ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

GIỚI THIỆU

Tổng quan

Ngày nay, ngành công nghiệp gia công chính xác đã có những bước tiến vượt bậc nhờ sự phát triển của khoa học công nghệ Sự xuất hiện của nhiều máy CNC hiện đại đã góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

Máy CNC 4 trục và 5 trục, cùng với các trung tâm gia công CNC, có khả năng xử lý các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, từ đó nâng cao năng suất lao động.

Máy CNC đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, giúp tăng cường tự động hóa trong sản xuất và giảm thiểu nhân công Sau khi nhập chương trình gia công, máy CNC có khả năng tự động thực hiện quy trình cho đến khi hoàn thành, tiết kiệm nguồn lực cho các công việc khác Các máy CNC hiện đại không chỉ giảm thiểu sai sót mà còn tính toán thời gian gia công, giúp người lao động không có tay nghề cao dễ dàng vận hành so với máy gia công truyền thống.

MáyVMC 650 CNC Hình 1.2: Máy tiện CNC Proton 660

Hình 1.3: Máy CNC 4 trục RMX 2100 Hình 1.4: Máy CNC 5 trục tốc độ cao

Máy móc ngày càng hiện đại và chi phí vận hành ngày càng cao, dẫn đến nhiều kỹ sư tự nghiên cứu và chế tạo máy CNC nhỏ gọn với chi phí thấp Những máy CNC này vẫn đáp ứng đầy đủ nhu cầu gia công và sản xuất, mang lại hiệu quả kinh tế cho người sử dụng.

Công nghệ gia công CNC đang phát triển mạnh mẽ, yêu cầu tích hợp nhiều chức năng gia công trên cùng một máy để tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất Vì vậy, việc "Thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC" trở thành một nhu cầu cấp thiết trong bối cảnh hiện nay.

1.2 Ý nghĩa khoa hoạc và thực tiễn

Nghiên cứu và sản xuất mô hình trung tâm gia công CNC sẽ kích thích sự sáng tạo và nâng cao khả năng ứng dụng kiến thức của sinh viên, giúp họ đề xuất các giải pháp mới trong thiết kế và chế tạo trung tâm gia công CNC.

Thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC yêu cầu sinh viên nắm vững kiến thức về cơ khí, điện tử và tin học Đây là cơ hội để sinh viên kiểm tra, tìm tòi và tự học, đồng thời nâng cao hiểu biết về công nghệ CNC hiện đại, từ đó sản xuất mô hình trung tâm gia công CNC phù hợp với khả năng và nhu cầu thực tiễn.

Mô hình trung tâm gia công CNC mà nhóm hoàn thành đã giúp nắm vững kiến thức và kỹ năng cơ bản về phay và tiện CNC Sản phẩm hoàn chỉnh này có thể được sử dụng cho mục đích giảng dạy hoặc gia công các chi tiết có độ cứng vừa phải.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu Để hiểu rõ kiến thức về cấu trúc, các nguyên tắc vận hành, điều khiển và lập trình mô hình trung tâm gia công CNC tự chế tạo. Áp dụng kiến thức đã học để thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC. Lập trình, điều khiển để xử lý sản phẩm có độ cứng vừa phải như nhôm, mica,…

Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mô hình trung tâm gia công CNC

Hệ điều hành Mach 3 ( phần mềm điều khiển Mach3)

Phần mềm thiết kế Solidworks

Phần mềm lập trình gia công MasterCam. Động cơ và phương pháp truyền động.

Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình trung tâm gia công CNC. Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây:

Thời gian thực hiện: 3 tháng.

Tốc độ quay trục chính tối đa:

+ Trục mâm cặp tiện S < 1000 (vòng/phút) Tốc độ cắt tối đa:

+ Khi tiện F = 150 (mm/phút) Máy sử dụng hệ thống tưới nguội bằng nước pha với dầu nguội.

Có khả năng tự xét chuẩn chiều dài dao.

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận:

Để thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC, cần nắm vững kiến thức nền tảng và tìm hiểu thêm tài liệu về nguyên lý cùng phương thức hoạt động của nó.

- Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải quyết các hạn chế gặp phải.

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể:

- Tìm hiểu, nghiên cứu kết cấu trung tâm gia công CNC.

- Xây dựng mô hình và thực nghiệm: chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC,vận hành thử, chế biến sản phẩm.

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1 Nghiên cứu của nước ngoài:

Ý tưởng điều khiển máy CNC bằng lệnh nhớ đã ra đời từ thế kỷ XIV Hiện nay, máy công cụ CNC (Computer Numerical Control) đã được cải tiến với tính năng vượt trội, cho phép gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy với số lần gá đặt tối thiểu Đặc biệt, máy CNC có khả năng gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp.

- Đối với máy phay CNC 5 trục, các thiết kế thường rất đa dạng về hình dáng, thiết kế và vật liệu chế tạo, thông thường gồm 3 loại chính:

 Loại Head - Head: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí trên trục chính, thông thường là trục A - C

Hình 1.5 Máy CNC 5 trục loại HEAD HEAD

Loại Head - Table bao gồm 3 trục chính X, Y, Z, cùng với 1 trục xoay được lắp đặt trên trục chính và trục còn lại trên bàn máy Thông thường, trục B được bố trí trên trục chính, trong khi trục A hoặc C được đặt trên bàn máy.

Hình 1.6 Máy CNC 5 trục loại HEAD TABLE

 Loại Table - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí hoàn toàn dưới bàn máy Thông thường là trục A và C.

Hình 1.7 Máy CNC 5 trục loại TABLE TABLE

Máy tiện CNC thường được trang bị hai trục chính là trục Z và trục X Trục Z mang mâm cặp để giữ phôi, trong khi trục X chứa ổ dao với các dụng cụ tiện Các ổ dao có thể được thiết kế nằm bên phải hoặc bên trái mâm cặp, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của máy.

Hình 1.8 Kết cấu và các trục của máy tiện CNC 2 trục 1.6.2 Nghiên cứu ở Việt Nam:

Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí trong nước đang đầu tư vào dây chuyền sản xuất với thiết bị chủ yếu là máy CNC Công nghệ CNC, mặc dù mới được giới thiệu, đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường Việt Nam và dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp, hội thảo và nhà máy trong những năm tới Công nghệ này mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện tại của Việt Nam Vì vậy, việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là cần thiết cho các cơ sở sản xuất và ngành công nghiệp máy xây dựng.

Hiện nay, nhiều trường đại học và cao đẳng tại Việt Nam đang chú trọng sản xuất mô hình máy CNC phục vụ giảng dạy, như máy phay CNC của Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, máy tiện CNC và máy khoan mạch in của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng với mô hình máy khắc của Đại học Bách khoa Đà Nẵng Mặc dù có nhiều cơ sở đã nhập khẩu trung tâm gia công CNC để sản xuất các chi tiết có độ chính xác cao, nhưng giá thành cao và thiếu hụt chuyên gia trong lĩnh vực này khiến việc tự thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC tại Việt Nam chưa được phát triển mạnh mẽ.

Mục tiêu nghiên cứu

Để nắm vững kiến thức về cấu trúc và nguyên tắc vận hành của mô hình trung tâm gia công CNC tự chế, cần áp dụng các kiến thức đã học vào thiết kế và chế tạo mô hình này Việc lập trình và điều khiển sẽ giúp xử lý hiệu quả các sản phẩm có độ cứng vừa phải như nhôm và mica.

Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mô hình trung tâm gia công CNC

Hệ điều hành Mach 3 ( phần mềm điều khiển Mach3)

Phần mềm thiết kế Solidworks

Phần mềm lập trình gia công MasterCam. Động cơ và phương pháp truyền động.

Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình trung tâm gia công CNC. Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây:

Thời gian thực hiện: 3 tháng.

Tốc độ quay trục chính tối đa:

+ Trục mâm cặp tiện S < 1000 (vòng/phút) Tốc độ cắt tối đa:

+ Khi tiện F = 150 (mm/phút) Máy sử dụng hệ thống tưới nguội bằng nước pha với dầu nguội.

Có khả năng tự xét chuẩn chiều dài dao.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận:

Dựa trên kiến thức nền tảng, việc tìm hiểu thêm tài liệu về nguyên lý và phương thức hoạt động của mô hình trung tâm gia công CNC là rất quan trọng để tiến hành thiết kế và chế tạo hiệu quả.

- Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải quyết các hạn chế gặp phải.

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể:

- Tìm hiểu, nghiên cứu kết cấu trung tâm gia công CNC.

- Xây dựng mô hình và thực nghiệm: chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC,vận hành thử, chế biến sản phẩm.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1 Nghiên cứu của nước ngoài:

Ý tưởng điều khiển máy bằng lệnh nhớ đã có từ thế kỷ XIV, nhưng ngày nay, máy công cụ CNC (Computer Numerical Control) đã được cải tiến với tính năng vượt trội Chúng có khả năng gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy với số lần gá đặt tối thiểu, đặc biệt là có thể xử lý các chi tiết với hình dạng phức tạp.

- Đối với máy phay CNC 5 trục, các thiết kế thường rất đa dạng về hình dáng, thiết kế và vật liệu chế tạo, thông thường gồm 3 loại chính:

 Loại Head - Head: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí trên trục chính, thông thường là trục A - C

Hình 1.5 Máy CNC 5 trục loại HEAD HEAD

Loại Head - Table được thiết kế với ba trục chính X, Y, Z, cùng với một trục xoay được lắp đặt trên trục chính và một trục khác trên bàn máy Thông thường, trục B sẽ nằm trên trục chính, trong khi trục A hoặc C sẽ được bố trí trên bàn máy.

Hình 1.6 Máy CNC 5 trục loại HEAD TABLE

 Loại Table - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí hoàn toàn dưới bàn máy Thông thường là trục A và C.

Hình 1.7 Máy CNC 5 trục loại TABLE TABLE

Máy tiện CNC thường bao gồm hai trục chính: trục Z và trục X Trục Z là nơi gắn mâm cặp để giữ phôi, trong khi trục X chứa ổ dao với các loại dao tiện Các ổ dao có thể được thiết kế nằm bên phải hoặc bên trái mâm cặp, tùy thuộc vào mục đích sử dụng của máy.

Hình 1.8 Kết cấu và các trục của máy tiện CNC 2 trục 1.6.2 Nghiên cứu ở Việt Nam:

Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí tại Việt Nam đang đầu tư vào dây chuyền sản xuất với thiết bị chủ yếu là máy CNC Công nghệ CNC, mặc dù mới được giới thiệu, đã nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường và dự kiến sẽ tiếp tục phát triển trong nhiều doanh nghiệp, hội thảo, và nhà máy trong tương lai Công nghệ này mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh sản xuất hiện tại Do đó, việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là cần thiết cho các cơ sở sản xuất và ngành công nghiệp máy xây dựng.

Hiện nay, nhiều trường đại học và cao đẳng tại Việt Nam đã chú trọng sản xuất các mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy, như máy phay CNC của Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, máy tiện CNC và máy cắt plasma của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng với mô hình máy khắc của Đại học Bách khoa Đà Nẵng Mặc dù có nhiều cơ sở đã bắt đầu nhập khẩu trung tâm gia công CNC để chế tạo các chi tiết có độ chính xác cao, nhưng giá thành cao và thiếu hụt chuyên gia vẫn là rào cản lớn, khiến cho việc tự thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC ở Việt Nam chưa được phát triển mạnh mẽ.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Lịch sử phát triển máy CNC

CNC (Điều khiển số bằng máy tính) là thuật ngữ chỉ hoạt động của các máy công cụ như phay, tiện, cắt dây và khắc, được điều khiển bởi máy tính Các loại máy CNC phổ biến bao gồm máy tiện, máy phay, máy cắt dây tia lửa điện, máy khắc laser, và máy cắt tia nước có hạt mài Những thiết bị này thường xuất hiện tại các nhà máy cơ khí chính xác, xưởng cơ khí, trường kỹ thuật và viện nghiên cứu Để hiểu rõ hơn về CNC, cần quay ngược về lịch sử hình thành và phát triển của nó qua các cột mốc quan trọng.

- Năm 1808 Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin).

- Năm 1938 Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MÍT

(Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân.

- Năm 1946 tiến sĩ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ.

- Năm 1954 Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển

NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử.

- Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT.

- Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng.

- Năm 1960, kỹ thật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn điện tử.

- Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool

- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn.

- Năm 1972, hệ điều khiển NC (Numeric control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ.

Năm 1979, khối liên hoàn CAD/CAM-CNC đã được hình thành, đánh dấu sự phát triển của gia công CNC và gia công cơ khí chính xác Ngày nay, ngành gia công CNC trở thành một trong những lĩnh vực chủ đạo trong nền kinh tế sản xuất hiện đại, phản ánh xu hướng chung toàn cầu chứ không chỉ riêng cho một quốc gia nào.

Ngành công nghiệp đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong thời gian qua, nhờ vào sự hỗ trợ không nhỏ từ các máy móc hạ tầng cơ sở tiên tiến Một ví dụ điển hình cho sự phát triển này chính là trung tâm gia công CNC, đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất.

Trung tâm gia công CNC

2.2.1 Khái niệm về trung tâm gia công CNC

Trung tâm gia công CNC là một loại máy được sử dụng phổ biến hơn cả Nó là tổ hợp của hàng loạt các tính năng cần thiết như:

Thay vì sử dụng nhiều loại máy riêng lẻ cho từng chức năng, trung tâm gia công CNC cho phép tích hợp các khâu kỹ thuật quan trọng trên cùng một thiết bị, mang lại hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong quá trình sản xuất.

2.2.2 Cấu tạo chung của máy CNC

Máy CNC thông thường gồm 2 phần chính là phần điều khiển và phần chấp hành.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của máy CNC

Chương trình điều khiển là tập hợp tín hiệu dùng để điều khiển máy tính, được mã hóa dưới dạng chữ, số và các ký hiệu như cộng, trừ, và dấu chấm Chương trình này được viết theo cấu trúc mã chương trình, chẳng hạn như mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính.

Cơ chế điều khiển nhận tín hiệu từ mạch điều khiển và thực hiện các phép biến đổi cần thiết để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của hệ thống truyền tải Hiệu năng của hệ thống được kiểm tra thông qua các tín hiệu từ bộ cảm biến tiếp xúc ngược Các thành phần chính bao gồm đầu đọc, bộ giải mã, đầu dò, bộ xử lý tín hiệu, nội suy, so sánh, bộ khuếch đại, điều khiển hành trình, đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị đầu vào tín hiệu.

Mô hình trung tâm gia công CNC của nhóm thiết kế bao gồm các thành phần quan trọng như bàn máy, thân máy, trục vít me, ổ bi, bàn xoay AC, các trục chính, turret tiện và spindle.

 Phần thân và đế của máy:

Thông hường, được chế tạo từ gang, có độ nén cao gấp 10 lần thép, đảm bảo độ cứng vững cần thiết cho máy Bên trong thân máy, hệ thống điều khiển, động cơ trục chính và nhiều hệ thống khác được tích hợp, cùng với thiết bị chống rung để nâng cao hiệu suất hoạt động.

Mục đích: Đảm bảo tính chính xác khi gia công Hỗ trợ trong việc ổn định và cân bằng máy.

Bàn làm việc là nơi gá đặt các chi tiết gia công hoặc đồ gá

Hầu hết các bàn máy của loại máy CNC 4 trục và 5 trục có khả năng xoay được.

Nó làm tăng tính vạn năng của máy CNC

Phải có độ ổn định, độ cứng vững và độ cân bằng để gá đặt các chi tiết một cách chính xác nhất.

Là nơi để lắp đặt các loại dao phay, chuyển động xoay tròn của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi.

Các dạng điều khiển trục chính: thông qua đại, bánh răng hoặc điều khiển trực tiếp.

Trong các hệ thống máy móc, thanh trượt đóng vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn chuyển động Trong số nhiều loại thanh trượt khác nhau, thanh trượt bi được ưa chuộng nhất trong các máy CNC.

Hình 2.2 Thanh trượt và con trượt bi

Có hai loại vít me phổ biến: vít me tiếp xúc mặt (hay còn gọi là vít me thường) và vít me dạng bi Trong các máy CNC, vít me dạng bi thường được sử dụng để giảm thiểu ma sát trong quá trình chuyển động.

Hình 2.3 Vít me – đai ốc bi

Vitme dạng 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 Nhờ vào cơ chế này, ma sát lăn trên vitme đai ốc bi được tối ưu hóa, mang lại hiệu suất vượt trội trên 90%.

2.2.3 Phân loại trung tâm gia công CNC

Trung tâm gia công CNC được phân chia làm 3 loại:

Trung tâm gia công CNC đứng (VMC) có trục chính được đặt theo chiều thẳng đứng so với bàn làm việc, rất phù hợp cho các công việc gia công cần di chuyển dao từ trên xuống.

Ví dụ, gia công hốc và mặt khuôn, các chi tiết có kích thước lớn.

Hình 2.4 Trung tâm gia công đứng CNC Mazak VCN 530C-SG

+ Trung tâm gia công CNC ngang (HMC): Được sử dụng cho các chi tiết có hình khối nơi có thể đi dao vào mọi mặt của khối.

Hình 2.5 Trung tâm gia công ngang Mazak Orbitec 20

Trung tâm gia công CNC đa năng (UMC) sở hữu đầu làm việc có khả năng xoay trục chính ở bất kỳ góc độ nào, cho phép thực hiện gia công cả theo phương ngang và đứng Điều này đặc biệt hữu ích trong việc chế tạo các hình dạng phức tạp như cánh tuabin và các bề mặt cong, mang lại tính linh hoạt và độ chính xác cao trong quá trình sản xuất.

Hình 2.6 Trung tâm gia công đa năng PUMA MX 2600/3100

Hệ tọa độ của máy công cụ CNC

Các trục tọa độ X, Y, Z của máy CNC giúp xác định chiều dài chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt, đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công chính xác.

Hệ trục tọa độ của máy CNC được xác định theo quy tắc bàn tay phải, trong đó ngón cái chỉ chiều dương của trục X, ngón giữa chỉ chiều dương của trục Y, và ngón áp út chỉ chiều dương của trục Z.

Z được kí hiệu bằng các chữ A, B, C Chiều quay dương là chiều quay theo chiều của kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương của các trục X, Y, Z.

Nhìn chung ở các máy trục Z luôn song song với trục chính của máy.

Máy tiện có trục Z song song với trục chính, với chiều dương chạy từ mâm cặp đến dụng cụ, tức là di chuyển ra xa khỏi chi tiết gia công được kẹp trên mâm cặp Nói cách khác, chiều dương của trục Z hướng từ trái sang phải.

Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cần: trục Z song song với các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính.

Máy bào, máy xung điện: trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dương từ bàn máy lên phía trên.

Máy phay có nhiều trục chính, trong đó trục Z được xác định là trục song song với đường tâm của trục chính, vuông góc với bàn máy Để dễ dàng hơn, ta chọn trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy làm trục Z, với chiều dương của trục Z hướng từ bàn máy tới trục chính.

Hình 2.8 Quy tắc bàn tay phải 2.3.2 Trục X

Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thường nó được xác định theo phương nằm ngang Chiều của trục X được xác định theo quy tắc bàn tay phải (ngón cái chỉ chiều dương trục X).

Máy phay đứng, máy khoan đứng: nếu đứng ngoài nhìn vào trục chính thì chiều dương của trục X hướng về bên phải.

Máy khoan cần: nếu đứng ở vị trí điều khiển máy ta có chiều dương của trục X hướng vào trụ máy.

Máy phay ngang có trục chính mà khi nhìn thẳng từ bên ngoài, chiều dương của trục X sẽ hướng về bên trái.

Máy tiện có trục X vuông góc với trục máy, với chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao, tức là về phía dụng cụ cắt Nếu bàn kẹp dao đặt ở phía trước trục chính, chiều dương của trục X sẽ hướng vào người thợ Ngược lại, nếu bàn kẹp dao ở phía sau trục chính, chiều dương sẽ hướng ra khỏi người thợ.

Máy bào: trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều dương hướng từ bàn máy tới thân máy.

Trục Y được xác định sau khi các trục Z, X đã được xác định theo quy tắc bàn tay phải Ngón tay trỏ chỉ chiều dương trục Y.

Trên các máy CNC, ngoài các trục chính X, Y, Z, còn có các trục phụ song song với chúng, được ký hiệu là U, V, W (U//X, V//Y, W//Z) Nếu có thêm các trục khác song song với các tọa độ chính, chúng sẽ được ký hiệu là P, Q, R (P//X, Q//Y, R//Z) Các trục này giúp mở rộng khả năng gia công và tăng cường độ chính xác trong quá trình sản xuất.

U, V, W được gọi là các trục thứ hai, còn các trục P, Q, R được gọi là các trục thứ ba(hình 2.9).

Hình 2.9 Hệ tọa độ của máy CNC khi chi tiết chuyển động thay cho dụng cụ cắt

Khi bàn máy và chi tiết gia công di chuyển thay vì dụng cụ cắt, các chuyển động này được ký hiệu là X’, Y’, Z’ cho chuyển động tịnh tiến và A’, B’, C’ cho chuyển động quay Các hướng chuyển động này ngược lại với hướng chuyển động của dụng cụ cắt.

Các điểm chuẩn

Các điểm chuẩn cần được xác định trong vùng làm việc của máy.

4.1 Điểm chuẩn của máy M (điểm gốc O của máy) Điểm gốc O của máy (điểm chuẩn M của máy) là điểm góc của hệ tọa độ máy Điểm

Điểm M được xác định bởi nhà chế tạo dựa trên cấu trúc của từng loại máy, là giới hạn của vùng làm việc máy Trong vùng làm việc này, các cơ cấu máy có thể di chuyển theo chiều dương của các tọa độ Đối với máy phay, điểm M thường nằm ở vị trí giới hạn di chuyển của bàn máy Hình 2.10 thể hiện điểm chuẩn M (điểm O) của máy khoan cần và máy phay đứng.

Hình 2.10 Điểm M của máy khoan cần (a) và của máy phay đứng (b)

2.4.1 Điểm O của chi tiết (điểm W) Điểm W của chi tiết là gốc tọa độ của chi tiết Vị trí điểm W phụ thuộc vào sự lựa chọn của người lập trình. Đối với các chi tiết tiện thì điểm W của chi tiết nằm trên đường tâm của chi tiết hoặc ở mặt đầu bên trái hoặc mặt đầu bên phải Hình 2.11c cho thấy điểm W nằm ở mặt đầu bên trái của chi tiết. Đối với các chi tiết phay chọn điểm W tại điểm góc ngoài đường viền chi tiết (hình 2.12a).

Khi gia công các bề mặt chi tiết có thể chọn nhiều tọa độ khác nhau với các điểm gốc

W1 và các hệ tọa độ phụ W2, W3, W3, W4 và W5 (hình 2.12b).

Hình 2.11 Hệ tọa độ và các điểm chuẩn

Hình 2.12 Một điểm W (a) và nhiều điểm W (b) 2.4.2 Điểm chuẩn của dao (P)

Các loại dao tiện và dao khoan có điểm chuẩn là đỉnh dao, trong khi dao khoét, dao doa và dao phay sử dụng tâm mặt đầu dao làm điểm chuẩn Điểm P, được xác định trên dao, rất quan trọng trong việc tính toán quỹ đạo chuyển động của dao.

Điểm chuẩn của dao, cụ thể là điểm T, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định hệ trục tọa độ của dao Điểm T phụ thuộc vào cách gá dao trên máy, và thường thì điểm T sẽ trùng với điểm gá dao N khi thực hiện quá trình này.

Hình 2.14 Điểm của giá dao T và điểm gá dao N 2.4.4 Điểm điều chỉnh dao E

Khi gia công ta phải sử dụng nhiều dao, như vậy các kích thước của chúng phải được xác định bằng cơ cấu điều chỉnh dao.

Mục đích của việc điều chỉnh dao là để có thông tin chính xác cho hệ thống điều khiển về kích thước dao (hình 2.15).

Hình 2.15 Điểm điều chỉnh dao E Khi dao được lắp vào giá dao thì điểm E và điểm N trùng nhau.

2.4.5 Điểm gá đặt (hay điểm tỳ) A Điểm A là điểm tỳ của bề mặt chi tiết lên đồ định vị của đồ gá Điểm A có thể trùng với điểm W của chi tiết (hình 2.16) hoặc có thể lựa chọn tùy ý trên mặt định vị của chi tiết gia công.

Điểm O của chương trình, hay còn gọi là điểm P của dụng cụ cắt, là vị trí quan trọng trước khi gia công, nơi dụng cụ cắt được đặt Việc xác định chính xác điểm O là cần thiết để đảm bảo quá trình thay dao không bị ảnh hưởng bởi chi tiết hoặc đồ gá, nhằm nâng cao hiệu quả gia công.

Khi nghiên cứu các hệ trục tọa độ người ta còn dùng các điểm chuẩn khác như điểm

F, điểm K để xác định các kích thước liên quan.

Khái quát về hệ thống thay dao tự động

Hệ thống thay dao tự động trong máy phay CNC là công nghệ quan trọng giúp thay đổi công cụ cắt trong quá trình gia công Đặc biệt, đối với những chi tiết phức tạp, hệ thống này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian gia công hiệu quả.

Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có rất nhiều hệ thống thay dao tự động với thiết kế đa dạng và phong phú Tuy nhiên, tất cả các hệ thống này đều hoạt động dựa trên nguyên lý giống nhau.

2.5.2 Các bộ phận chính Để hệ thống thay dao tự động có thể hoạt động thì cần có các bộ phận thiết yếu:

- Dụng cụ kẹp dao (BT, collect, ).

Tùy vào kết cấu sẽ có thêm nhiều chi tiết phụ trợ đi kèm

Hình 2.17 Cấu tạo Spindle ATC

Hình 2.18 Ổ chứa dao và cán kẹp dao 2.5.3 Nguyên lý hoạt động

Khi chương trình gia công đến lệnh thay dao, bộ điều khiển dừng các chuyển động của dao và động cơ trục chính Động cơ trục chính quay dao về vị trí thay dụng cụ đã xác định, sau đó dừng lại Bộ điều khiển điều chỉnh trục Z để đưa ụ trục chính xuống vị trí thay dao, đồng thời đài dao quay để tay kẹp dụng cụ đến vị trí thay dao Khi hai tay kẹp mở ra, chúng giữ chặt dao lò xo nén, và bộ điều khiển ra lệnh cho thanh kéo trong ụ trục chính đi xuống để nhả kẹp Đầu trục chính sau đó đi lên để trả dao về vị trí đã nhớ trong bộ điều khiển Cuối cùng, bộ điều khiển ra lệnh cho động cơ đài dao quay để kẹp chặt dao mới, hoàn tất quá trình thay thế dao tự động.

Tùy thuộc vào loại ứng dụng, các cụm thay dao có khả năng lấy và đặt nhiều dao khác nhau vào vị trí làm việc theo chương trình NC Trong lĩnh vực gia công, có nhiều loại ổ dao khác nhau, trong đó phổ biến nhất là đài dao trên máy tiện và mâm dao trên máy phay.

 Ổ dao dạng trống trên máy phay

Hình 2.20 Mâm dao và đài dao

Mâm dao CNC bao gồm nhiều loại ổ dao như ổ dao chuỗi, ổ dao vòng, ổ dao dạng nấm và ổ dao phẳng, với kích thước và kiểu dáng đa dạng Số lượng đài dao trên máy CNC có thể dao động từ 8 đến nhiều hơn, tùy thuộc vào loại máy và nhu cầu sử dụng.

Trong các trung tâm gia công lớn, có thể sử dụng đồng thời 16 vị trí dao và tối đa 3 đài dao Khi số lượng dao vượt quá 48, các mâm dao thuộc các loại khác nhau được áp dụng, cho phép sử dụng tới 100 dao hoặc thậm chí nhiều hơn.

Hình 2.21 Mâm dao dạng xích

 Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mòn.

 Chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên; hoạt động rất ổn định.

 Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược của dao trơn tru.

 Kết cấu mâm dao cứng vững Giúp thay dao tốc độ cao và các dao nặng.

Chuyển động khay dao sử dụng thiết kế cam thùng; chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác.

 Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, bảo vệ trục chính và khay dao khi thay dao không phù hợp.

Mâm dao có thể được lắp đặt theo kiểu cố định hoặc di động, với khả năng điều khiển bằng động cơ chính xác Thiết bị này cho phép thay dao một cách chính xác, đồng thời đảm bảo chuyển động diễn ra trơn tru, yên tĩnh và chính xác.

 Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện.

 Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, cũng bảo vệ trục chính và khay dao trong quá trình thay dao không phù hợp.

 Xích dẫn hướng kèm ray hỗ trợ cho cả hai bên, chuyển động trơn tru và định vị chính xác.

 Thiết kế kẹp dao đặc biệt cho phép mâm dao được sử dụng trong các thay dao ngang.

Giá đỡ dao có khả năng tương thích với các hệ thống lựa chọn dao khí nén, hệ thống quay thủy lực, cũng như nhiều cụm thay dao khác có sẵn trên thị trường.

2.5.5 Một số kiểu thay giao hiện nay

Trên các máy CNC hiện đại ứng dụng rất nhiều kiểu thay dao khác nhau như thay dao bằng tay gắp, thay dao bằng cơ cấu thẳng,

Hình 2.22 Thay dao bằng tay gắp

Hình 2.23 Cơ cấu tay gắp thay dao

Cơ cấu thay dao dạng đĩa xoay mang lại ưu điểm thay dao nhanh chóng và chính xác, có khả năng kết hợp với đài dao dạng đĩa và dạng xích, giúp tăng cường khả năng chứa dao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là cấu trúc phức tạp, khó chế tạo và điều khiển.

Hình 2.24 Cơ cấu đĩa xoay

Cơ cầu thay dao dạng đĩa, thường gặp trong các máy robodrill, kết hợp giữa cam và spindle servo, cho phép thay dao nhanh chóng và chính xác mà không cần sử dụng hệ thống khí nén hay thủy lực Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là khó chế tạo và điều khiển.

Cơ cấu thay dao thẳng sử dụng đầu trục chính di chuyển đến vị trí chứa dao để thực hiện việc thay dao Ưu điểm của cơ cấu này là tính đơn giản, dễ chế tạo và dễ điều khiển Tuy nhiên, nhược điểm của nó là số lượng dao chứa hạn chế và tốc độ thay dao chậm.

Hình 2.25 Cơ cấu thay dao thẳng

Hình 2.26 Cơ cấu thay dao thẳng đối với Spindle có thể xoay ngoang

THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Thiết kế các chi tiết

3.1.1 Thiết kế truyền động trục X.

Trục X của máy được thiết kế, lắp đặt nằm riêng độc lập, trục X chịu trách nhiệm mang theo mâm cặp, hệ thống truyền động trục A cùng bệ thay dao cho hệ thống thay hành trình dịch chuyển lớn Nên lựa chọn sử dụng hệ thống truyền động tích hợp đem lại sự ổn định, cứng vững tốt chống rung động đảm bảo an toàn cho hệ thống cũng như độ chính xác khi gia công.

Hình 3.1 Thiết kế cụm trục X

Quá trình thiết kế tập trung vào việc sử dụng máy đơn giản nhất, vì vậy việc chọn hệ thống truyền động tích hợp giúp đơn giản hóa lắp ráp, dễ dàng sửa chữa và thuận tiện trong thao tác.

X bằng cách kéo đai sử dụng Puly và đai răng có tỷ truyền 1:2.

3.1.2 Thiết kế truyền động trục Y 1 , Y 2 và C

Hệ thống trục Y trong mô hình gia công tích hợp chu trình tiện và phay bao gồm hai trục: Y1 và Y2 Trục Y1 đảm nhận việc mang trục Z của hệ thống phay, trong khi trục Y2 hỗ trợ cho hệ thống turret dao tiện Thiết kế của hệ thống truyền động cho trục Y1 được thực hiện một cách tỉ mỉ để đảm bảo hiệu quả trong quá trình gia công.

Trục Y là bộ phận nằm phía dưới trục Z, chịu trách nhiệm truyền động di chuyển trục

Trục Z chịu toàn bộ lực tác dụng và là trục có tải trọng lớn nhất trong hệ thống Nó được thiết kế với cơ cấu dẫn hướng đơn giản bằng ray trượt và truyền động thông qua vít me đai ốc bi Để nâng cao khoảng hành trình của trục Z, phía trên các con trượt được trang bị thêm 2 gối đỡ và một tấm đế cố định Tấm đế và 2 gối đỡ được gia công với lỗ bắt ốc chìm, giúp việc lắp đặt trục Z trở nên thuận tiện hơn.

Hình 3.3 Thiết kế truyền động trục Y

Thiết kế truyền động trục Y 2 :

Trục Y2 đỡ cụm turret và chịu trách nhiệm truyền động cho cụm turret dao tiện phía trên.

Cụm turret tiện chịu lực lớn nên cần lắp ray trượt trực tiếp lên mặt phẳng để tối ưu khả năng chịu lực Để đảm bảo turret tiện ngang tâm với tâm của mâm cặp, cần đôn cao tấm đỡ bằng 2 tấm nhôm 16 có gia công lỗ ốc để cố định Việc lắp vít me theo kiểu Fixed-Free giúp đơn giản hóa quá trình lắp đặt.

Hình 3.5 Thiết kế truyền động trục Y2

Thiết kế truyền động trục C cho turret tiện nhằm giữ cứng trục trong quá trình sử dụng khớp nối răng Khi thay dao, nhóm sử dụng một xilanh để đẩy trục turret và ba lò xo hồi để đưa trục trở về vị trí ban đầu, đồng thời ép cứng phần ăn khớp của khớp nối Trục turret được truyền động bằng cặp puly với tỷ số truyền 1:2.

Hình 3.6 Thiết kế truyền động trục C

3.1.3 Thiết kế truyền động trục Z

Trục Z đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động cho cụm trục B, bao gồm hợp số giảm tốc và spindle theo phương thẳng đứng Do động cơ trục chính phải chịu lực lớn trong quá trình gia công, trục Z được chế tạo từ nhôm hợp kim để đảm bảo độ cứng vững cao và không bị biến dạng dưới tải trọng nặng Bên trong trục Z có khoảng rỗng để lắp đặt vít me và các bộ phận truyền động, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Hình 3.7 Cơ cấu Z hoàn chỉnh

Để đảm bảo vít me trục Z có thể chịu tải trọng lớn, việc lắp đặt các gối đỡ cần được thực hiện một cách chắc chắn Sử dụng kiểu lắp Fixed-Support sẽ gia tăng độ ổn định cho vít me trong quá trình quay.

Hình 3.8 Cơ cấu truyền động trục Z

3.1.4 Thiết kế truyền động trục A

Trục A có vai trò quan trọng trong việc xoay phôi gia công theo các gốc xoay xác định và thực hiện chu trình tiện Khi trục măm cặp xoay, nó phải chịu lực cắt hướng tâm lớn, do đó, để đảm bảo độ ổn định và an toàn trong quá trình gia công, cần sử dụng 3 ổ bi: 2 ổ lắp ở đầu gần măm cặp để chịu lực chính và 1 ổ lắp ở đuôi trục măm cặp nhằm triệt tiêu độ đảo của trục.

Hình 3.9 Cơ cấu truyền động trục A

Do không gian chứa trục A tương đối hẹp nên thiết kế lắp động cơ kéo nằm bên ngoài vỏ, sử dụng puly truyền động tỉ số truyền 1:2

3.1.5 Thiết kế truyền động trục B

Trục B có vai trò quan trọng trong việc đỡ và xoay trục chính, giúp gia công các bề mặt khó Do phải chịu lực cắt lớn trong quá trình gia công, trục B cần có độ cứng vững cao để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác.

Trong thiết kế truyền động trục B của động cơ bước, do không gian bên trong trục Z hạn chế, nên lựa chọn sử dụng hộp số Harmonic thay vì hộp số bánh răng hành tinh như thông thường Hộp số Harmonic không chỉ tiết kiệm không gian mà còn cung cấp tỷ số truyền cao hơn nhiều, giúp tối đa hóa momen giữ.

Hình 3.11 Truyền động thông qua hộp số Harmonic

Hình 3.12 Thiết kế tổng thể của máy.

Thiết kế tổng thể của máy bao gồm hai phần đế của trục Y1 và Y2, được kết nối với thân trục X nằm đối diện nhau Trục A cùng phần mâm cặp được lắp đặt trên con trượt của trục X, trong khi thân trục Z được cố định trên phần đế truyền động trục Y Động cơ trục chính được lắp vào cụm trục B thông qua hộp số, và hộp số này được gắn cố định vào tấm đế truyền động.

Lựa chọn phương án truyền động

Cấu trúc máy cần đạt độ cứng vững tối ưu để đảm bảo an toàn trong quá trình gia công các kim loại mềm như đồng và nhôm Bên cạnh đó, các chi tiết truyền động cơ khí phải có độ chính xác cao, với dung sai gia công chỉ ± 0.01mm.

Có 2 loại vít me thông dụng: Vít me đai ốc dạng thường và vít me đai ốc bi.

- Vit me đai ốc dạng thường:

Hình 3.13 Vit me đai ốc.

Vít me đai ốc nổi bật với độ chính xác cao trong truyền động, tỷ số truyền lớn và khả năng tự hãm, mang lại lực truyền lớn và hoạt động tương đối êm ái Tuy nhiên, do ma sát lớn và hiệu năng truyền động thấp, sản phẩm này ít được áp dụng rộng rãi trong thực tế.

- Vít me đai ốc bi:

Vít me đai ốc bi có cấu tạo tương tự như vít me đai ốc thông thường, nhưng sử dụng đai ốc dẫn hướng bằng viên bi tròn giúp giảm thiểu ma sát, nâng cao hiệu suất lên tới 90 – 95% Thiết kế này gần như không có khe hở trong mối ghép, mang lại sự chính xác và ổn định cao trong quá trình hoạt động.

Hình 3.14 Vít me đai ốc bi

Vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các thiết bị yêu cầu truyền động thẳng chính xác, chẳng hạn như máy khoan, máy doa tọa độ và máy điều khiển chương trình số Những ưu điểm vượt trội của chúng giúp nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.

Nhóm đã quyết định chọn vít me dạng bi do khả năng làm việc hiệu quả và độ ma sát thấp, giúp tăng cường hiệu suất truyền động Loại vít này ổn định và hầu như không phụ thuộc vào tốc độ, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sử dụng.

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa ma sát và tốc độ của 2 dạng vít me

Biểu đồ cho thấy vít me đai ốc bi yêu cầu thời gian khởi động ngắn hơn đáng kể so với vít me đai ốc thông thường Do đó, vít me đai ốc dạng bi là lựa chọn tối ưu nhất cho việc vận hành trục vít.

3.2.2 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng

Cấu tạo thanh trượt vuông mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng trượt dễ dàng nhờ vào ma sát lăn của ổ đỡ, độ cứng cao và khả năng chịu tải tốt Thanh trượt này có tuổi thọ cao, ít bị mài mòn, chống rung hiệu quả, đồng thời dễ dàng trong việc bảo trì và sửa chữa.

Nhược điểm: Chi phí cao.

Để thuận tiện cho việc gia công và lắp đặt, có thể tận dụng các bộ phận có sẵn trong cấu trúc dẫn hướng như ổ trượt và thanh ray.

Hình 3.17 Thanh trượt tròn Ưu điểm: Thanh trượt, con trượt tròn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng

Nhược điểm của phương pháp này là việc gia công rãnh mang cá rất phức tạp, và trong quá trình gia công, phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa các rãnh, gây ra ma sát mài mòn Sau một thời gian sử dụng, việc thay thế các nêm trở nên khó khăn, dẫn đến khó khăn trong bảo trì và sửa chữa Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật là giá thành của phương pháp này tương đối rẻ.

Để đáp ứng yêu cầu thiết kế về khả năng chịu tải cao, đồng thời nâng cao tính tiện lợi và đơn giản hóa quy trình gia công cũng như lắp đặt, nhóm đã quyết định chọn cơ cấu thanh trượt vuông cho sản phẩm.

3.2.3 Cơ cấu truyền động tích hợp vitme và ray trượt.

Ngoài các loại cơ cấu dẫn hướng và truyền động thông thường, thị trường còn cung cấp các sản phẩm tích hợp cả hai chức năng này, mang lại sự tiện lợi và hiệu suất cao cho người sử dụng.

LM Guide + Ball Screw = Integral-structure Actuator

KR LM Guide Actuator Model KR

Hình 3.19 Cấu tạo của LM Guide Actuator Model KR

Cơ cấu truyền động tích hợp dẫn hướng có các đặc điểm:

- Tăng độ cứng vững chống moment xoắn tốt.

- Các sản phẩm đa dạng trên thị trường với nhiều loại kích cỡ khác nhau (Giảm thời gian thiết kế và lắp đặt).

- Dễ bảo trì, bảo dưỡng, tiết kiệm không gian.

- Có thể được sử dụng trong mọi hướng lắp đặt.

Kết luận về việc lựa chọn hệ thống dẫn động và dẫn hướng là rất quan trọng trong thiết kế mô hình trung tâm gia công CNC Để tối ưu hóa không gian và thời gian, đồng thời đảm bảo độ cứng vững và hoạt động êm ái, nhóm đã quyết định sử dụng cụm cơ cấu truyền động tích hợp vitme và thanh ray trượt bên cạnh các cơ cấu truyền động thông thường Cụ thể, bộ vít me thanh ray trượt của hãng THK, Model Kr, được sử dụng cho trục X, vì trục này phải chịu tải lớn và có hành trình làm việc lớn nhất trong các trục, đồng thời đảm nhiệm việc truyền động cho trục A chứa mâm cặp kẹp phôi gia công.

Lựa chọn phần điện

Động cơ trục chính, hay còn gọi là động cơ phay, là một trong những thành phần thiết yếu ảnh hưởng đến khả năng gia công và chất lượng sản phẩm Đặc biệt, trong chế tạo mô hình CNC tích hợp chức năng thay dao tự động, động cơ trục chính cần có khả năng kẹp và nhả dao trong quá trình gia công Dựa trên yêu cầu này, động cơ trục chính được phân thành hai loại, trong đó động cơ một chiều (DC) là lựa chọn cho máy gia công CNC nhỏ Động cơ DC có moment khởi động lớn và dễ dàng điều khiển chiều và tốc độ, tuy nhiên, nó có dải điều kiện tốc độ hẹp và yêu cầu mạch cấp nguồn riêng, nên chỉ phù hợp với các máy CNC công suất nhỏ hoặc mô hình.

- Động cơ một chiều có chổi than

Hình 3.20 Động cơ không chổi than Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ điều khiển

Nhược điểm: ồn, nóng khi hoạt động, tuổi thọ động cơ không cao

- Động cơ một chiều không chổi than

Hình 3.21 Động cơ một chiều có chổi than Ưu điểm: cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn, hoạt động êm ái.

Động cơ xoay chiều (AC) có nhiều loại đa dạng và phong phú, cho phép điều khiển nhiều mức tốc độ khác nhau nhờ vào biến tần Việc sử dụng động cơ này mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V sẵn có Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của động cơ xoay chiều là giá thành khá đắt.

Hình 3.22 Động cơ servo xoay chiều không chổi than BTD4 0860 Động cơ xoay chiều chiều gồm 2 loại:

- Động cơ một xoay chiều lồng lồng sốc không đồng bộ, dùng biến biến tần để điều khiển, có kích thước lớn.

Động cơ Servo tốc độ cao với hệ thống hồi tiếp cho phép điều khiển chính xác tốc độ, linh hoạt thay đổi tốc độ liên tục và có khả năng đáp ứng nhanh chóng Nó duy trì momen ổn định trong các dải tốc độ khác nhau, tuy nhiên, giá thành của nó tương đối cao.

Sau khi phân tích các lựa chọn để đáp ứng nhu cầu thay dao trong gia công và hiệu quả kinh tế, nhóm đã quyết định chọn Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC Sản phẩm này sử dụng đầu kẹp dao CHR collet được thiết kế đặc biệt, cho phép kẹp và nhả dao trực tiếp trên động cơ, giúp việc thay thế dụng cụ gia công trở nên dễ dàng và linh hoạt Dụng cụ cắt được thay đổi tự động thông qua việc cung cấp khí nén áp lực cao cho trục chính Động cơ được trang bị 3 vòng bi có độ chính xác cao, bao gồm 1 vòng bi bằng sứ, đảm bảo khả năng gia công chính xác và tốc độ cao.

Hình 3.23 Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC.

- Tốc độ quay tối đa cho phép: 50.000 vòng /phút.

- Độ sai lệch của trục chính: trong khoảng 1 μm.

- Áp suất khí để đóng mở Collet: 80 ~ 87 PSI

- Sử dụng nguồn điện: DC-24V

Động cơ trục chính (động cơ tiện) cần đạt tốc độ quay nhất định và lực kéo cao trong quá trình gia công Để đáp ứng yêu cầu chuyển động xoay góc với độ chính xác cao của trục A, động cơ Servo là lựa chọn lý tưởng Tuy nhiên, nhóm quyết định chọn động cơ bước do tính kinh tế, vì động cơ này vẫn cung cấp khả năng chuyển động xoay với góc chính xác, và với mô hình có tốc độ dưới 1000 vòng/phút, động cơ bước hoàn toàn đáp ứng nhu cầu cần thiết.

Do nhu cầu momen xoắn cao nên nhóm quyết định chọn động cơ bước 86BYGH250. Thông số động cơ:

- Điện áp định mức: DC 18V

Động cơ cho các trục X, Y, Z và các cụm truyền động khác trong máy CNC yêu cầu độ chính xác cao Hai loại động cơ phổ biến được sử dụng là động cơ bước và động cơ servo Mỗi loại động cơ có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và dưới đây là bảng so sánh giữa hai loại động cơ này.

Bảng 3.1 So sánh 2 động cơ Động cơ bước Động cơ servo

Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng)

Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)

Nhiễu, rung động Đáng kể Rất ít

Tốc độ Chậm (tối đa 1000 ~ 2000 vòng/phút)

Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)

Phương pháp điều khiển Vòng hở (không có encoder) Vòng kín (có encoder)

100 nghìn – 2 triệu đồng Trên 1,5 triệu đồng Độ phân giải

Phổ biến là loại 1.8 o (200 bước/v), còn có bước góc nhỏ hơn như 0.72 o , 0.36 o

Phụ thuộc độ phân giải của encoder.

Thông thường vào hoảng 0.36÷0.036° (1000÷10000 xung/v)

Do yêu cầu độ chính xác cao cho các động cơ truyền động trong máy CNC và số lượng động cơ sử dụng lên đến 6 cái, nhóm đã quyết định chọn động cơ bước thay vì động cơ Servo Mặc dù động cơ Servo cung cấp độ chính xác tốt hơn, nhưng chi phí và hệ thống điều khiển phức tạp là những yếu tố không khả thi cho mô hình này Động cơ bước đáp ứng tốt nhu cầu truyền động với sai lệch cho phép và dễ dàng trong việc điều khiển Cụ thể, nhóm sử dụng 3 động cơ StepSyn 103H7822-0440, 1 động cơ StepSyn 103H7124-1145, 1 động cơ StepSyn 103H7123-0740 và 1 động cơ Guzik S1701B để đảm bảo hiệu suất hoạt động của máy.

3.2.2 Lựa chọn phần mềm điều khiển

Hệ thống điều khiển là một phần thiết yếu của máy CNC, có chức năng chuyển đổi các lệnh G-code thành xung điều khiển cho động cơ, sau khi được nội suy qua phần mềm.

Phần mềm cho máy CNC cần có khả năng giao tiếp với mạch điều khiển và nhận diện G-code để thực hiện nội suy Đối với các nội suy 2D đơn giản như đường thẳng hay đường tròn, người chế tạo có thể tự viết phần mềm Tuy nhiên, để gia công các bề mặt cong và hình dạng phức tạp 3D, việc lập trình phần mềm trở nên phức tạp và thách thức Do đó, sử dụng phần mềm điều khiển chuyên nghiệp từ bên thứ ba là giải pháp tối ưu.

Phần mềm Mach 3 là một trong những ứng dụng phổ biến nhất cho các máy CNC tự chế, đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của máy Nó giúp người gia công ra lệnh cho máy CNC thực hiện các tác vụ theo ý muốn, chủ yếu thông qua việc điều khiển chuyển động của trục chính để gia công trên bề mặt vật liệu, thực hiện theo lập trình đã được thiết lập trước.

TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

Tính toán thanh trượt - con trượt bi

Lựa chọn thanh trượt cho hệ thống máy móc là quá trình phức tạp, yêu cầu xem xét nhiều yếu tố như độ chính xác, khả năng chịu tải và thời gian phục vụ Đồng thời, việc này cũng cần đảm bảo tính kinh tế để tối ưu hóa hiệu suất và chi phí.

Dưới đây là lưu đồ lựa chọn thanh trượt bi cho hệ thống, dựa trên tài liệu của THK - công ty Nhật Bản chuyên sản xuất vít me và thanh trượt Quy trình lựa chọn thanh trượt bi cho mô hình trung tâm gia công CNC sẽ được thực hiện theo sơ đồ này, tuy nhiên, do yêu cầu kỹ thuật không quá khắt khe, một số bước trong quy trình sẽ được đơn giản hóa.

Hình 4.1 Quy trình chọn thanh trượt bi

Thanh trượt bi có nhiều kiểu lắp đặt khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, nhưng nên ưu tiên các kiểu lắp đơn giản phù hợp với thiết kế và theo quy định trong catalogue của nhà sản xuất.

Hình 4.2 Một số kiểu lắp đặt thanh trượt

Khi lắp đặt thanh trượt, cần chú ý đến số lượng thanh trượt trên một mặt phẳng để đảm bảo tính cứng vững Việc này giúp tối ưu hóa các thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp, như độ chính xác và giảm thiểu sai lệch do khe hở trong quá trình chuyển động tịnh tiến.

Hình 4.3 Số lượng thanh trượt yêu cầu trong một mặt phẳng

Dựa trên nhu cầu sử dụng, bạn có thể lựa chọn loại thanh trượt phù hợp bằng cách xem xét kích thước và khả năng chịu tải, thông qua bảng thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

Tiếp theo, xét đến khả năng chịu tải, lực và moment tác dụng lên thanh trượt

Hình 4.4 Các lực và momen xoắn tác động lên con trượt

Khả năng chịu tải của thanh trượt bi phụ thuộc vào vị trí của các dãy bi trong khối trượt, ảnh hưởng đến kiểu lắp đặt Với thanh trượt có 4 dãy bi, khả năng chịu tải đồng đều ở các hướng cho phép lắp đặt theo kiểu H (nằm ngang), R (ngược lại H) và K (lắp tường) Ngược lại, thanh trượt kiểu Radial với các dãy bi bố trí trên cung tròn sẽ chịu lực tốt nhất khi được lắp đặt theo kiểu phù hợp.

Hình 4.5 Các kiểu rãnh bi trong con trượt

Do thiết kế mô hình không yêu cầu kỹ thuật cao, nhóm quyết định đơn giản hóa thiết kế và chi phí bằng cách lắp thanh trượt theo phương ngang (H) và sử dụng thanh trượt kiểu Radial, phù hợp với tải trọng chính là tải trọng trọng theo phương thẳng đứng.

Để tính toán khả năng chịu tải trọng của thanh trượt, khi xuất hiện các giá trị MA, MB, MC, chúng ta có thể xác định lực tác dụng lên khối trượt theo công thức P = K*M, trong đó K là các hệ số tra bảng tương ứng với từng loại thanh trượt Bài toán cụ thể yêu cầu tính lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc.

Hình 4.6 minh họa lực và momen xoắn tác động lên trục Dựa vào mô hình, có thể thấy rằng phương thức lắp đặt, loại con trượt, ray trượt, cùng số lượng ray và con trượt trên ba trục X, Y và Y2 là giống nhau.

 Tính toán ray trượt trục Y

Tính toán lực tác dụng lên ray trượt trục Y theo sơ đồ phân bố lực bên dưới:

Hình 4.7 Lực tác dụng lên con trượt khi chuyển động Thông số đầu vào:

Bảng 4.1 Thông số của con trượt bi hãng THK

 Con trượt sử dụng có mã THK SSR 15XW

 Khối lượng tác dụng lên ray: m= 10,5 (kg)

 Vận tốc chạy khi không gia công: v= 0,1 (m/s)

 Gia tốc khi chuyển động tới: α1= 5 (m/s 2 )

 Gia tốc khi chuyển động lui: α2= 5 (m/s 2 )

 Hành trình dịch chuyển: ls= 300 (mm)

Hình 4.8 Biểu đồ vận tốc và thời gian khi con trượt truyền động

 Với: Khoảng cách giữa tâm 2 con trượt trên cùng 1 ray: l1= 0,06 m,

Khoảng cách giữa 2 ray trượt: l2=0.16 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương Z: l3 = 0,25 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương X: l4= 0,053 m

Lực tác dụng khi chuyển động đều:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc tới:

Tải trọng đảo hướng tâm:

Lực tác dụng khi giảm tốc chuyển động tới:

Tải trọng đảo hướng tâm:

Lực tác dụng khi tăng tốc chuyển động lui:

Tải trọng đảo hướng tâm:

Lực tác dụng khi giảm tốc chuyển động lui:

Tải trọng đảo hướng tâm:

Khi chuyển động tăng tốc tới:

Khi chuyển động giảm tốc tới:

Khi chuyển động tăng tốc lùi:

Khi chuyển động giảm tốc lùi:

Lực trung bình tác dụng lên ray:

Tính toán hệ số an toàn

Theo như kết quả tính toán trên, lực lớn nhất tác dụng lên ray trượt là 135,1 N vậy hệ số an toàn được tính theo công thức sau:

Theo thông số của nhà sản xuất khuyến nghị fs >2,7 => Thỏa điều kiện an toàn.

Tính toán tuổi thọ ray trượt

Với hệ số tải fw=1,5 ; tải trọng động C,7 kN

 Tuổi thọ sử dụng của ray trượt dưới điều kiện làm việc trên là 18,9 km

Tính toán ray trượt trục Z

Tính toán lực tác dụng lên ray trượt trục Z theo sơ đồ phân bố lực bên dưới:

Hình 4.9 Lực tác dụng lên ray trượt trục Z

Bảng 4.2 Thông số con trượt trích Catalog hãng THK Ray trượt cần tính có mã THK SSR15XTB

 Khối lượng tác dụng lên ray: m= 4 kg

 Gia tốc khi chuyển động lên: α1= 5 (m/s 2 )

 Gia tốc khi chuyển động xuống: α2= 5 (m/s 2 )

 Chiều dài ray: ls= 350 (mm)

Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc và thời gian khi con trượt truyền động

 Với: Khoảng cách giữa tâm 2 con trượt trên cùng 1 ray: l1= 0,06 m,

Khoảng cách giữa 2 ray trượt: l2= 0.136 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Z theo phương Y: l3 = 0,1 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương X: l4= 0 m

Lực tác dụng khi chuyển động đều:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc đi xuống:

Lực tác dụng khi chuyển động giảm tốc đi xuống:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc đi lên:

Lực tác dụng khi chuyển động giảm tốc đi lên:

Khi chuyển động tăng tốc xuống:

Khi chuyển động giảm tốc xuống:

Khi chuyển động tăng tốc lên:

Khi chuyển động giảm tốc lên:

Lực trung bình tác dụng lên ray:

Tính toán hệ số an toàn

Theo như kết quả tính toán trên, lực lớn nhất tác dụng lên ray trượt là 135,1 N vậy hệ số an toàn được tính theo công thức sau:

Theo thông số của nhà sản xuất khuyến nghị fs >2,7 => Thỏa điều kiện an toàn.

Tính toán tuổi thọ ray trượt

Với hệ số tải fw=1,5 ; tải trọng động C,7 kN

Tuổi thọ sử dụng của ray trượt dưới điều kiện làm việc trên là 13,5 km

4.2.2 Tính toán vít me – đai ốc bi: Để đảm bảo khả năng làm việc và độ an toàn cho thanh vít me khi làm việc bằng cách kiểm tra độ cứng vững của vít me thông qua các thông số độ uốn dọc trục, khả năng chịu kéo và tốc độ quay tối đa cho phép Trong đó:

Lực có khả năng gây uốn dọc trục cho vít me bi:

Lực kéo - nén gây nguy hiểm:

Tốc độ quay tối đa cho phép:

Với: ŋ 2 : hệ số phụ thuộc cách lắp vít me (kiểu lắp fixed-support có ŋ 2 ) d1: đường kính trong của vít me (mm) la: chiều dài thanh vít me (mm)

Hệ số phụ thuộc vào cách lắp đặt vít me, đặc biệt là các vít me kiểu lắp fixed-support Việc ứng dụng các công thức trên giúp kiểm tra hiệu quả cho các vít me được sử dụng trên các trục.

Tính toán kiểm nghiệm vitme – đai ốc bi các trục

Lực có khả năng gây uốn dọc trục cho vít me bi:

Lực kéo - nén gây nguy hiểm:

Tốc độ quay tối đa cho phép:

Tất cả các trục truyền động vít me đều được trang bị động cơ bước Stepsyn kích thước 60, với momen xoắn tối đa đạt 2,7 N/m Từ thông số này, chúng ta có thể tính toán lực kéo tối đa mà động cơ có thể cung cấp.

Lực kéo tối đa động cơ tạo ra:

Trong đó: p là bước răng của vít me, vít me có bước lớn nhất được sử dụng trên máy là 5mm.

Các giá trị lực tác dụng cần thiết để phá hủy vít me rất lớn so với lực tối đa mà động cơ bước có thể tạo ra Hơn nữa, tốc độ quay của động cơ luôn được giữ dưới 2000 vòng/phút, đảm bảo rằng vít me hoạt động an toàn trong giới hạn cho phép.

Tính toán kiểm nghiệm đai ốc bi sử dụng trên các trục:

Khi lựa chọn đai ốc bi, cần xem xét bước răng và đường kính của vít me Đồng thời, việc kiểm nghiệm khả năng chịu tải và tuổi thọ của đai ốc bi cũng rất quan trọng, dựa trên các thông số tải trọng động.

C và tải trọng tĩnh Co được công bố bởi nhà sản xuất Đối với mô hình, các đai ốc bi trên các trục là giống nhau, trong đó vít me trục X là vít me chịu tải lớn nhất, do đó chỉ cần kiểm nghiệm vít me đai ốc bi của trục Y.

Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh: với Famax : lực dọc trục lớn nhất.

Bảng 4.3 Hệ số an toàn của đai ốc bi theo Catalog của hãng THK

Tính toán các tải dọc trục tác dụng lên đai ốc bi:

Hình 4.11 Lực tác dụng lên đai ốc bi khi truyền động

 Tải dọc trục khi tăng tốc sang trái:

 Tải dọc trục khi chuyển động đều sang trái:

 Tải dọc trục khi giảm tốc sang trái:

 Tải dọc trục khi tăng tốc sang phải:

 Tải dọc trục khi chuyển động đều sang phải:

 Tải dọc trục khi giảm tốc sang phải:

Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích các yếu tố liên quan đến lực dọc trục, bao gồm: Fan (lực dọc trục tương ứng) tính bằng Newton (N), hệ số ma sát, khối lượng tải trọng m = 10 kg, gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s², lực cản ban đầu f = 10 N khi không có tải ngoài, và gia tốc a = 0,2 m/s² Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lực và chuyển động của hệ thống.

 Quãng đường chuyển động đều:

Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh: => Thỏa điều kiện Fs>4 Với: C: tải trọng động, C= 5,5 (kN)

Co: tải trọng tĩnh, Co=7,8 (kN)

 Công thức tính toán tải dọc trục trung bình:

Với Fm: tải dọc trục trung bình (N)

Fn: tải thành phần (N) ln: quãng đường chịu tải Fn (mm) l: tổng hành trình vít me (mm)

Tuổi thọ thanh vít me-đai ốc bi tính theo số vòng quay được:

Tuổi thọ thanh vít me-đai ốc bi tính theo thời gian (giờ):

(h) Với C: hệ số tải trọng động (N)

Fa: tải dọc trục trung bình lớn nhất (N)

Fw:hệ số tải, Fw 1,2 (tra Catalog hang THK)

N: tốc độ quay (vòng/ phút).

CHẾ TẠO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Tiến hành gia công và lắp ráp

Các chi tiết được gia công chủ yếu trên máy phay CNC nên có dung sai thấp

Hình 5.1 Một số chi tiết đã gia công

Sau khi gia công các chi tiết, nhóm tiến hành lắp ráp phần cơ khí của máy Trong quá trình lắp ráp, nhận thấy liên kết giữa các trục X, Y1 và Y2 không đủ cứng vững, nhóm quyết định tạo phần đế nền để liên kết các trục này Đế nền được thiết kế để đảm bảo độ cứng vững cao và ổn định khi các trục chuyển động, đặc biệt là trục X chịu tải trọng lớn từ trục Z Nhóm đã lựa chọn liên kết 2 tấm đế của trục Y và Y2 vào trục X bằng các tấm nhôm dày 16mm, tạo bề mặt lắp ráp Cuối cùng, để gia cố khối thống nhất, nhóm đã đổ nền bằng keo Epoxy kết hợp với cát theo tỷ lệ nhất định với độ dày 5-6 cm.

Hình 5.2 Phần đế Epoxy trên thiết kế.

Hình 5.3 Ảnh thực tế khi tiến hành đổ nền bằng keo Epoxy

Trước khi đổ keo Epoxy, cần tạo thành khuôn đế để định hình Để tăng độ bám và kết dính của keo với phần đế, nhóm đã kẻ rãnh chéo bằng máy cắt và sử dụng bulong nhô cao, tạo các neo cố định cho keo sau khi nó đóng cứng hoàn toàn.

Hình 5.4 Tiến hành đổ đế thực tế

Thiết lập các thông số và cách sử dụng giao diện phần mềm Mach 3

 Thiết lập đơn vị đo: Click menu Config chọn Native Unit

Hình 5.5 Thiết lập thông số

 Thiết lập kết nối với cổng LPT: Click menu Config chọn Port and Pins.

Hình 5.6 Chọn để thiết lập kết nối

Để thiết lập các chân Port, bạn cần kích hoạt Port #1 bằng cách đánh dấu vào ô Port Enabled, sử dụng địa chỉ Port mặc định là 0x378 và chọn tần số xung tối đa, với giá trị thiết lập tối đa là 25000Hz.

Hình 5.7 Thiết lập kết nối

Để thiết lập địa chỉ cho động cơ bước, hãy truy cập vào tab Motor Outputs trong hộp thoại Port and Pins Các chân đầu ra này sẽ cung cấp tín hiệu cho mạch giao tiếp và điều khiển mạch động cơ, giúp điều chỉnh các trục của động cơ một cách hiệu quả.

Enabled: Dấu stick là kích hoat, dấu x không.̣

Step Pin: là chân điều khiển cấp xung cho trục

Dir Pin: Địa chỉ cấp xung đảo chiều cho động cơ

Dir LowActive/Step LowActive là các dấu hiệu quan trọng trong việc điều khiển động cơ Dấu stick biểu thị kích xung âm, trong khi dấu x biểu thị kích xung dương Chân này đóng vai trò quan trọng khi lắp động cơ vào máy, giúp xác định chiều chuyển động của trục X, Y, Z.

Step lowactive: Xác đinh trạng thái tác động của chân cấp xung cho mạch điều khiển

Step port: Xác định chân điều khiển thuộc port nào

Dir port: Thiết lâp thông số tương tự cột Step port.

Hình Hình 5.8 Thiết lập địa chỉ của động cơ bước

Thiết lập motor input bao gồm việc xác định các tín hiệu đầu vào cho máy tính Khi máy tính nhận tín hiệu từ bên ngoài, phần mềm sẽ phân tích và xử lý thông tin trước khi xuất tín hiệu để điều khiển Có hai phương pháp để thiết lập địa chỉ input.

 Thiết lâp thiết lập bằng tay: Khi thiết lập cách này, phải nhớ port và chân pin trên mạch nhằm thiết lâp cho đúng địa chỉ

Thiết lập tự động giúp người dùng không cần nhớ port và chân pin trên mạch Chỉ cần nhấn vào “Automated Setup of Inputs”, chọn tín hiệu đầu vào và sau đó thay đổi trạng thái ngõ vào một cách dễ dàng.

Thiết lập Output: Dùng để điều khiển các tìn hiệu đầu ra, bao gồm động cơ Spindle, hệ thống bơm dầu làm mát, công tắc hành trình.

Hình 5.10 Thiết lập OutputThiết lập Encoder / MPG: Dùng để xác lập thông số động cơ.

Hình 5.11 Thiết lập cho Spindle

Thiết lập pulley selection là quá trình quan trọng để xác định tốc độ quay tối đa cho trục chính (spindle) Khi tốc độ quay vượt quá giới hạn cho phép, trục chính sẽ không hoạt động, và phần mềm sẽ thông báo lỗi do tốc độ quay quá cao.

Hình 5.12 Thiết lập tốc độ quay tối đa của Spindle

Hình 5.13 Thiết lập thông số cho động cơ bước

Số bước trên một đơn vị (step per unit) là số bước mà động cơ bước cần quay để bàn máy di chuyển được một mm hoặc inch, tùy thuộc vào đơn vị người dùng chọn Giá trị này phụ thuộc vào động cơ bước, chế độ vi bước, loại vít me và tỷ số truyền Ví dụ, với động cơ bước có bước góc 1.80 và 200 bước/vòng, số bước trên một đơn vị được tính theo công thức cụ thể.

Steps per unit Trong đó:

 d: bước ren của vít me (mm hoặc inch).

 n: tỷ số truyền động cơ

Để tính toán thực tế cho máy CNC hiện tại, ta chọn đơn vị là mm, với động cơ bước có bước góc 1.80 và bước vít me là 5 mm Tỷ số truyền được thiết lập là 22/28, và driver được chọn ở chế độ vi bước 1/8.

Step per unit = (step/mm) Tốc độ của động cơ tối đa được phép thiết lập:

Gia tốc của động cơ bước nên được chọn ở mức cao để tránh hiện tượng vượt bước, điều này có thể dẫn đến sai số lớn Thời gian cho một bước xung (Step Pulse) nên được thiết lập khoảng 3 micro giây; tuy nhiên, đối với các bộ driver có phản ứng chậm, thời gian này có thể gần với 5 micro giây Dir Pulse là thông số cần thiết để bù đắp cho sự mất bước khi động cơ thay đổi hướng, và giá trị đề xuất cho Dir Pulse là 3 Tóm lại, các thông số như gia tốc, vận tốc, thời gian bước xung và Dir Pulse đều rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của động cơ bước.

Để chọn giá trị Pulse, phương pháp thử sai được áp dụng Bắt đầu, ta nhập một giá trị tương đối phù hợp và cho động cơ hoạt động Nếu hệ thống phát ra tiếng ồn lớn, cần thay đổi giá trị Quá trình điều chỉnh tiếp tục cho đến khi hệ thống hoạt động êm ái, giảm thiểu rung động và tiếng ồn.

Khối giao tiếp máy tính của Mach3 hiện nay sử dụng cổng USB hoặc cổng LPT, trong đó cổng LPT là phương thức truyền thống phổ biến hơn.

Cổng USB là một chuẩn kết nối đa dụng trong máy tính, cho phép kết nối các thiết bị ngoại vi một cách dễ dàng Với thiết kế đầu cắm tuân theo các chuẩn riêng, USB hỗ trợ tính năng cắm nóng, giúp người dùng kết nối và ngắt kết nối thiết bị mà không cần khởi động lại hệ thống.

Cổng LPT, hay còn gọi là cổng song song, hiện có hai loại chính là cổng 36 chân và cổng 25 chân, trong đó cổng 36 chân đã không còn được sử dụng Cổng song song 25 chân truyền dữ liệu theo nguyên tắc song song, cho phép 8 hàng dữ liệu 1 bit (tương đương 1 byte) được truyền đồng thời qua 8 dây dẫn kết nối Để hoạt động, cổng LPT sử dụng ba thanh ghi 8 bit bao gồm thanh ghi trạng thái, thanh ghi dữ liệu và thanh ghi điều khiển.

Hình 5.15 Sơ đồ chân cổng LPT

Chân dữ liệu bao gồm 8 chân từ số 2 đến số 9, được gọi là Data Port, dùng để gửi và nhận dữ liệu Dữ liệu được trao đổi qua 8 chân này được gói gọn trong 1 byte.

Chân trạng thái của parallel port bao gồm 5 chân (số 10, 11, 12, 13 và 15) dùng để hiển thị tình trạng hoạt động như đang bận hoặc đang gửi/nhận thông tin, được gọi là Status Port Dữ liệu được trao đổi qua 8 pin này sử dụng 5 bit cao của byte.

Chân điều khiển: 4 chân dùng để điều khiển gọi là Control Port, là các pin số 1, 14,

Hướng dẫn sử dụng Mach 3

Trang thái điều khiển chạy chương trình và load G-code Gồm các khối nút điều chỉnh, thông số dụng cụ cắt, khung toa độ.

• Cycle Start: Chạy chương trình tự động

• Feed Hold: Dừng chuyển động các trục trừ trục chính

• Stop: Dừng chuyển động của các trục bao gồm trục chính (nhấn cycle start khi muốn chạy tiếp chương trình)

• Reset: khi đang chạy chương trình thì nút reset đóng vai trò như nút EStop

Khi chương trình gặp lỗi thì cần nhấn nút reset để đưa hệ thống sẵn sàng hoạt động trở lại

• Edit G-Code: Chỉnh sửa G-code

• Recent File: Những file G-code đã chạy trong mach3

• Close G-code: Đóng chương trình

• Load G-code: Load chương trình vào mach3  Set next line: Chạy dòng G- code kế tiếp

• Line: Nhập dòng G-code cần chạy tiếp

• Run from here: Chạy từ dòng G-code đã nhập trên dòng Line

• Rewind: Đưa chương trình về dòng line 0

• Single BLK: Chạy từng dòng lệnh

• Reverse Run: Chạy lại điểm ban đầu

Người dùng có thể nhập và thực hiện từng dòng G-code trong ô input Để tạo chương trình G-code, chỉ cần nhấn "Start teach", nhập lệnh G-code vào ô input, và sau khi hoàn thành, nhấn "Stop teach" để lưu lại chương trình Để tải hoặc chỉnh sửa chương trình, nhấn "Load/Edit" để đưa chương trình vào Mach 3.

Hình 5.23 Giao diện Tool Path

Nhập các thông số work offset và thiết lập các thông số cần thiết cho dao.

Tùy chỉnh theo nhu cầu người dùng.

Hiện thị toàn bộ thông tin về máy bao gồm: Tọa độ, work offset, tool offset, đường chạy dao, tốc độ, tín hiệu các chân Input-Output