Thiết kế, chế tạo máy khắc gỗ

GIỚI THIỆU

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Cơ khí, điện tử và tin học tạo cơ hội cho nhóm tìm hiểu sâu về máy CNC hiện đại và ngành khắc gỗ Nhóm đang chế tạo máy khắc gỗ CNC phù hợp với nhu cầu sử dụng, giúp củng cố kiến thức và kỹ năng Máy có khả năng gia công sản phẩm với độ chính xác vừa phải, phục vụ cho sản xuất, giảng dạy và nghiên cứu.

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nắm vững kiến thức về cấu tạo, nguyên lí hoạt động, cách truyền động, lập trình và điều khiển máy phay CNC

Vận dụng kiến thức để thiết kế, tính toán, chế tạo mô hình máy phay CNC

Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu

1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Phần mềm điều khiển Mach3

Phần mềm thiết kế, tính toán, mô phỏng Động cơ và phương pháp truyền động

Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy phay CNC 3 trục đảm bảo các yêu cầu đặt ra như sau:

Không gian làm việc của máy : 300 x 200 x100 (mm)

Sai số cho phép: 0.1(mm)

Thời gian nghiên cứu: 3 tháng.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên kiến thức về máy phay CNC 3 trục, chúng tôi tiến hành phân tích và tìm kiếm giải pháp mới, sau đó chế tạo và thực nghiệm Cuối cùng, chúng tôi tổng hợp và đánh giá tính tối ưu của giải pháp đã đề xuất, xác định liệu nó có tối ưu hay không và trong những trường hợp nào.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Khảo sát thực tiễn: tìm hiểu về máy phay CNC 3 trục

Xây dựng mô hình- thực nghiệm: chế tạo mô hình máy phay CNC, vận hành thử nghiệm

1.6 KẾT CẤU CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đồ án tốt nghiệp bao gồm 6 chương, trong đó:

Chương 2 Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 3 Cơ sở lý thuyết

Chương 4 Đề xuất phương án thiết kế

Chương 5 Thiết kế, tính toán

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC

Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy CNC 3 trục yêu cầu người thực hiện phải có kiến thức vững về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC hiện đại Bên cạnh đó, các máy CNC đã được chế tạo trong nước, đặc biệt là tại các trường đại học, cung cấp nguồn tư liệu tham khảo quý giá để hỗ trợ cho quá trình sáng tạo của nhóm.

Máy CNC tự chế có nhiều hình dáng, kết cấu, kích thước và vật liệu khác nhau Một ví dụ điển hình là máy CNC tự chế Hobby A4, có hành trình 3 trục là 300x195x70 mm, với độ phân giải mỗi trục đạt 0.0035 mm/bước và tốc độ di chuyển tối đa ấn tượng.

1200mm/phút, kích thước bàn máy là 400x300 mm, động cơ được sử dụng cho 3 trục x, y, z là động cơ bước

Hình 2 1 Máy CNC Hobby Hình 2 2 Máy CNC Carving Machine DIY

Máy CNC Carving Machine DIY KIT 7x7 có kích thước 50x50x50 cm, chất liệu làm khung là nhựa PVC Tổng trọng lượng khoảng 10kg Hành trình là 18x18x5 cm

Máy CNC tự chế nói chung gồm 3 dạng sau:

Bàn máy đứng yên và 3 trục chuyển động (hình 2.1)

Bàn máy chuyển động theo 1 phương (hình 2.2, 2.3)

Bàn máy chuyển động theo cả 2 phương X, Y (hình 2.4)

Khung máy CNC được chế tạo từ các vật liệu như gỗ, nhôm hoặc thép, phục vụ cho việc gia công gỗ và khắc chữ Những máy CNC này không yêu cầu độ chính xác cao, do đó quy trình hoạt động của chúng trở nên linh hoạt và dễ dàng hơn.

6 chế tạo, lắp ráp đơn giản và giá thành thấp

Hình 2 3 Máy CNC microcarve A4 Hình 2 4 Máy CNC bằng gỗ

Máy CNC trong hình 2.5 được chế tạo theo hướng dẫn trong cuốn "CNC Robotics" của tác giả Geoff Williams Thiết bị này sử dụng vít me thường và thanh trượt trơn, kết hợp với động cơ bước lưỡng cực và phần mềm điều khiển Kcam.

Hình 2 5 Máy CNC của GeoffWilliám

Hình 2 6 Máy CNC của Patrick-James

Máy CNC được hướng dẫn chế tạo bởi Patrick Hood-Daniel và James Floyd Kelly trong cuốn sách "Build Your Own CNC Machine" có khung bằng gỗ và sử dụng thanh nhôm với vòng bi cho hệ thống trượt Động cơ bước được sử dụng cho các trục, và phần mềm điều khiển là Mach3.

NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM

Hiện nay, nhiều trường đại học và cao đẳng đã tập trung vào việc phát triển mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy, điển hình là mô hình máy phay CNC của trường Đại Học Sư Phạm.

Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh và Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nổi bật với các thiết bị hiện đại như máy tiện CNC, máy phay CNC, và máy cắt plasma Đồng thời, khoan mạch in của Đại Học Bách Khoa Hà Nội cùng mô hình máy khắc chữ của Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng cũng đóng góp vào sự phát triển của ngành kỹ thuật tại Việt Nam.

Hình 2 7 Máy phay CNC Đại Học

Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Hình 2 8 Máy phay CNC Đại Học

Ngoài các máy CNC được thiết kế để giảng dạy trong trường học, nhiều sinh viên và kỹ sư cũng chế tạo máy CNC để gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp và cắt kim loại bằng plasma.

Hình 2 9 Máy CNC Trung tâm giáo dục thường xuyên Quy Nhơn Hình 2 10 Máy CNC gia công gỗ

Hình 2 11 Máy tiện CNC ĐẠI HỌC

Bách Khoa Hà Nội Hình 2 12 Máy cắt xốp

Hình 2 13 Máy phay CNC 3 trục Đai Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh

Hình 2 14 Máy phay CNC 3 trục Đai Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

CẤU TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

 M: chuẩn máy - là chuẩn được thiết lập bởi nhà sản xuất và không thay đổi được

 W: chuẩn chi tiết – dùng làm gốc tọa độ làm việc trong quá trình gia công, chuẩn này có thể thay đổi được

 P: chuẩn thảo chương – là chuẩn lập trình gia công, có thể trùng hoặc không trùng với chuẩn chi tiết và có thể thay đổi được

3.2 CẤU TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

Hình 3 4Sơ đồ máy phay 3 trục Hình 3 5Máy CNC 3 trục Mill55

Hình 3 6 Các bộ phận của máy phay CNC Mill55

Máy phay CNC cũng gồm các bộ phận cơ bản của một máy CNC nói chung như: bộ trục

Máy phay CNC bao gồm các thành phần chính như bàn máy, bộ điều khiển, cơ cấu thay dao, động cơ và các mạch điện tử Mỗi loại máy phay CNC có thiết kế, cấu trúc, kích thước và khả năng công nghệ khác nhau, phù hợp với nhu cầu sản xuất đa dạng.

13 khác nhau do nhà sản xuất quyết định

Trong ngành công nghiệp, có hai loại vitme phổ biến: vitme-đai ốc tiếp xúc mặt (hay vitme-đai ốc thường) và vitme-đai ốc bi Bài viết này sẽ tập trung vào vitme-đai ốc bi, một lựa chọn ưu việt cho nhiều ứng dụng.

Vitme-đai ốc bi bao gồm các thành phần chính như trục vitme, đai ốc, bi và rãnh hồi bi Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng, hoạt động trên các viên bi đỡ, giúp giảm ma sát trượt thành ma sát lăn Nhờ đó, hiệu suất của vitme-đai ốc bi đạt trên 90% Hệ thống hồi bi có thể được thực hiện qua lỗ khoan trong đai ốc hoặc theo kiểu ống.

Hình 3.8Cấu tạo vitme bi và profin ren

Hình 3 9Hồi bi theo lỗ khoan đai ốc Hình 3 10Hồi bi kiểu ống

Vitme-đai ốc bi được thiết kế để khử khe hở và điều chỉnh sức căng ban đầu Có 3 phương pháp được áp dụng:

Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích, hai phần được liên kết qua mối ghép ren và khử khe hở bằng cách đặt tấm đệm giữa chúng Phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh lại khá khó khăn.

 Cố định phần đai ốc trái, điều chỉnh lực lò xo tác dụng lên phần đai ốc phải thông qua các tấm đệm (hình 3.12)

 Khử khe hở bằng vành răng (hình 3.13), khi xoay hai phần đai ốc sẽ quay hai góc khác nhau, nhờ đó khe hở và sức căng được điều chỉnh

Hình 3 11 Khử khe hở bằng tấm đệm Hình 3 12Khử khe hở bằng lò xo

Hình 3 13Khử khe hở bằng vành răng

Trong hệ thống máy móc, thanh trượt đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng chuyển động Trên thị trường hiện nay có nhiều loại thanh trượt khác nhau, nhưng trong các máy CNC, thanh trượt bi là loại phổ biến nhất được sử dụng.

Hình 3.14Thanh trượt bi mang cá

Thanh trượt bi mang cá (hình 3.14) bao gồm các thành phần chính như thanh ray, ổ trượt, bi, rọ chứa bi và rãnh chứa bi Khi lực tác động lên ổ trượt theo chiều thanh dẫn, ổ trượt sẽ chuyển động tương đối với thanh ray nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi Sự hiện diện của các viên bi cùng với lớp mỡ bôi trơn giúp giảm đáng kể lực ma sát, từ đó tạo điều kiện cho chuyển động trượt trở nên dễ dàng hơn.

Hình 3.15 Thanh trượt bi tròn

Thanh trượt bi tròn bao gồm thanh trượt tròn và ổ trượt bi Khi lực tác dụng lên ổ trượt theo chiều thanh dẫn, ổ trượt và thanh trượt sẽ có sự chuyển động tương đối nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi giữa chúng Các viên bi cùng với lớp mỡ bôi trơn giúp giảm đáng kể lực ma sát, từ đó làm cho chuyển động trượt trở nên dễ dàng hơn.

Thanh trượt thường bao gồm hai phần chính là ổ trượt và thanh dẫn, nhưng không có bi trong ổ trượt như ở thanh trượt bi Do đó, ma sát sinh ra trong quá trình chuyển động là ma sát trượt, lớn hơn nhiều so với ma sát lăn của thanh trượt bi.

Động cơ bước là một loại động cơ điện đặc biệt, khác biệt với các động cơ điện thông thường, hoạt động dựa trên nguyên lý đồng bộ Chúng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các chuyển động góc quay, cho phép cố định rôto tại các vị trí cần thiết Động cơ bước có khả năng quay đa dạng, với các loại cơ bản quay 90 độ mỗi bước, trong khi các động cơ nam châm vĩnh cửu cao cấp có thể quay từ 1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước Nhờ vào bộ điều khiển, nhiều loại động cơ nam châm vĩnh cửu và hỗn hợp có thể hoạt động ở chế độ nửa bước, mở rộng khả năng điều khiển và ứng dụng của chúng.

17 phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vi bước

Động cơ bước là sự kết hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ.

Động cơ bước hoạt động theo cơ chế quay từng bước, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng sử dụng bộ chuyển mạch điện tử để gửi tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và tần số nhất định, với tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch Chiều quay và tốc độ của rôto phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi Động cơ bước rất hiệu quả trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, cho phép thực hiện các lệnh dưới dạng số Chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành tự động hóa, đặc biệt trong các thiết bị cần độ chính xác cao như điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong hệ quang học, và các hệ thống quan trắc, cũng như trong các thiết bị gia công cắt gọt và điều khiển lái phương trong máy bay.

Lợi ích của động cơ bước:

Động cơ bước không sử dụng chổi than, giúp tránh hiện tượng đánh lửa gây hao tổn năng lượng và nguy hiểm trong các môi trường đặc biệt như hầm lò Một ưu điểm nổi bật của động cơ này là khả năng duy trì mômen giữ lớn ngay cả khi hoạt động ở tốc độ thấp, nhờ vào tác dụng hãm của từ trường rotor Hơn nữa, động cơ bước cho phép điều khiển vị trí roto một cách chính xác mà không cần phản hồi vị trí, khác với các loại động cơ khác như servo Đặc biệt, tốc độ quay của rotor không bị ảnh hưởng bởi tải, miễn là tải nằm trong giới hạn mômen cho phép, giúp cải thiện chất lượng điều khiển Tuy nhiên, nếu mômen tải vượt quá mức cho phép, hiện tượng trượt sẽ xảy ra, dẫn đến mất kiểm soát góc quay.

.Phân loại, cấu tạo và điều khiển động cơ bước

Động cơ bước được phân loại thành ba loại chính: động cơ bước từ trở biến đổi, động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước kiểu hỗn hợp Động cơ bước từ trở biến đổi có rôto làm bằng thép non với khả năng dẫn từ cao, và các cuộn dây của stato được sắp xếp đối xứng qua rôto với cùng cực tính Nguyên tắc hoạt động của động cơ này là khi cấp điện cho một cuộn dây pha, từ trở trong động cơ sẽ lớn, tạo ra momen từ tác dụng làm quay rôto cho đến khi từ trở đạt giá trị nhỏ nhất, lúc này momen bằng không và động cơ dừng lại Để động cơ hoạt động liên tục, cần cấp điện lần lượt cho các cuộn pha, và đảo chiều chuyển động bằng cách thay đổi thứ tự cấp điện cho các cuộn dây Tuy nhiên, nhược điểm của loại động cơ này là rôto bằng thép non không có từ dư khi mất điện, dẫn đến việc rôto sẽ quay tự do dưới tác dụng của tải.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có rôto là nam châm vĩnh cửu và stato là các cuộn dây pha với hai cuộn dây đối diện nhau khác cực tính, tạo nên sự khác biệt với động cơ bước loại biến từ trở Khi một cuộn dây pha được cấp điện, nó trở thành nam châm điện, và sự tương tác từ giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu của rôto khiến rôto quay đến vị trí mong muốn Để động cơ quay liên tục, cần cấp và ngắt điện luân phiên cho các cuộn dây pha Hình 3.17 mô tả chi tiết cách thức hoạt động của động cơ này.

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu được phân loại thành ba loại chính: động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực và động cơ nhiều pha Động cơ bước đơn cực có sơ đồ đấu dây đặc trưng với một đầu nối trung tâm trên các cuộn dây Trong quá trình hoạt động, các đầu nối trung tâm được kết nối với cực dương của nguồn cấp, trong khi hai đầu còn lại được nối đất để thay đổi từ trường do cuộn dây tạo ra Loại động cơ này thường có 6 dây (hoặc 5 dây nếu gộp 2 dây power 1 và power 2 thành một) và 8 dây.

Hình 3.18Động cơ bước đơn Hình 3 19Loại đơn cực 8 dây

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

LỰA CHỌN KIỂU ĐIỀU KHIỂN

Kết cấu này có nhược điểm là phần di động lớn, dẫn đến mất cân đối giữa phần động và phần tĩnh, gây ra hiện tượng rung lắc trong quá trình chuyển động Để khắc phục vấn đề này, có thể tăng khối lượng bàn máy, đây cũng là giải pháp thường được áp dụng trên các máy CNC tự chế hiện nay.

Sau khi phân tích và so sánh các ưu nhược điểm của các mô hình CNC, mô hình máy CNC loại 3 được xác định là tối ưu nhất Do đó, nhóm thực hiện đồ án đã quyết định chọn mô hình loại 3 để thiết kế và chế tạo.

4.2 LỰA CHỌN KIỂU ĐIỀU KHIỂN Điều khiển máy CNC có thể sử dụng kiểu điều khiển vòng kín với động cơ servo có hồi tiếp được sử dụng nhiều trong các máy CNC hiện đại và đòi hỏi độ chính xác cao

Kiểu điều khiển vòng hở với động cơ bước là lựa chọn hợp lý cho các hệ thống đơn giản, vì không yêu cầu độ chính xác cao và có chi phí thấp hơn so với hệ thống điều khiển vòng kín Trong đề tài chế tạo mô hình máy CNC, việc sử dụng động cơ bước với điều khiển vòng hở giúp tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết Nhóm đã quyết định sử dụng phần mềm Mach3 làm hệ điều khiển cho đồ án.

4.2.1Giới thiệu phần mềm Mach 3

Mach3, phần mềm của ArtSoft, được phát triển ban đầu cho những người đam mê chế tạo máy CNC tại nhà, nhưng đã nhanh chóng trở thành một giải pháp điều khiển linh hoạt và hiệu quả trong ngành công nghiệp.

Chức năng chính của Mach3 là biến máy tính cá nhân (PC) thành bộ điều khiển cho các máy CNC Mach3 có khả năng điều khiển nhiều loại máy CNC khác nhau, bao gồm máy tiện, máy phay, máy khắc và máy laser, thông qua các ứng dụng như Mach3 Mill, Mach3 Turn và Plasma.

Một số chức năng và đặc điểm cơ bản của mach3:

Hỗ trợ khả năng điều khiển lên đến 6 trục

Cho phép import trực tiếp các file dxf, bmp, jpg và hpgl thông qua phần mềm LazyCam

Hiển thị G-code trực quan, giao diện đẹp, dễ dàng tuỳ biến theo ý thích của người sử dụng

Hỗ trợ tạo ra G-code thông qua LazyCam hoặc Wizards

Tùy biến M-code và Macro bằng cách sử dụng VBscript

42 Điều khiển được tốc độ trục chính (Spindle)

Hình 4.4Wizard Điều khiển được nhiều rơle đóng-cắt

Có khả năng tạo ra xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay

Hiển thị màn hình khi máy chạy

Có khả năng dùng được với màn hình cảm ứng

Giao diện phần mềm có khả năng hiển thị ra toàn màn hình bất kỳ đang sử dụng

Mở rộng cổng giao tiếp nối tiếp nhờ tính năng Brains

Với sự hỗ trợ của phần mềm và phần cứng mở rộng như PLC, biến tần, vi điều khiển, điều khiển không dây và điều khiển qua điện thoại, bạn có thể sử dụng cổng USB và các cổng khác mà không bị giới hạn bởi giao tiếp.

Wizards là các chương trình nhỏ được phát triển để mở rộng khả năng của Mach3, giúp người dùng thực hiện nhanh chóng các thao tác thường xuyên mà không cần tạo file G-code trước Một số Wizards miễn phí đi kèm với phần mềm Mach3 bao gồm các chức năng như cắt bánh răng, tạo lỗ, khắc chữ, và tạo bề mặt Ngoài ra, còn có bộ phần mềm Mach3 Addons dành cho phay, nhưng người dùng cần phải trả phí để sử dụng Để sử dụng Wizards, người dùng có thể chọn Wizards/Pick wizards hoặc nhấn nút load Wizards trên giao diện Mach3.

LazyCam là phần mềm miễn phí tích hợp với Mach3, cho phép người dùng nhập khẩu các file tiêu chuẩn như dxf, cmx từ các phần mềm không hỗ trợ tính năng CAM.

Phần mềm Mach3 cho phép người dùng dễ dàng tạo ra G-code từ các file, hỗ trợ tối ưu cho quá trình điều khiển máy CNC Mặc dù Mach3 là phần mềm miễn phí, phiên bản pro với nhiều tính năng nâng cao yêu cầu người dùng phải trả phí để nâng cấp.

Dowload phần mềm, bản quyền và cập nhật: Dowload từ trang web chính của hãng

Artsoft cho phép người dùng sử dụng phần mềm không bản quyền với chương trình G-code dưới 500 dòng lệnh Đối với phần mềm có bản quyền, người dùng sẽ được miễn phí cập nhật trong suốt quá trình phát triển của phần mềm.

Yêu cầu cấu hình máy tính:Cấu hình tối thiểu của máy tính để chạy được phần mềm mach3 một cách ổn định:

Windows 2000 32-bit (64-bit không sử dụng được)

Card màn hình rời 32MB RAM

Sau khi hoàn tất cài đặt, bạn cần khởi động lại máy tính để kiểm tra xem quá trình cài đặt đã hoàn thành hay chưa Để xác định cấu hình máy tính có đáp ứng yêu cầu phần mềm hay không, hãy vào thư mục cài đặt phần mềm (mặc định là C:\Mach3) và chạy file DriverTest.exe Nếu kết quả hiển thị là Good hoặc Excellent, nghĩa là việc cài đặt phần mềm đã thành công.

Hình 4 5 Test phần mềm mach3

4.3 LỰA CHỌN VIT ME-DAI ỐC

Vít me-đai ốc là một thành phần quan trọng trong mô hình máy CNC, giúp chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của tải Trong ứng dụng này, có hai loại vít me-đai ốc phổ biến: vít me-đai ốc bi và vít me-đai ốc thường.

Hình 4 6 vít me-đai ốc thường Hình 4 7 vít me-đai ốc bi

Việc chế tạo vít me-đai ốc bi đòi hỏi kỹ thuật cao và phức tạp hơn so với vít me-đai ốc thông thường Giá thành của vít me-đai ốc bi cũng cao hơn nhiều Nhờ vào cơ chế chuyển động lăn trên các viên bi, ma sát của vít me-đai ốc bi thấp hơn, giúp việc truyền động dễ dàng hơn Do đó, momen cần thiết để quay vít me bi nhỏ hơn so với momen cần cung cấp cho vít me thông thường.

Vít me bi có cấu trúc giảm khe hở và tạo sức căng ban đầu, giúp giảm rung động khi truyền động cho tải Khe hở của vít me bi nhỏ hơn so với vít me thông thường, mang lại hiệu suất truyền động cao hơn (trên 90%) Đặc biệt, vít me-đai ốc bi đảm bảo độ chính xác trong quá trình làm việc lâu dài.

Vít me-đai ốc bi có lực ma sát nhỏ và ổn định, gần như không phụ thuộc vào tốc độ

Hình 4 8 Quan hệ giữa hệ số ma sát và tốc độ (vít me thường và vít me bi)

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

TỔNG KẾT