Thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc CNC 3 trục

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật hiện nay đang diễn ra với tốc độ nhanh chóng, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất, khẳng định vai trò quan trọng của công nghệ tự động trong chiến lược công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế Việt Nam Việc áp dụng công nghệ tự động hóa không chỉ tạo ra khả năng phát triển kinh tế nhanh chóng, bền vững mà còn đảm bảo sự tiến bộ lâu dài Trong khi các nước công nghiệp tiên tiến đã thực hiện tự động hóa từ nhiều thập niên trước, Việt Nam đang chứng kiến sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển tự động, ngày càng trở nên phổ biến và ứng dụng rộng rãi.

Tự động hóa trong ngành cơ khí chế tạo và chế biến gỗ phụ thuộc vào kỹ thuật điều khiển số, đặc biệt là các máy NC và CNC Trong những năm gần đây, các máy này đã được nhập khẩu vào Việt Nam và hiện đang hoạt động tại một số nhà máy, viện nghiên cứu và công ty liên doanh Tuy nhiên, sự đa dạng về chủng loại máy còn hạn chế và giá thành vẫn cao Vì vậy, việc nghiên cứu kiến thức cơ bản về tự động hóa và mở rộng ứng dụng là rất cần thiết để hỗ trợ công cuộc công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, giúp làm chủ công nghệ sản xuất, giảm chi phí và nâng cao tính cạnh tranh.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Việc áp dụng tự động hóa trong sản xuất ngày càng trở nên phổ biến, mang lại năng suất và độ chính xác cao, đồng thời đảm bảo an toàn cho công nhân Sự tích hợp của máy tính và bộ vi xử lý trong điều khiển các máy công cụ như máy phay CNC, máy tiện CNC, máy mài CNC, máy cắt dây CNC và máy điêu khắc gỗ CNC đã mở rộng quy mô sản xuất Xu hướng này thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng tự động hóa trong gia công cơ khí và chế biến gỗ ngày càng phát triển.

SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 2

Quá trình gia công sản phẩm gỗ, đặc biệt là các hình dạng 3D và chữ nổi, đòi hỏi độ chính xác cao Trước đây, việc điêu khắc gỗ chủ yếu được thực hiện bằng tay, nhưng hiện nay, máy móc đã trở thành công cụ chính, mặc dù số lượng máy còn hạn chế và giá thành cao Các doanh nghiệp lớn thường sử dụng máy, trong khi các hộ gia đình vẫn gặp khó khăn do chi phí đầu tư Sự ra đời của máy khắc gỗ CNC mini 3 trục đã mang lại giải pháp tối ưu cho những người đam mê điêu khắc gỗ tại nhà, với giá thành phải chăng, tính linh hoạt và kích thước nhỏ gọn, đáp ứng nhu cầu tự động hóa trong ngành sản xuất gỗ hiện nay.

- Với việc điều khiển số máy khắc gỗ CNC này sẽ có các ý nghĩa sau:

 Linh hoạt trong việc gia công các sản phẩm gỗ

 Tăng năng suất chế tạo sản phẩm

 Trên cơ sở của máy khắc gỗ CNC có thể xây dựng nên một hệ thống sản xuất gỗ hoàn toàn tự động.

Giới hạn của đề tài

Do thời gian hạn chế, nhóm tác giả đã tập trung vào việc khảo sát các loại hình dạng cơ bản và phương pháp gia công tương ứng Nhóm cũng đã nghiên cứu một số máy khắc gỗ CNC hiện có trên thị trường, đồng thời thực hiện thiết kế, tính toán và chế tạo máy khắc gỗ CNC.

3 trục phục vụ cho việc khắc chữ trên gỗ và các bức tranh đơn giản.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Việc ứng dụng tự động hóa vào sản xuất đang gia tăng mạnh mẽ trên toàn cầu, và tại Việt Nam, mặc dù tự động hóa đã được chú trọng trong ngành cơ khí, nhưng lĩnh vực chế biến gỗ, đặc biệt ở các hộ gia đình, vẫn còn hạn chế Do đó, nghiên cứu và chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục nhỏ gọn với chi phí thấp là rất cần thiết cho các hộ sản xuất nhỏ lẻ Mục tiêu là nâng cao năng suất, giảm giá thành sản phẩm, từ đó thúc đẩy sự phát triển của ngành sản xuất gỗ và góp phần vào sự phát triển kinh tế quốc gia.

SVTH: Phạm Thanh Sơn_Nguyễn Văn Hãi_Phạm Anh Vũ 3 nghiên cứu, chế tạo máy khắc gỗ CNC 3 trục làm tiền đề hoàn thiện máy trong tương lai.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài này nghiên cứu và khảo sát các loại máy gia công gỗ để thiết kế mô hình máy khắc gỗ CNC 3 trục Trong quá trình thiết kế, nhóm tác giả đã sử dụng phần mềm Solidworks 2014 để thiết kế phần cơ khí, đồng thời nghiên cứu và phát triển hệ thống điện và hệ thống điều khiển cho máy khắc gỗ CNC 3 trục.

Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo các tài lieu trên internet, sách báo…về các máy khắc gỗ và phương pháp gia công hiện có

- Tham khảo một số máy khắc gỗ hiện có trong nước và trên thế giới

- Sử dụng phần mềm solidworks 2014 thiết kế phần cơ khí

- Sử dụng phần mềm Visual Studio 2008 thiết kế giao diện điều khiển và giám sát

- Sử dụng Arduino Mega2560 điều khiển mô hình

- Sử dụng thư viện mã nguồn mở GRBL cho Arduino2560

- Sử dụng động cơ bước tạo chuyển động cho các trục của máy

- Sử dụng các Driver điều khiển động cơ bước TB6560

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là máy công cụ, điều khiển theo một chương trình định sẵn Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh

2.1.2 Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC

Năm 1949, MIT (Viện công nghệ Massachusetts) đã thiết kế và chế tạo mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) theo yêu cầu của Không lực Hoa Kỳ, nhằm sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác cho máy bay.

- Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hảng Cincinnati

Hydrotel được trưng bày tại MIT

+ Máy NC được sản xuất và sử dụng trong công nghiệp

+ Các bộ điều khiển số đầu tiên dùng đèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, cồng kềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng

+ Chương trình được chứa trong các băng và bìa đục lỗ, khó hiểu và không sửa chữa được

+ Giao tiếp người - máy rất khó khăn vì không có màn hình, bàn phím

+ Các linh kiện bán dẫn được sử dụng phổ biến trong công nghiệp

+ Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lý cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,

+ Các băng đục lỗ sau này được thay bằng băng hoặc đĩa từ,

+ Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể, cho đến khi máy tính được ứng dụng

Vào đầu những năm 1970, máy CNC (Điều khiển số bằng máy tính) đã được ra đời, đánh dấu sự tích hợp của các bộ điều khiển số trên máy công cụ với công nghệ máy tính Máy CNC vượt trội hơn so với máy NC truyền thống ở nhiều khía cạnh, mang lại hiệu suất và độ chính xác cao hơn trong sản xuất.

- Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn,

Máy CNC hiện đại mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, đặc biệt là về tính năng sử dụng, giao diện thân thiện với người dùng và khả năng tương tác hiệu quả với các thiết bị ngoại vi khác Những cải tiến này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn tối ưu hóa quy trình sản xuất.

- Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin với người dùng

Màn hình cung cấp thông tin liên tục về tình trạng máy, cảnh báo lỗi và nguy hiểm tiềm ẩn, đồng thời cho phép mô phỏng để kiểm tra trước khi tiến hành gia công.

- Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị đo, trong hệ thống sản xuất

- Có thể trao đổi thông tin trong mạng máy tính các loại, từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet

Máy công cụ CNC hiện đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, nhờ vào sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ vi xử lý Trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điều khiển bởi bộ vi xử lý, giúp duy trì nhịp độ làm việc ổn định Sự ra đời của máy CNC được xem là một cuộc cách mạng trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy, đóng vai trò quan trọng trong hệ thống sản xuất linh hoạt Nó thúc đẩy quá trình tự động hóa, dần thay thế vai trò của con người trong sản xuất.

2.1.3 Những đặc điểm cơ bản của máy CNC

- Khả năng tự động hoá cao

- Năng suất gia công cao, thời gian phụ (thay dao, chạy không,…) giảm

- Khả năng đạt độ chính xác cao, tính ổn định cao

- Có khả năng tập trung nguyên công cao, khả năng gia công nhiều bề mặt trong cùng một lần gá

Máy CNC mang lại tính linh hoạt vượt trội so với các máy điều khiển tự động truyền thống như cam, cữ hành trình hay trục gài bi Nhờ vào khả năng lập trình linh hoạt, máy CNC không chỉ tiết kiệm thời gian điều chỉnh mà còn đảm bảo độ chính xác cao, ngay cả trong sản xuất hàng loạt nhỏ.

Một trong những ưu điểm nổi bật của máy CNC là khả năng làm việc với hệ thống xử lý thông tin “điện tử – số hóa” Điều này không chỉ cho phép kết nối với hệ thống xử lý số trong quản lý xí nghiệp mà còn hỗ trợ ứng dụng các kỹ thuật quản lý hiện đại thông qua mạng LAN và WAN.

- Máy công cụ CNC tuy có được nhiều ưu điểm so với máy vạn năng nhưng cũng còn có nhược điểm là:

- Không thích hợp với việc gia công những chi tiết đơn giản

- Chi phí cho việc mua sắm trang thiết bị quá cao

- Đòi hỏi người thợ đứng máy phải có một kiến thức tương đối rộng cả về cơ khí, lẫn điện tử khi tiến hành gia công

2.2 Giới thiệu chung về máy phay CNC

2.2.1 Tình hình sử dụng máy CNC ở nước ta

Tính đến hiện tại, số lượng máy CNC tại Việt Nam vẫn còn hạn chế, chủ yếu là máy phay CNC do khả năng thực hiện đa dạng công việc như gia công lỗ, rãnh, mặt phẳng và các hình dạng phức tạp Máy CNC thường được sử dụng cho các nguyên công khó, dẫn đến giá thành gia công tương đối cao, đây là một nhược điểm cần khắc phục để nâng cao hiệu quả sản xuất.

Hiện nay, một số trường đại học kỹ thuật đã trang bị máy CNC cho giảng dạy và học tập, tuy nhiên số lượng còn hạn chế và sinh viên chưa có nhiều cơ hội tiếp xúc Gần đây, phong trào tự chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang thu hút sự quan tâm của nhiều sinh viên và kỹ sư.

2.2.2 Phân loại máy phay CNC

Tùy thuộc vào vị trí tương đối của trục chính so với các bề mặt làm việc máy người ta phân thành hai loại:

- Máy phay CNC có trục đứng: như máy phay đứng, phay Revolve, phay

- khoan, doa tọa độ một phía, hai phía, phay giường

Máy CNC dạng trục ngang có trục chính nằm ngang, với dao cắt được lắp trên cơ cấu chứa dao, có thể là hình mâm cặp hoặc băng tải Cơ cấu tay máy thực hiện việc lấy và đưa dao giữa ổ chứa và trục chính, cho phép máy CNC trục ngang gia công từ nhiều phía.

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

+ Gia công chính xác các loại vật liệu

+ Chạy hoàn toàn tự động (thay dao tự động)

+ Giá thành cao, khó chế tạo

Hình 2.2: Loại máy phay CNC kiểu Router

+ Không có khả năng thay dao tự động

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Điều khiển 2D hai trục cho phép thực hiện các chuyển động đồng thời, giúp dụng cụ di chuyển theo đường thẳng và hình tròn trên cùng một mặt phẳng Chẳng hạn, máy phay CNC 3 trục với điều khiển 2D cho phép phay các biên dạng theo hai trục, trong khi trục thứ ba cần được điều khiển độc lập để tiến dao.

3.1.2 Điều khiển 21/2D Điều khiển 21/2D tạo ra các chuyển động của dụng cụ cắt trong nhiều mặt phẳng, bằng cách nội suy chuyển đổi giữa một trong ba mặt phẳng chính Tất cả 3 trục được điều khiển trong điều khiển 21/2D tuy nhiên trong mỗi mặt phẳng luôn luôn chỉ có hai trục được điều khiển đồng thời Trục thứ ba gọi là trục tiến dao Tuỳ thuộc vào mặt phẳng gia công được chọn mà các trục khác nhau được điều khiển đồng thời Do vậy, các chuyển động có thể có các mặt phẳng sau:

Điều khiển 3D cho phép ba trục được nội suy đồng thời, giúp thực hiện các chuyển động của dụng cụ cắt trong không gian ba chiều Nhờ đó, các biên dạng phức tạp có thể được gia công, chẳng hạn như chế tạo dao cắt và khuôn mẫu trong một lần kẹp Hiện nay, hầu hết các máy công cụ đều được điều khiển bằng công nghệ 3D.

3.2 Cấu trúc tổng thể máy CNC mini

Máy CNC gồm có hai phần chính như sau:

Hình 3.1: Cấu trúc tổng thể máy CNC mini 3.2.1 Phần điều khiển

Phần điều khiển của máy CNC mini gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:

Chương trình điều khiển là phần mềm trên máy tính, có chức năng đọc và thực hiện các biến đổi cần thiết để truyền tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển Nó bao gồm các thành phần như cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy và cơ cấu so sánh.

Cơ cấu điều khiển bao gồm mạch điều khiển và mạch công suất, có chức năng nhận tín hiệu từ máy tính và thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển cơ cấu chấp hành Đồng thời, nó cũng kiểm tra hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến phản hồi như công tắc hành trình Các thành phần chính của cơ cấu điều khiển bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, và cơ cấu đo vận tốc cho các thiết bị xuất nhập tín hiệu.

Phần chấp hành của máy phay CNC mini bao gồm khung máy, bàn máy, động cơ và cơ cấu chạy dao, nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển để tạo ra chuyển động chính xác theo bản vẽ Dao cắt là bộ phận chính thực hiện việc cắt gọt chi tiết, trong khi bộ truyền động thường áp dụng phương pháp khử khe hở bằng vít me đai ốc bi để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất.

3.3 Hệ trục tọa độ trên máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công trên máy CNC phải nằm trong hệ tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải:

Đặt bàn tay phải lên bàn máy với các ngón tay hướng theo chiều như hình vẽ: ngón giữa chỉ trục Z, ngón trỏ chỉ trục Y và ngón cái chỉ trục X.

 Trong hệ tọa độ này có 6 chuyển động: 3 chuyển động tịnh tiến theo 3 trục và 3 chuyển động quay theo 3 trục

 Trục Z: tương ứng với trục chính của máy CNC, có chiều dương là chiều mà theo đó khoảng cách giữa dao và chi tiết tăng dần

Trục X là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy CNC, thể hiện qua chuyển động dọc trục trên máy phay và chuyển động ngang trên máy tiện Tương tự như trục Z, trục X cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tăng khoảng cách giữa dao và chi tiết gia công.

Trục Y là một phần quan trọng trong hệ trục tọa độ của máy CNC, thường được sử dụng để thực hiện chuyển động chạy dao ngang trên máy phay Trong khi đó, máy tiện không có trục Y do đặc điểm của chi tiết tròn xoay Khi làm việc với máy CNC, cần lưu ý rằng chi tiết sẽ đứng yên trong khi dao di chuyển theo các phương của hệ trục tọa độ Để gia công hiệu quả, việc xác định hệ tọa độ của máy là cần thiết, với vị trí của nó được xác định so với các điểm cố định, được gọi là điểm chuẩn.

Trong một máy CNC gồm có các điểm chuẩn sau đây:

 Chuẩn M (Machine Datum Point): là chuẩn máy Máy sẽ đo lường từ vị trí này đến vị trí khác khi làm việc

 Chuẩn R (Reference Point): đây là chuẩn qui định trên máy, thường là vị trí thay dao

 Chuẩn T (Tool offset): chuẩn dao

 W (Work Datum Point): chuẩn chi tiết

 P (Program Datum Point): chuẩn chương trình

3.4 Phương pháp nội suy trên máy CNC

3.4.1 Nội suy đường thẳng (linear interpolation)

 Khái niệm: Dao được di chuyển từ điểm đầu đến điểm cuối hành trình theo mỗi đoạn thẳng

 Thực hiện: Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng

 Các thông số yêu cầu: Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục

Nội suy đường thẳng có khả năng lập trình quỹ đạo công bất kỳ, nhưng yêu cầu lượng dữ liệu lớn Việc sử dụng nội suy cung tròn, parabol và đường xoắn giúp giảm đáng kể khối lượng dữ liệu cần xử lý trong lập trình.

Cơ sở của thuật toán nôi suy:

 Các thông số nội suy:

 Giá trị tọa độ trên 1 đơn vị milimet là axis_per_unit

 Độ dịch chuyển của A,B theo phương X là dx =x’-x, Y là dy =y’-y,

 x x y z d mm d / axis _ per _ unit d mm d / axis _ per _ unit d mm d / axis _ per _ unit y z

; ; x y z x y z x y z s d mm d mm d mm t s f d mm d mm d mm v v v t t t

 Số bước trên 1 đơn vị milimet là step _ per _ mm step

 Tính thời gian đến vị trí yêu cầu theo vận tốc hình thang

Dao di chuyển từ điểm đầu đến điểm cuối theo một cung tròn thông qua một câu lệnh đơn giản, thay thế cho nhiều câu lệnh nội suy đường thẳng.

 Thực hiện: Nội suy đường tròn theo hai trục

 Các thông số yêu cầu: Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

 Khả năng: Nội suy cung tròn hoặc toàn bộ đường tròn

Cơ sở của thuật toán nôi suy:

 Các thông số cần để nội suy đường tròn:

 Vị trí bắt đầu nội suy A(x,y)

 Diểm kết thúc nội suy(x’,y’)

 Tâm đường tròn so với vị trí bắt đầu nội suy so với điểm bắt dầu nội suy C(i,j) so với gốc tọa độ tuyệt đối sẽ là C(x0,y0) ;

 Số đoạn thẳng nội suy đường tròn, với độ phân giải mỗi cạnh là seg_mm:

 Góc của cung tròn ứng với mỗi đoạn thẳng chắn cung seg

 Nhân ma trận quay os -sin sin cos

 với tọa độ diểm C    i j , để xác định tọa độ các điểm cuối của đoạn thẳng nội suy đường tròn thứ nhất nội suy hết cung tròn thì góc quay

=> Khi đó tọa độ điểm cuối của mỗi cạnh cung tròn so với gốc tạo độ là

Hình 3.2: Nội suy đường tròn 3.4.3 Nội suy đường xoắn ốc (Helical Interpolation)

Là phương pháp nội suy kết hợp giữa nội suy cung tròn theo hai trục và nội suy tuyến tính theo trục thứ 3

Hình 3.2: Nội suy xoắn ốc 3.4.4 Nội suy parabol (Parabolic Interpolation)

Sử dụng điểm không thẳng hàng để xấp xỉ đường cong có biên dạng tự do là một phương pháp phổ biến trong thiết kế khuôn mẫu Biên dạng tự do thường được yêu cầu khi các đường cong chính xác không khả thi Kỹ thuật nội suy có thể được áp dụng để tạo ra các đường cong này một cách hiệu quả.

Parabol để tạo các đường công bậc cao So với nội suy đường thẳng, nội suy Parabol giảm khoảng 50 lần số các điểm cần lưu trử

Hình 3.3: Nội suy đường xoắn ốc 3.4.5 Nội suy bậc ba (Cubic)

Phương pháp xấp xỉ biên dạng bằng đường cong bậc 3 là một kỹ thuật quan trọng trong thiết kế, thường được sử dụng để tạo ra các bề mặt phức tạp như khuôn vỏ xe hơi và máy bay.

3.5 Cơ sở lập trình NC

3.5.1 Một số khái niệm cơ bản

Bao gồm chuổi chỉ thị di chuyển dao, chỉ thị đống ngắt và phụ trợ cần thiết để điều khiển máy tự động thực hiện công việc gia công

Thiết lập tiến trình di chuyển dụng cụ và các chỉ thị lập trình cụ thể, đồng thời lưu trữ thông tin này dưới dạng mã lệnh trên thiết bị mang tin, nhằm phục vụ cho quá trình thu thập dữ liệu tự động từ hệ điều khiển.

3.5.1.3 Định dạng của một chương trình NC Định dạng phổ biến nhất là định dạng địa chỉ lệnh ( Word Address Format) Định dạng bao gồm các mã lệnh được truyền đến hệ thống Relay, servo, công tắc để thục hiện các tác vụ gia công Các mã lệnh lien kết nhau tạo thành khối lệnh Bộ điều khiển máy sẻ thực hiện các thao tác điều khiển theo từng khối lệnh một Kết thúc một khối lệnh sẻ có dấu kết thúc

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Mô hình máy điêu khắc CNC 3 trục được xây dựng nhằm thực hiện điều khiển tự động theo phương án điều khiển số, đồng thời mô phỏng chuyển động của máy.

Bảng 4.1: Các thông số thiết kế máy

Số chuyển động của máy

3 động cơ bước, 1 động cơ DC

Phạm vi chạy dao theo phương thẳng đứng

Phạm vi chạy bàn máy theo phương ngang

Kích thước của máy Dài (mm) Rộng (mm) Cao (mm)

Trục Y chuyển động trên bệ máy , trục X chuyển động trên trục Y , trục Z chuyển động trên trục X

Hình 4.1: Mô hình máy điêu khắc CNC

Để trục Y có thể trượt một cách ổn định trên bệ đỡ, đồng thời nâng các trục X và Z, cần thiết kế kết cấu vững chắc với các thanh rằng ngang nhằm ngăn ngừa tình trạng vênh, xộc xệch trong quá trình di chuyển Hai tấm đỡ bên cạnh cũng phải có độ dày đủ để khi cắt vào trục trượt, khớp trượt không bị rơ, đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình trượt.

 Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

Trục Z được trang bị cơ cấu để gắn động cơ, giúp di chuyển dao cắt Nó trượt trên trục X, trong khi bộ phận trượt trục Y chứa các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động cho trục Z.

 Trên bệ đỡ có các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công

Phương án phôi di chuyển trên trục Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục X và Z

Phần cố định của máy bao gồm khung máy, các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền động cho trục X và trục Y, tất cả đều được gắn cố định vào khung máy.

Trục X và trục Y di chuyển trên các thanh trượt cố định gắn vào khung, trong khi trục Z trượt trên trục X Trên trục X, được trang bị các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động cho trục Z.

Trục Z cố định, phôi di chuyển

 Trục Y di chuyển trên bệ máy, trục X di chuyển trên trục Y, trục Z cố định

So sánh ba phương án, nhóm quyết định chọn phương án 2 cho mục đích sử dụng mô hình thí nghiệm và giảng dạy Phương án này cho phép phôi di chuyển trên trục Y, trong khi dụng cụ gia công di chuyển theo trục X và Z, tạo ra tiêu chí thiết kế hiệu quả.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ

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

Hình 5.1: Gá đỡ công tắc hành trình

Hình 5.2: Gá đở thanh trượt trục X

Hình 5.4: Bệ đỡ ổ bi vít me

Hình 5.5: Bệ đỡ ổ lăn trục Y

Hình 5.6: Bệ đỡ ổ lăn trục X

Hình 5.7: Thanh kết nối bàn nhôm và thanh trượt 5.1.2 Lắp ráp từng cụm máy

Hình 5.8: Kết cấu trục Z của máy

Hình 5.9: Kết cấu trục X của máy

Hình 5.11: Kết cấu đầu phay và cụm trục X, Z

Hình 5.12: Kết cấu chân máy và trục Y

Hình 5.13: Kết cấu bàn máy

Hình 5.14: Các chi tiết trong máy

Bảng 5.1: Các thành phần trong máy v1

Bảng 5.2: Các thành phần trong máy v2

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

Hình 5.15: Mô hình tổng thể 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

5.2.1.1 Động cơ bước (stepping motor )

Hình 5.16: Động cơ bước (Step motor)

 Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả vi điều khiển vị trí và vận tốc

Động cơ bước rất phù hợp với các thiết bị điều khiển số, nhờ vào khả năng điều khiển trực tiếp Điều này giúp động cơ bước trở thành một thành phần quan trọng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.

 Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Phạm vi ứng dụng của động cơ bước chủ yếu nằm ở các vùng công suất nhỏ và trung bình Hiện nay, nghiên cứu nâng cao công suất cho động cơ bước đang thu hút nhiều sự chú ý và quan tâm từ các chuyên gia trong ngành.

 Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

5.2.1.2 Động cơ một chiều (DC motor)

 Momen xoắn lớn, giá thành rẻ

 Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp

 Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác

 Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC

 Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao

 Driver phức tạp, giá thành cao

Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ với các thống số:

 Loại động cơ lai đơn cực, hai pha

5.3 Giới thiệu về động cơ bước

5.3.1 Khái niệm Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tính hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển

SVTH: Phạm Thanh Sơn, Nguyễn Văn Hãi, Phạm Anh Vũ đã nghiên cứu 30 động góc quay, cho phép các chuyển động của roto cố định roto tại các vị trí cần thiết.

5.3.2 Cấu tạo Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với các loại động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động của roto vào các vị trí cần thiết

Động cơ bước có cấu tạo kết hợp giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ Đây là một loại động cơ điện hoạt động mà không cần sử dụng chuyển mạch.

Trong động cơ, rôto và stato được cấu tạo từ các nam châm vĩnh cửu hoặc các khối răng bằng vật liệu nhẹ có từ tính trong động cơ biến từ trở Điều này cho phép chúng quay nhanh và dễ dàng khởi động hoặc dừng lại ở bất kỳ vị trí nào nhờ vào bộ điều khiển phù hợp.

Động cơ bước có thể được sử dụng trong hệ thống vòng hở đơn giản, giúp đảm bảo điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh Tuy nhiên, khi tải trọng thay đổi hoặc khi điều khiển ở gia tốc lớn, hệ thống điều khiển vòng kín với động cơ bước một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ sẽ được ưu tiên sử dụng.

5.3.3 Hoạt động Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Một số ưu và nhược điểm của động cơ bước: Ưu điểm:

 Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hổi cho điều khiển vị trí và vận tốc

 Thích hợp với các thiết bị điều khiển số, với khả năng điều khiển số trực tiếp ( động cơ bước trở thành thông dụng trong kĩ thuật robot)

 Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh

 Công suất thấp (việc nâng cao công suất của động cơ bước đang được rất quan tâm hiện nay)

Động cơ bước là một chấp hành hiệu quả trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số nhờ khả năng thực hiện chính xác các lệnh số Chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực Tự động hóa, đặc biệt trong các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như robot, trục máy CNC, hệ thống quang học và cơ cấu lái trong máy bay.

Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ở đĩa cứng, ở đĩa mềm, máy in…

5.3.5 Các đặc tính cơ bản của động cơ bước

 Brushless ( không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than

 Load Independent (độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm moment của động cơ

Moment giữ của động cơ bước (STEP) vượt trội hơn so với động cơ DC không có hộp số, cho phép nó duy trì vị trí của trục quay một cách hiệu quả hơn.

 Excellent Response (Đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay một cách dễ dàng

5.3.6 Một số loại động cơ bước

 Động cơ biến từ trở

Động cơ bước được phân loại theo cấu trúc và cách quấn cuộn dây trên stator, với ba loại chính dựa trên cấu trúc roto.

 Động cơ bước từ trở biến thiên

 Động cơ nam châm vĩnh cửu

Dựa theo cách quấn dây trên stator, động cơ bước được chia làm hai loại:

 Động cơ bước đơn cực

 Động cơ bước lưỡng cực

Các loại này được phân chia thành hai phương pháp cấu tạo Phương pháp thứ nhất (hình 3.3a) sử dụng roto với các răng bình thường, trong khi stato cũng có các răng tương tự để giữ cuộn dây Phương pháp thứ hai (hình 3.3b) có mặt răng của roto và stato với nhiều răng nhỏ hơn, giúp tạo ra các góc bước nhỏ hơn, mang lại ưu điểm cho thiết kế.

5.3.7 Giới thiệu động cơ bước đơn cực Động cơ được dùng trong đề tài này là động cơ bước đơn cực

Động cơ bước đơn cực 2 pha được mô tả qua sơ đồ, trong đó có một đầu mối trung tâm trên các cuộn Khi kết nối các đầu mối trung tâm với đầu dương của nguồn cấp, hai đầu còn lại của mỗi mấu sẽ được nối đất để đảo chiều từ trường do nguồn cung cấp tạo ra.

Mẫu 1 nằm ở cực trên và dưới của stato, còn mẫu 2 nằm ở 2 cực bên phải và bên trái động cơ rotor là 1 nam châm vĩnh cửu với 6 cực, 3 nam và 3 bắc xếp xen kẽ trên vòng tròn Để xử lý góc bước ở mức độ cao hơn, rotor phải có nhiều cực đối xứng hơn Động cơ bước được dùng là động cơ nam châm vĩnh cửu với mỗi bước là 1.8 độ

Có nhiều cách điều khiển động cơ bước: điều khiển 1 bước, điều khiển nửa bước, điều khiển vi bước

THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Hình 6.1: Gia công chữ CTD11

Hình 6.2: Gia công chữ HCMUTE 6.2 Đánh giá, phân tích nguyên nhân và khắc phục lỗi

6.2.1 Đánh giá Để gia công các sản phẩm trên thời gian gia công tương đối nhanh, nhưng sản phẩm sau khi hoàn thành có mắc phải một số lỗi như đường gia công bị thô, bị gãy khúc khi gia công các cung tròn

Những lỗi xảy ra như trên là do một số nguyên nhân như:

 Bộ phận cơ khí bị rung, công vênh khi gia công với chiều sâu cắt lớn

Tốc độ di chuyển quá nhanh của các trục có thể gây ra hiện tượng trượt dao, dẫn đến việc dụng cụ gia công không thể thực hiện được, từ đó làm hỏng đường gia công.

 Phần mềm tạo G-code không tối ưu đối với các cung tròn

Với các nguyên nhân gây ra lỗi được phân tích ở trên có thể đưa ra một số giải pháp khắc phục như sau:

 Gia công lại bộ phận cơ khí, tạo độ cứng vững hơn cho bộ phận gia công

 Giảm tốc độ di chuyển của các trục đến mức phù hợp

 Thay đổi phần mềm tạo G-code hoặc tăng độ phân giải trong quá trình tạo G-code cho phần mềm tạo G-code hiện tại

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận đồ án tốt nghiệp là cơ hội quý giá giúp sinh viên áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn sản xuất, đồng thời hoàn thiện kỹ năng cần thiết cho sự nghiệp tương lai Trong quá trình thực hiện, nhóm đã gặp phải nhiều hạn chế về kiến thức, thiết bị và thời gian, dẫn đến một số sai sót không mong muốn Chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp chân thành từ quý thầy cô và các bạn để cải thiện đề tài của nhóm một cách tốt nhất.

Để theo kịp sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong ngành công nghiệp hiện nay, nhóm thực hiện đề nghị các sinh viên khóa sau tiếp tục phát triển đề tài này Mục tiêu là hoàn thiện và tối ưu hóa sản phẩm, nhằm đưa nó vào sản xuất công nghiệp.

Sau một thời gian nghiên cứu, nhóm thực hiện đã đạt được mục tiêu đề ra, tuy nhiên vẫn còn một số thiếu sót cần khắc phục Để đề tài ngày càng tối ưu và hiện đại hơn, nhóm đề xuất một số hướng phát triển trong tương lai.

 Gia công lại các bộ phận nối các trục tọa độ bằng thép để đảm bảo độ cứng vững và độ phẳng bề mặt

 Gia công bộ phận gá động cơ trục chính nhằm hạn chế sự xê dịch của dụng cụ cắt khi gia công sản phẩm

 Thay thế động cơ bước bằng động cơ AC Servo đảm bảo di chuyển các trục một cách chính xác hơn

 Thiết kế bộ phận làm mát cho máy

 Nâng cấp đề tài thành 4 trục, 5 trục

 Xây dựng bộ điều khiển bằng tay, điều khiển từ xa

 Thiết kế mạch công suất tối ưu cho động cơ trục chính

 Tự thi công một số Driver cho động cơ có thể cung cấp dòng lớn và hoạt động ổn định

 Tự xây dựng cho mình một giao diện điều khiển bằng ngôn ngữ C.

Tiêu đề	Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Máy Khắc CNC 3 Trục
Tác giả	Phạm Thanh Sơn, Nguyễn Văn Hãi, Phạm Anh Vũ
Người hướng dẫn	ThS. Tưởng Phước Thọ
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.Hcm
Chuyên ngành	Sư Phạm Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2016
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	5,56 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Huỳnh Đăng Khuyến, Nguyễn Thanh Tùng, Đồ án tốt nghiệp, Nghiên cứu và phát triển mô hình máy phay CNC 3 trục, Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy, DH Sư Phạm Kỹ Thuật	Khác
[2] PGS.TS Nguyễn Hữu Lộc, Chi tiết máy và cơ sở thiết kế máy, Trường DH SPKT TP. HCM, 2008	Khác
[3] Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy (Tập 1&2). NXB Giáo dục, 1995	Khác
[4] Diệp Huy Cường, Đồ án tốt nghiệp, Xây dựng chương trình điều khiển số bằng C++ BUILDER, Khoa cơ khí tự động, Trường DH kỹ thuật công nghệ Tp. HCM	Khác
[5] TS Nguyễn Văn Nhờ (2003), Điện tử công suất 1. NXB DH Quốc Gia TP. HCM	Khác
[6] Nguyễn Đình Phú, Nguyễn Trường Duy, Kỹ thuật số.NXB Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh.Nguồn khác	Khác