hỗ trợ tần số phát xung tối đa 100 kHz, tích hợp cách ly quang Opto và IC đệm cho toàn bộ các ngõ vào số (IN1 đến IN4) và ngõ ra số (OUT1 đến OUT4), có ngõ vào hỗ trợ nút dừng khẩn cấp (E-stop), ngõ vào tay quay điện tử (handwheel), ngõ ra analog 0–10V điều khiển tốc độ trục chính, sử dụng nguồn 24VDC cách ly nguồn USB máy tính.
• Cơ cấu truyền động cơ khí: Các trục X và Y sử dụng bộ truyền vitme có kích thước thanh 503 mm × 88 mm × 65 mm, bước ren vitme là 20 mm/vòng, giới hạn chuyển động 300 mm, tốc độ di chuyển tối đa 700 mm/s, tích hợp sẵn cảm biến giới hạn hành trình và động cơ servo công suất 100W có độ phân giải 4000 xung/vòng; bàn máy làm việc bằng nhôm định hình dày 10 mm.
• Đầu công cụ và thiết bị phụ trợ: Nguồn phát laser công suất 500 mW cấp nguồn 12VDC đảm nhận vai trò trục Z khắc vật liệu; cảm biến tiệm cận GLX-N12FB dùng để phát hiện điểm gốc và giới hạn hành trình các trục; aptomat bảo vệ mạch CP30-BA 15A chống ngắn mạch và quá tải; bộ lọc nhiễu 3 pha WYFTH20T1BD AC500V; bộ nguồn tổ ong 24V–5A và 12V cấp điện cho các mạch điều khiển và công cụ laser.
• Phần mềm và ngôn ngữ lập trình: Phần mềm ArtSoft Mach3 đóng vai trò mô phỏng và điều khiển trực tiếp các trục máy tính qua cổng USB, hỗ trợ cửa sổ nhập lệnh trực tiếp MDI (Manual Data Input) và mở rộng mã M thông qua các tập lệnh VBscript (macro); phần mềm CAM Vectric Aspire phiên bản 8.5 dùng để thiết kế mẫu 2D/3D và xuất đường chạy dao thành chương trình G-code; tập mã lệnh gia công theo tiêu chuẩn gồm các lệnh nội suy hình học (G0, G1, G2, G3, G17, G18, G19) và lệnh chức năng phụ trợ (M03, M05, M08).

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp khảo sát và phân tích tài liệu kỹ thuật: Khảo sát thực tế các dòng máy CNC gia công gỗ công nghiệp; nghiên cứu tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất Mitsubishi Electric đối với bộ khuếch đại MR-J2S-A và Melservo MR-C.
• Phương pháp thiết kế kỹ thuật và mô hình hóa: Thiết kế sơ đồ khối chức năng, sơ đồ kết nối dây phần cứng, sơ đồ bố trí không gian cơ khí và lập lưu đồ thuật toán điều khiển toàn hệ thống.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp cơ khí, thi công tủ điện, đo kiểm thông mạch nguội, chạy thử nghiệm Jog trực tiếp trên driver và qua phần mềm, sau đó tiến hành gia công thực tế trên các mẫu phôi gỗ phẳng và phôi gỗ hình khối trụ.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Kiến trúc phần cứng của hệ thống CNC laser 4 trục được cấu thành từ 6 khối chức năng liên kết chặt chẽ:

• Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện ổn định cho toàn hệ thống, gồm nguồn 12VDC cấp cho đầu khắc Laser; nguồn 24VDC cấp cho các cảm biến tiệm cận và các ngõ vào của board Mach3 USB; nguồn 5V từ cổng USB máy tính cấp cho mạch logic phát xung ngõ ra.
• Khối điều khiển: Máy tính cá nhân cài đặt phần mềm Mach3 chịu trách nhiệm đọc chương trình G-code, mô phỏng chuyển động và xuất tín hiệu xung điều khiển (chuỗi xung Step và Dir).
• Khối xử lý trung tâm: Board mạch BOB Mach3 USB tiếp nhận lệnh điều khiển số từ máy tính qua cổng giao tiếp USB, phân phối chuỗi xung tần số cao đến các driver tương ứng cho từng trục X, Y, Z, A và tiếp nhận tín hiệu hồi tiếp từ công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp.
• Khối công suất: Gồm các bộ khuếch đại Driver MR-J2S-10A và Driver MR-C10A thực hiện khuếch đại dòng điện, điều khiển công suất đóng ngắt cung cấp cho các cuộn dây stator của động cơ servo.
• Khối truyền động: Động cơ servo kết hợp với trục vitme chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến tuyến tính cho trục X, Y, mang theo trục Z gắn nguồn laser, cùng với cụm trục xoay A kẹp giữ phôi trụ tròn hoặc trụ vuông.
• Khối cảm biến: Các cảm biến tiệm cận GLX-N12FB được bố trí tại các vị trí đầu và cuối hành trình của từng trục, phản hồi tín hiệu về board trung tâm để dừng ngắt động cơ khi vượt ngưỡng an toàn.

Ký hiệu chân Driver MR-J2S	Tên tín hiệu và chức năng kỹ thuật	Kết nối trong hệ thống
VDD	Nguồn nội 24VDC của bộ khuếch đại	Cấp nguồn cho mạch điều khiển servo
COM	Cực âm nguồn nội 24VDC	Chân chung của nguồn điều khiển
SON	Tín hiệu Servo-ON (kích hoạt hoạt động)	Nối lệnh kích hoạt chuyển trạng thái khóa trục
RES	Tín hiệu Reset bộ điều khiển	Tẩy xóa trạng thái lỗi/báo động
EMG	Tín hiệu dừng khẩn cấp (Emergency Stop)	Nối vào mạch bảo vệ an toàn
LSP / LSN	Giới hạn hành trình quay thuận / quay nghịch	Ngắt xung khi chạm giới hạn cơ khí
PP / NP	Tín hiệu xung quay thuận / xung quay nghịch	Nhận xung điều khiển vị trí từ Board Mach3
PG / NG	Tín hiệu xung cấp nguồn đầu vào	Phối hợp mạch nhận xung logic
LA / LAR	Tín hiệu bộ mã hóa xung pha A	Hồi tiếp tín hiệu vị trí từ Encoder
LB / LBR	Tín hiệu bộ mã hóa xung pha B	Hồi tiếp tín hiệu vị trí từ Encoder
LZ / LZR	Tín hiệu bộ mã hóa xung pha Z	Xác định điểm gốc zero của động cơ
ALM	Tín hiệu báo động lỗi (Alarm)	Xuất cờ báo lỗi về mạch giám sát

Quy trình triển khai và kiểm thử hệ thống được thực hiện qua các giai đoạn kỹ thuật nghiêm ngặt:

1. Thi công lắp ráp cơ khí và tủ điện: Cố định trục X lên khung bàn nhôm định hình; gá lắp trục Y trượt vuông góc trên trục X; gắn nguồn laser 500 mW đại diện cho trục Z trượt theo phương đứng trên trục Y; lắp đặt cụm trục xoay A song song trên mặt bàn. Hệ thống dây dẫn nguồn và tín hiệu điều khiển được đi qua máng ghen ống vuông, bấm đầu cos, đánh nhãn phân định rõ ràng và đấu nối tập trung qua cầu đấu Domino.
2. Kiểm tra nguội hệ thống: Trước khi đóng điện, hệ thống được đo kiểm thông mạch bằng đồng hồ vạn năng tại các tiếp điểm của aptomat CP30-BA 15A, kiểm tra cách ly ngắn mạch giữa các đường cấp nguồn DC 24V, 12V và nối đất vỏ máy (chân SD).
3. Kiểm tra vận hành Jog và cài đặt thông số: Kiểm tra hoạt động không tải của Driver MR-J2S và MR-C10A ở chế độ Jog bằng nút nhấn UP (quay thuận CCW) và DOWN (quay nghịch CW) trên mặt hiển thị bộ khuếch đại với tốc độ mặc định 200 vòng/phút, thời gian tăng/giảm tốc 1 giây; khi bật tín hiệu SON, màn hình LED chuyển trạng thái hiển thị sẵn sàng và khóa cứng trục động cơ. Tiếp đó, hệ thống được kết nối với phần mềm Mach3, thiết lập tần số phát xung và cài đặt tham số chuyển động (Motor Tuning) dựa trên bước vitme 20 mm/vòng và độ phân giải encoder để xác định chính xác số xung trên một đơn vị chiều dài (Step per unit).
4. Thiết kế CAM và nạp mã điều khiển: Bản vẽ gia công được khởi tạo trên phần mềm Vectric Aspire 8.5, thiết lập vùng làm việc, quy định chế độ cắt, chuyển đổi các đường nét thiết kế sang dạng véc-tơ và xuất file G-code. File G-code sau đó được nạp vào Mach3 để giám sát hành trình chạy dao mô phỏng trên màn hình trước khi phát lệnh gia công thực tế trên phôi gỗ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương này làm rõ bối cảnh công nghệ gia công CNC hiện đại, so sánh các ưu điểm nổi bật (năng suất cao, độ chính xác cao, lặp lại ổn định, giảm chi phí sản xuất, dễ bảo trì và linh hoạt lập trình) với các nhược điểm (chi phí đầu tư ban đầu đắt đỏ, hệ thống vận hành phức tạp, đòi hỏi nhân lực kỹ thuật cao). Tác giả phân tích tính cấp thiết của đề tài trong việc nghiên cứu và thu nhỏ mô hình CNC nhằm phục vụ giảng dạy, học tập và sản xuất nhỏ. Chương 1 xác định rõ mục tiêu chế tạo máy CNC 4 trục laser (X, Y, Z, A), đối tượng nghiên cứu là hệ thống servo và phần mềm Mach3, cùng phạm vi làm việc trên phôi gỗ với kích thước không gian giới hạn 150 mm × 170 mm. Tác giả cũng thiết lập lưu đồ quy trình thực hiện đồ án từ khâu hình thành ý tưởng, thiết kế phần cứng, thi công mô hình cho đến giai đoạn vận hành thử nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày chi tiết nền tảng lý thuyết và thông số kỹ thuật của các trang thiết bị phục vụ thiết kế:

• Nguyên lý hệ thống điều khiển vị trí vòng kín sử dụng động cơ servo và đĩa mã hóa encoder.
• Thông số kỹ thuật của động cơ AC Servo Mitsubishi HC-KFS13 (công suất 0,1 kW, tốc độ 3000 – 4500 vòng/phút, encoder 17-bit tương ứng 131.072 xung/vòng, mô-men xoắn 0,95 N·m) phối hợp với Driver MR-J2S-10A; sơ đồ chân kết nối của bộ khuếch đại (CN1, CN2) và nguyên lý vận hành thử nghiệm Jog không tải.
• Đặc tính bộ điều khiển servo dòng Mitsubishi MR-C10A cùng các sơ đồ cấp nguồn, đầu nối I/O và quy trình hiển thị trạng thái khi bật tín hiệu Servo-ON.
• Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mạch CNC BOB Mach3 USB 4 trục, hỗ trợ tần số xung 100 kHz, ngõ ra 0–10V và cách ly quang bảo vệ mạch.
• Thông số cơ học của cơ cấu vitme trục X, Y: chiều dài 503 mm, bề rộng 88 mm, chiều cao 65 mm, bước xoay 20 mm/vòng, vận tốc tối đa 700 mm/s, tích hợp động cơ servo 100W độ phân giải 4000 xung/vòng.
• Giới thiệu phần mềm Mach3 (giao diện, bảng điều khiển MDI, thiết lập VBscript/Macro); phần mềm Vectric Aspire 8.5 trong việc chuyển đổi đồ họa sang G-code.
• Khái quát hệ thống mã lệnh EIA-274-D: nhóm mã lệnh chuyển động G0 (chạy nhanh không cắt), G1 (nội suy đường thẳng theo tốc độ F), G2/G3 (nội suy cung tròn cùng/ngược chiều kim đồng hồ với các tham số I, J, K, R), G17/G18/G19 (chọn mặt phẳng gia công); nhóm mã lệnh điều khiển phụ trợ M (M03 bật trục chính/laser, M05 tắt trục chính, M08 bật tưới nguội).
• Thông số các thiết bị phụ trợ: nguồn laser 500 mW, CB CP30-BA 15A, cảm biến tiệm cận GLX-N12FB, bộ lọc nhiễu WYFTH20T1BD 3 pha AC500V, các bộ nguồn tổ ong 24V và 12V.

Chương 3: Thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung vào thiết kế kỹ thuật chi tiết:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 6 khối (nguồn, xử lý trung tâm, công suất, truyền động, điều khiển, cảm biến) và thuyết minh chi tiết chức năng dòng năng lượng/tín hiệu giữa các khối.
• Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển tổng quát cho hệ thống CNC 4 trục từ khâu khởi động, định vị gốc tọa độ (Home), kiểm tra điều kiện an toàn đến thực thi chuỗi lệnh G-code.
• Thiết lập sơ đồ đấu nối dây chi tiết giữa mạch CNC BOB Mach3 USB với các cáp tín hiệu điều khiển CN1 của Driver MR-J2S và Driver MR-C10A; sơ đồ phân phối mạng nguồn AC/DC và sơ đồ mạch cấp nguồn động lực.
• Bản vẽ mô phỏng không gian bố trí các thiết bị cơ khí truyền động và thiết bị điện trên hình chiếu bằng.
• Hướng dẫn tính toán cài đặt các tham số điều khiển bên trong Driver (Parameter) và cấu hình cửa sổ Motor Tuning trên phần mềm Mach3 (thiết lập cổng ngõ ra phát xung cho từng trục X, Y, Z, A, khai báo chân tín hiệu dừng khẩn cấp E-stop, chân cảm biến giới hạn hành trình).
• Quy trình thiết kế mẫu gia công 2D/3D trên phần mềm Vectric Aspire 8.5 và biên dịch thành tập tin G-code hoàn chỉnh.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quá trình thi công thực tế tại xưởng:

• Quy trình lắp ráp cơ khí: Cố định hệ thống thanh trượt và vitme trục X lên bàn nhôm định hình; căn chỉnh và cố định trục Y trượt vuông góc trên trục X; lắp đặt giá đỡ và cố định đầu phát laser (trục Z) di chuyển trên trục Y; lắp đặt cụm trục xoay A cố định trên mặt bàn nhôm.
• Bố trí và thi công hệ thống điện: Khảo sát, ước lượng vị trí các thiết bị trong tủ điện; lắp đặt máng dẫn hướng và ống điện vuông; cố định các thiết bị đóng cắt CB, bộ lọc nguồn, các bộ nguồn tổ ong, driver servo và board Mach3.
• Quy trình đi dây và hoàn thiện: Đấu nối dây động lực cấp nguồn xoay chiều, dây nguồn DC 24V/12V và cáp tín hiệu xung; toàn bộ dây dẫn đều được bấm đầu cos cách điện, đánh số nhãn dây nhận diện và kết nối trung gian qua các thanh cầu đấu Domino nhằm đảm bảo tính mỹ thuật và an toàn kỹ thuật.
• Đo kiểm an toàn: Thực hiện quy trình kiểm tra nguội bằng đồng hồ VOM đo thông mạch toàn bộ hệ thống CB và nguồn DC trước khi chính thức cấp nguồn điện lưới.

Chương 5: Vận hành, kiểm tra và so sánh

Chương 5 trình bày các bước thực nghiệm vận hành hệ thống thực tế:

• Thử nghiệm chạy Jog động cơ độc lập bằng phím bấm trên Driver và chạy Jog điều khiển từ giao diện phần mềm Mach3.
• Kiểm tra trạng thái kết nối phần cứng: Xử lý nút bấm Reset trên màn hình Mach3, xác nhận vùng trạng thái Status không báo lỗi kết nối cổng USB; kiểm tra việc kích hoạt của các tín hiệu ngõ vào cảm biến tiệm cận.
• Thực hiện thiết lập gốc tọa độ máy (Machine Zero) và gốc tọa độ gia công phôi (Work Zero) trên giao diện phần mềm cũng như căn chỉnh vị trí phôi thực tế trên bàn máy.
• Tiến hành thực nghiệm gia công khắc laser: Nạp file G-code mẫu thiết kế chữ có chiều cao danh định 40 mm; mô phỏng đường chạy dao trên màn hình giám sát Mach3; cho máy chạy khắc thực tế trên phôi gỗ phẳng.
• Đánh giá khả năng đáp ứng động học: Khảo sát chất lượng đường khắc ở các dải tốc độ chạy dao (Feed rate) khác nhau.
• Thử nghiệm khắc đa trục với trục xoay A: Thực hiện gia công khắc hoa văn, ký tự lên bề mặt phôi gỗ dạng khối trụ tròn; gia công khắc tuần tự 4 mặt trên thanh gỗ trụ vuông; gia công khắc hoa văn chi tiết kích thước lớn trên mặt phẳng và gia công hoàn thiện mẫu khắc chữ trên thân bút gỗ.
• Đo đạc kích thước thực tế sau gia công và so sánh đối chiếu với kích thước bản vẽ thiết kế để đánh giá độ chính xác của hệ thống.

Chương 6: Kết luận và phương hướng phát triển

Chương 6 tổng kết toàn bộ kết quả đạt được của đồ án tốt nghiệp so với các mục tiêu ban đầu đề ra, đánh giá mức độ ổn định và độ chính xác của mô hình máy CNC 4 trục điều khiển bằng Mach3. Đồng thời, tác giả chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống phần cứng và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm phát triển, nâng cấp máy trong các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả thực nghiệm, đồ án đã chế tạo thành công một mô hình máy CNC khắc laser 4 trục hoàn chỉnh về cả cơ khí, điện động lực, điện điều khiển và phần mềm giao tiếp. Mô hình hoạt động ổn định, các cơ cấu chuyển động mượt mà, hệ thống dừng khẩn cấp và công tắc hành trình phản hồi chính xác khi có sự cố.

Dạng sản phẩm / Thử nghiệm	Yêu cầu thiết kế	Kết quả thực nghiệm thực tế	Nhận xét kỹ thuật
Mẫu chữ trên phôi gỗ phẳng	Chiều cao ký tự danh định 40 mm	Ký tự khắc rõ nét, kích thước đo thực tế đạt 40 mm	Độ chính xác cơ học cao, hệ thống truyền động vitme bước 20mm không bị mất bước
Gia công ở tốc độ cao (Feed rate cao)	Giữ nguyên biên dạng, nét khắc đồng đều	Biên dạng nét khắc liền mạch, không bị lệch góc	Hệ thống servo đáp ứng tốt gia tốc, không xảy ra hiện tượng rung lắc mạnh
Gia công phôi khối trụ tròn (trục A)	Khắc đều xung quanh chu vi khối trụ	Đường nét khắc chuẩn xác, điểm đầu và điểm cuối giáp mí kín	Trục xoay A đồng bộ góc quay tốt với chuyển động tịnh tiến trục X
Gia công 4 mặt thanh gỗ trụ vuông (trục A)	Khắc đối xứng chuẩn xác trên 4 mặt phẳng	Định vị xoay chính xác từng góc 90 độ, bề mặt khắc vuông vức	Phối hợp tốt giữa nội suy tịnh tiến và chia độ xoay phôi
Khắc chi tiết mỹ nghệ trên bút gỗ	Khắc chữ nhỏ, tinh xảo trên thân bút	Nét khắc mảnh, rõ ràng, không bị cháy xém biên dạng	Nguồn laser 500 mW kiểm soát chùm tia tốt trên vật liệu gỗ

Các giải pháp kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:

• Giải pháp tích hợp phần cứng liên thế hệ: Kết hợp thành công dòng Driver và động cơ AC Servo công nghiệp cao cấp (Mitsubishi MR-J2S, MR-C) với mạch điều khiển CNC BOB Mach3 USB giá rẻ. Phương án này vừa tận dụng được độ phân giải cực cao của encoder công nghiệp (lên tới 131.072 xung/vòng) nhằm đảm bảo chuyển động mượt mà, vừa giảm thiểu chi phí phần cứng xuống mức tối đa so với việc mua sắm hệ thống CNC trọn bộ từ các hãng công nghiệp.
• Quy chuẩn hóa quy trình thi công điện: Thiết lập quy trình đi dây an toàn, phân tách dây động lực và dây tín hiệu, sử dụng bộ lọc nhiễu 3 pha WYFTH20T1BD kết hợp biến áp nguồn xung cách ly và cầu đấu Domino có nhãn nhận diện, hạn chế tối đa hiện tượng nhiễu xung điện từ cổng USB và các tiếp điểm relay.

Đóng góp của đề tài:

• Xây dựng một quy trình công nghệ khép kín từ khâu thiết kế mẫu CAD/CAM trên phần mềm Vectric Aspire 8.5, thiết lập cấu hình thông số tham số điều khiển trên Mach3 đến khâu gia công thực tế trên mô hình cơ điện tử 4 trục.
• Cung cấp một tài liệu kỹ thuật chi tiết về sơ đồ kết nối cáp điều khiển, phương pháp vận hành Jog không tải và bảng tính tham số Motor Tuning cho động cơ servo Mitsubishi, tạo nguồn học liệu thực hành trực quan cho sinh viên chuyên ngành Điều khiển và Tự động hóa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Vùng không gian làm việc của bàn phôi còn hạn chế (150 mm × 170 mm), giới hạn hành trình trục vitme tối đa là 300 mm nên chỉ phù hợp để gia công các chi tiết mỹ nghệ kích thước nhỏ.
• Đầu công cụ sử dụng nguồn laser công suất thấp (500 mW), do đó chỉ thực hiện được chức năng khắc bề mặt trên các vật liệu mềm như gỗ, mica, nhựa mỏng; không có khả năng cắt đứt phôi dày hoặc gia công trên các bề mặt vật liệu kim loại cứng.
• Hệ thống chưa được trang bị bộ cảm biến tự động dò gốc bề mặt phôi (Z-probe) và buồng bảo vệ hút khói lọc khí quang học chuyên dụng cho gia công laser.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nghiên cứu thay thế nguồn laser công suất nhỏ bằng cụm trục chính (Spindle) công suất lớn hơn hoặc nâng cấp nguồn laser sợi quang/CO2 công suất cao để thực hiện gia công phay, cắt trên đa dạng chủng loại vật liệu.
• Mở rộng kích thước khung máy cơ khí và chiều dài hành trình các trục vitme nhằm mở rộng phạm vi không gian gia công chi tiết lớn.
• Tối ưu hóa thuật toán bù trừ sai số cơ học, tích hợp thêm các cảm biến giám sát thông minh và thiết kế buồng bảo vệ kín đạt tiêu chuẩn an toàn công nghiệp.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí Chế tạo máy đang thực hiện đồ án tốt nghiệp, đồ án môn học hoặc các dự án nghiên cứu chế tạo máy công cụ điều khiển số.
• Các kỹ thuật viên, kỹ sư trẻ cần tài liệu hướng dẫn thực tế về phương pháp tích hợp hệ thống servo Mitsubishi (dòng MR-J2S và MR-C) với máy vi tính qua các mạch đệm giao tiếp cổng USB.

Các nội dung đặc biệt đáng tham khảo trong tài liệu:

• Sơ đồ đấu nối dây chi tiết giữa mạch CNC BOB Mach3 USB và các đầu nối I/O (chân CN1) của bộ khuếch đại Driver MR-J2S-10A và Driver MR-C10A.
• Bảng tổng hợp chức năng các chân tín hiệu điều khiển chế độ vị trí, chế độ tốc độ và quy trình chạy thử Jog trực tiếp trên driver servo.
• Phương pháp tính toán thông số cài đặt chuyển động (Motor Tuning) trên phần mềm Mach3 tương ứng với bước vitme 20 mm/vòng và cấu hình xung động cơ.
• Quy trình từng bước thiết kế mẫu, chuyển đổi đồ họa sang dạng véc-tơ và xuất file G-code trên phần mềm Vectric Aspire 8.5.

Câu hỏi thường gặp

1. Trục xoay A của hệ thống sử dụng loại động cơ và driver nào, thông số kỹ thuật ra sao? Trục A sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi model HC-KFS13 kết hợp với bộ điều khiển khuếch đại Driver MR-J2S-10A. Động cơ có công suất 0,1 kW, điện áp nguồn cấp 200V, tốc độ định mức từ 3000 đến 4500 vòng/phút, mô-men xoắn định mức 0,95 N·m, được tích hợp bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder) 17-bit với độ phân giải lên tới 131.072 xung/vòng.

2. Bộ truyền động trục X và trục Y sử dụng loại cơ cấu cơ khí nào và các thông số hoạt động chính là gì? Trục X và trục Y đều sử dụng bộ truyền vitme có kích thước thanh 503 mm × 88 mm × 65 mm với bước ren vitme là 20 mm/vòng (một vòng quay của động cơ giúp bàn trượt dịch chuyển được 20 mm). Giới hạn chuyển động của vitme là 300 mm, tốc độ di chuyển tối đa đạt 700 mm/s, được tích hợp sẵn cảm biến giới hạn hành trình và động cơ servo công suất 100W có độ phân giải 4000 xung/vòng.

3. Mạch đệm CNC BOB Mach3 USB có những đặc tính kỹ thuật nào nổi bật để bảo vệ hệ thống? Board mạch CNC BOB Mach3 USB hỗ trợ điều khiển tối đa 4 trục với tần số xung lên đến 100 kHz. Điểm nổi bật là toàn bộ các ngõ tín hiệu vào (IN1 đến IN4) và ngõ tín hiệu ra (OUT1 đến OUT4) đều được cách ly quang qua Opto và IC đệm chuyên dụng. Ngoài ra, board sử dụng nguồn cấp 24VDC riêng biệt để cô lập điện áp giữa cổng USB máy tính và các thiết bị ngoại vi công suất bên ngoài, ngăn chặn hiện tượng sốc điện gây hư hại máy tính.

4. Nhóm tác giả đã thực hiện các biện pháp an toàn điện nào trước khi cấp nguồn chính thức cho hệ thống? Trước khi đóng điện vận hành, nhóm tác giả tiến hành quy trình "kiểm tra nguội" hệ thống bằng đồng hồ đo vạn năng VOM. Quy trình bao gồm: đo thông mạch các cực của aptomat bảo vệ CP30-BA 15A; kiểm tra cách ly ngắn mạch trên các đường cấp nguồn DC 24V và 12V; kiểm tra nối đất an toàn vỏ máy (chân SD); kiểm tra độ chắc chắn của các đầu bấm cos dây dẫn tại các cầu đấu Domino nhằm loại trừ hoàn toàn nguy cơ chập cháy do đấu nhầm cực tính.

5. Hệ thống đã gia công thực nghiệm thành công trên những loại phôi gỗ nào? Hệ thống đã thực hiện gia công khắc laser thành công trên nhiều dạng phôi gỗ: khắc chữ có kích thước danh định 40 mm trên mặt phẳng phôi gỗ phẳng; khắc hoa văn và ký tự liên tục trên phôi dạng khối trụ tròn bằng việc kết hợp chuyển động tịnh tiến với trục xoay A; gia công khắc tuần tự 4 mặt trên thanh gỗ trụ vuông; khắc các nội dung kích thước lớn trên mặt phẳng và gia công hoàn thiện mẫu chữ sắc nét trên thân bút gỗ.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Ứng dụng phần mềm Mach3 xây dựng và điều khiển máy CNC laser 4 trục" của sinh viên Trương Hoàng Vũ và Phạm Đức Dũng đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu và chế tạo được đề ra. Nhóm tác giả đã thiết kế thành công mô hình cơ điện tử 4 trục (X, Y, Z, A), làm chủ việc cấu hình phần mềm Mach3, thiết kế đường chạy dao trên Vectric Aspire và tích hợp đồng bộ hệ thống servo công nghiệp cao cấp Mitsubishi với bộ đệm Mach3 USB. Kết quả gia công thực nghiệm trên các phôi gỗ phẳng và phôi khối trụ chứng minh hệ thống đạt độ chính xác chuyển động cao, vận hành ổn định và an toàn. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển số máy công cụ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, do điều kiện kinh tế, xã hội ngày càng phát triển mạnh, nhu cầu của con người về mọi mặt đều tăng cao đặc biệt là về mặt hình thức của các thiết bị hay vật dụng như thẩm mỹ, tiện lợi, nhiều chức năng nhưng dễ sử dụng… Để đáp ứng nhu cầu đó đòi hỏi những công ty sản xuất, những nhà đầu tư phải quan tâm đến việc phát triển công nghiệ kỹ thuật không ngừng, không những phải đạt được năng xuất cao mà còn phải chính xác và đẹp.1 Mô hình máy khắc lazer CNC công nghiệp Đây là mô hình hệ thống máy CNC được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Nhờ vào những lợi ích mà một máy CNC có thể mang lại như khả năng làm việc ổn định, độ chính xác cao, hiệu suất làm việc lớn, dễ dàng lập trình và điều khiển nên nó được ứng dụng đa dạng trong nhiều ngành nghề khác nhau đặc biệt là trong ngành cơ khí để phay, khắc, cắt, đục… trên các bề mặt gỗ, kim loại, mica, alu. Nhưng để chế tạo một máy CNC, có thể vận hành trong công nghiệp đòi hỏi một lượng kiến thức và hiểu biết rất lớn. Vì vậy, do khả năng và thời gian có hạn nên đề tài của nhóm chỉ mang tính chất giải quyết những yêu cầu cơ bản mà một máy 1.

CNC LÀ GÌ? CNC – viết tắt cho Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu 1 chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G.[1] ❖ Phân loại: Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển: Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC… có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau. Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại: • Các máy điều khiển điểm tới điểm. • Các máy điều khiển đoạn • Các máy điều khiển đường 1. ƯU NHƯỢC ĐIỂM MÁY CNC ❖ Ưu điểm • Tăng năng suất lao động so với lao động tay chân.

• Sản phẩm có độ thẩm mỹ và độ chính xác cao. • Tạo ra sản phẩm có tính phức tạp cao. • Áp dụng vào đa dạng các ngành nghề. • Dễ bảo trì, sửa chữa.

• Giảm chi phí sản xuất. • Dễ dàng giám sát, kiểm tra. • Linh hoạt trong việc lập trình. • Tăng khả năng tự động hóa cho dây chuyền sản xuất.

❖ Nhược điểm • Giá thành chế tạo máy khá cao. • Giá mua máy rất đắc. • Chi phí bảo trì, sửa chữa cao. • Vận hành phức tạp.

• Khó khăn khi thay đổi người vận hành máy. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Hiện nay ngành khuôn mẫu và ngành nhựa của Việt Nam đang phát triển rất mạnh. Những khuôn mẫu đơn giản thì có thể gia công bằng máy tay hoặc máy vạn năng, song để tạo ra các khuôn mẫu, chi tiết máy phức tạp thì bắt buộc phải gia công trên các máy công cụ điều khiển số CNC. [2] Trên thị trường Việt Nam hiện nay có rất nhiều lại máy CNC khác nhau đáp ứng được nhu cầu sản xuất đang phát triển rất mạnh nhưng về chất lượng vẫn không 2 đồng đều, nên việc lựa chọn một sản phẩm máy CNC phù hợp với điều kiện sản xuất cũng như kinh tế của công ty vẫn rất khó khăn.