Đồ án chế tạo máy CNC mini

Báo cáo về máy CNC mini thường bao gồm các phần chính sau: 1. **Thông tin chung về máy CNC mini:** - Mô tả tổng quan về máy CNC mini, bao gồm kích thước, trọng lượng, công suất và các tính năng chính của máy. 2. **Các thành phần chính của máy CNC mini:** - Đề cập đến các thành phần như máy cắt, bàn làm việc, hệ thống điều khiển, động cơ, trục chính và các bộ phận cơ khí quan trọng khác. 3. **Công dụng và ứng dụng của máy CNC mini:** - Trình bày các ứng dụng chủ yếu của máy CNC mini trong công nghiệp nhỏ và DIY (tự làm) như gia công gỗ, nhôm, nhựa, PCB, vv. 4. **Ưu điểm và hạn chế của máy CNC mini:** - Liệt kê các lợi ích của việc sử dụng máy CNC mini như tiết kiệm không gian, dễ di chuyển, chi phí thấp hơn so với máy CNC lớn. Ngoài ra, cũng cần đề cập đến các hạn chế như khả năng gia công giới hạn, tốc độ làm việc chậm hơn so với các máy CNC lớn. 5. **Các tính năng và phần mềm điều khiển:** - Giới thiệu các tính năng điều khiển của máy, ví dụ như hỗ trợ G-code, khả năng chuyển đổi định dạng file, và các phần mềm điều khiển phổ biến được sử dụng. 6. **Kết luận và đánh giá:** - Tóm tắt lại các điểm nổi bật về máy CNC mini và đưa ra đánh giá tổng thể về hiệu suất và tính khả thi của máy trong các ứng dụng cụ thể. Báo cáo này nên được viết một cách rõ ràng, tránh sử dụng các thuật ngữ kỹ thuật quá phức tạp để người đọc có thể hiểu và áp dụng thông tin dễ dàng.

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam Máy CNC xuấthiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp Tuy nhiên hầuhết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và TrungQuốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao Những máy CNC thiết kế và sản xuấttại Việt Nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạyđược” Do vậy nhóm tác gỉa đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiểncho máy CNC, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy CNC được thiếtkế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từđó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước.

Xuất phát từ thực tế đó, trong quá trình học tập tại trường Đại học Công Nghiệp

Hà Nội, nhóm tác giả đã thực hiện đồ án với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạomáy CNC mini 3 trục” Xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào

Tạo và Khoa Cơ Khí – Trường đại học Công nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện thuậnlợi cho chúng em học tập trong suốt 4 năm và hoàn thành đề tài này Xin chân thành

cảm ơn đến quý thầy, cô giáo Khoa Cơ Khí đặc biệt là thầy PGS TS Nguyễn AnhTú, người đã trực tiếp và tận tình hướng dẫn chúng em trong suốt thời gian thực

hiện đề tài.

1.2 Công nghệ gia công vật liệu phi kim 13

1.3 Lựa chọn cấu trúc máy 15

1.3.1 Cấu trúc C-frame 15

1.3.2 Cấu trúc H-frame 17

1.3.3 Cấu trúc Router 18

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 19

1.5 Phương pháp nghiên cứu 20

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG CNC MINI 3 TRỤC 21

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC mini 3 trục 21

2.1.1 Cấu tạo của máy CNC mini 3 trục 21

2.1.7 Nguyên lí hoạt động máy CNC 26

2.2 Phần mềm và giải pháp điều khiển máy CNC 26

2.2.1 Phần mềm điều khiển máy CNC 26

2.2.2 Giới thiệu phần mềm Vectrics Aspire 9.5 30

2.2.3 Giải pháp điều khiển máy CNC 34

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CNC MINI 44

3.2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 74

3.2.1 Lựa chọn board mạch điều khiển 74

3.2.2 Lựa chọn thiết bị giới hạn hành trình 78

3.2.3 Lựa chọn thiết bị mạch điều khiển động cơ bước 85

3.2.4 Nguồn biến áp xung 89

3.2.5 Mạch điều khiển tốc độ động cơ trục chính 91

3.2.6 Sơ đồ đấu nối mạch mach3 95

3.2.7 Sơ đồ khối nguyên lí mạch điều khiển 98

3.3 Chế tạo thử nghiệm, đánh giá hệ thống 100

3.3.1 Chế tạo, lắp ráp máy 100

3.3.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 114

3.4 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 119

3.4.1 Thử nghiệm điều khiển mô hình thủ công 119

3.4.2 Thử nghiệm cài đặt điểm bắt đầu 120

3.4.3 Thử nghiệm gia công mạch in 122

KẾT LUẬN & ĐỀ XUẤT 128TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Máy NC nhưng năm 1960 11

Hình 1.2 Công nghệ gia công 14

Hình 1.3 Cấu trúc C-frame 15

Hình 1.4 Cấu trúc H-frame 17

Hình 1.5 Cấu trúc Router 18

Hình 2.1 Cấu trúc chung của máy CNC 21

Hình 2.2 Minh họa khung máy 21

Hình 2.3 Minh họa bàn máy 22

Hình 2.9 Giao diện Mach3 27

Hình 2.10 Giao diện Mach4 27

Hình 2.11 Giao diện CAM SheetCAM TNG 28

Hình 2.12 Giao diện LinuxCNC 29

Hình 2.13 Giao diện Photoshop 31

Hình 2.14 Giao diện dự án mới trong Vetric Aspire 32

Hình 2.15 Các lệnh gia công trong Toolpaths 32

Hình 2.16 Kiểm tra trong phần mềm Aspire 33

Hình 2.17 Xuất file G-code 33

Hình 2.18 Động cơ bước 34

Hình 2.19 Động cơ servo 35

Hình 2.20 Động cơ DC 36

Hình 2.21 Cấu tạo của động cơ bước 38

Hình 2.22 Cấu hình giới hạn hành trình 41

Hình 2.23 Cấu hình cài đặt chân 41

Hình 2.24 Cài đặt các tín hiệu đầu vào 42

Hình 2.25 Cài đặt tín hiệu đầu ra điều khiển Spindle 42

Hình 2.26 Cài đặt chế độ điều khiển tốc độ Spindle 43

Hình 2.27 Cài đặt thông số các tục X, Y, Z 43

Hình 3.1 Tổng quan hệ thống cơ khí 44

Hình 3.2 Sơ đồ lực cắt 46

Hình 3.3 Thiết kế sơ bộ trục Y 48

Hình 3.4 Sơ đồ lực cắt và momen uốn 53

Hình 3.5 Động cơ bước 57HS5125A4EP 56

Hình 3.6 Khớp nối mềm RS25X30 59

Hình 3.7 Gối đỡ KFL001-12mm 59

Hình 3.8 Thiết kế sơ bộ trục X 60

Hình 3.9 Sơ đồ lực tác dụng lên tấm vai 66

Hình 3.10 mô phỏng ứng xuất trên phần mềm 67

Hình 3.11 Thiết kế sơ bộ trục Z 68

Hình 3.12 Mạch CNC BOB MACH3 LPT 75

Hình 3.13 Mạch CNC BOB 4 76

Hình 3.14 Mạch CNC BOB MACH3 USB V2 77

Hình 3.15 Công tắc giới hạn kiểu bánh gạt 78

Hình 3.17 Công tắc hành trình kiểu lò xo 79

Hình 3.18 Công tắc hành trình kiểu bánh xe 80

Hình 3.19 Công tắc hành trình kiểu kéo 80

Hình 3.20 Cảm biến tiệm cận từ 82

Hình 3.21 Cảm biến tiệm cận điện dung 83

Hình 3.22 Cảm biến tiệm cận quang 83

Hình 3.23 Cảm biến tiệm cận từ trường 84

Hình 3.24 Driver đơn 85

Hình 3.25 Driver đa trục 86

Hình 3.26 Driver dòng microstep 86

Hình 3.27 Nguồn biến áp xung 89

Hình 3.28 Sơ đồ khối của nguồn 90

Hình 3.29 Mạch điều khiển tốc độ động cơ 91

Hình 3.30 Độ rộng xung 92

Hình 3.31 Sơ đồ nguyên lý nguồn 94

Hình 3.32 Sơ đồ đấu nối mach3 95

Hình 3.33 Sơ đồ khối nguyên lý mạch điều khiển 98

Hình 3.34 Lắp đế máy và trục Y 101

Hình 3.35 Lắp con trượt trục Y 101

Hình 3.36 Lắp part nhôm đáy trục Y 102

Hình 3.37 Lắp mặt trước trục Y 102

Hình 3.38 Lắp gối đỡ trục vít me 103

Hình 3.39 Lắp con trượt vít me và gối đỡ trục Y 103

Hình 3.40 Phần đế máy và trục Y thực tế 104

Hình 3.42 Lắp thanh trượt trục Z 105

Hình 3.43 Lắp con trượt và đối đỡ trục Z 106

Hình 3.44 Lắp mảnh nhôm mặt dưới trục Z 106

Hình 3.45 Lắp gối đỡ trục vít me trục Z 107

Hình 3.46 Lắp gối đỡ con trượt trục Z 107

Hình 3.47 Lắp part nhôm gắn motor trục chính 108

Hình 3.56 Khung máy chế tạo 113

Hình 3.57 Lắp ráp hoàn thiện máy 113

Hình 3.58 Nguồn điện 114

Hình 3.59 Board mạch điều khiển 115

Hình 3.60 Kết nối driver và board mạch điều khiển 116

Hình 3.67 Thiết lập các điểm ban đầu 120

Hình 3.68 Di chuyển mũi cắt trở lại điểm bắt đầu 121

Hình 3.69 Thiết kế mạch Altium 122

Hình 3.70 Xuất file PDF 123

Hình 3.71 Sử dụng Aspire xuất file G-code 123

Hình 3.72 Nhập code vào mach3 để gia công 124

Hình 3.73 Sản phẩm gia công trên Mica 125

Bảng 3.6 So sánh thông số kĩ thuật của board Mach3 75

Bảng 3.7 Điều khiển trục X,Y,Z 115

Bảng 3.8 Đo độ lệch so với điểm ban đầu 117

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ GIA CÔNG VẬT LIỆUPHI KIM

1.1 Lịch sử nghiên cứu

- Máy CNC (computer Numerical Controlled) là máy công cụ, điều khiển theo mộtchương trình định sẵn Các dữ liệu được cung cấp dưới dạng tập lệnh.

- Lịch sử phát triển của hệ thống máy CNC:

 Năm 1949: Mẫu đầu tiên của máy NC (Numerical Controlled) do MIT (Việncông nghệ Massachusetts) thiết kế và chế tạo theo đặt hàng của không lực Hoa kỳ,để sản xuất các chi tiết phức tạp và chính xác của máy bay.

 Năm 1952: Chiếc máy phay đứng 3 trục điều khiển số của hãng CincinnatiHydrotel được trưng bày tại MIT.

 Những năm 1960:

+ 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, cồngkềnh và tiêu tốn nhiều năng lượng.

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

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

Hình 1.1 Máy NC nhưng năm 1960

 Năm 1970 :

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

+ Máy NC gọn hơn, tốc độ xử lúy cao hơn, tiêu tốn ít năng lượng hơn,… + Tính năng sử dụng của các máy NC vẫn chưa được cải thiện đáng kể,cho đến khi máy tính được ứng dụng.

 Đầu những năm 1970, máy CNC (Computer Numerical Concol) ra đời: Cácbộ điều khiển số trên máy công cụ được tích hợp máy tính và thuật ngữ CNC ra đời.

 Máy CNC ưu việt hơn máy NC thông thường về nhiều mặt : + Tốc độ xử lý cao, kết cấu gọn, …

+ Ưu điểm quan trọng nhất của chúng là ở tính năng sử dụng, giao diệnvới người dùng và các thiết bị ngoại vi khác.

 Ưu điểm của các máy CNC ngày nay:

+ Có màn hình, bàn phím và nhiều thiết bị khác để trao đổi thông tin vớingười dùng,

+ Nhờ màn hình, người dùng được thông báo thường xuyên về tìnhtrạng của máy, cảnh báo lỗi và nguy hiểm có thể xảy ra, có thể mô phỏng để kiểmtra trước quá trình gia công….

 Hiện nay máy công cụ CNC đang được phát triển và ứng dụng rộng rãi vàonhiều lĩnh vực cuộc sống nhiều nước trên thế giới Cùng với sự phát triển vượt bậccủa công nghệ vi xử lý, trung tâm điều khiển của máy CNC hiện đại được điềukhiển bởi bộ vi xử lý Có thể coi sự ra đời của máy CNC là một cuộc cách mạng lớntrong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy Nó góp phần thúc đẩy quá trình tự động hóanhằm dần dần thay thế vai trò của con người trong quá trình sản xuất.

1.2 Công nghệ gia công vật liệu phi kim

- Công nghệ gia công vật liệu phi kim là một lĩnh vực quan trọng trong ngành côngnghiệp hiện đại, đặc biệt là trong việc sản xuất các sản phẩm từ các vật liệu khôngphải kim loại như nhựa, gỗ, composite, và các loại vật liệu kỹ thuật khác Dưới đâylà một số công nghệ phổ biến được sử dụng trong gia công vật liệu phi kim:

 Cắt Laser: Sử dụng tia laser để cắt và chấn hình các vật liệu như nhựa, gỗ,vải, cao su, và composite Công nghệ cắt laser cung cấp độ chính xác cao và tốc độnhanh, cho phép sản xuất các sản phẩm có hình dạng phức tạp mà không cần sửdụng dụng cụ cắt.

 CNC (Computer Numerical Control) Router: Máy CNC Router được sửdụng để gia công các vật liệu như gỗ, nhựa, foam, và composite bằng cách cắt,khoan, và tạo hình theo các mô hình được lập trình trước Máy CNC Router cungcấp độ chính xác cao và khả năng sản xuất hàng loạt.

 Thủy tinh (Waterjet) Cutting: Công nghệ cắt thủy tinh sử dụng một dòngnước cao áp hoặc một hỗn hợp của nước và hạt cát để cắt và chấn hình các vật liệunhư gốm, gạch, kính, và composite Điều này cho phép cắt các vật liệu cứng và dàymột cách chính xác mà không gây ra nhiệt độ cao hoặc biến dạng.

 Gia công 3D Printing: Sử dụng công nghệ in 3D để tạo ra các sản phẩm từcác vật liệu như nhựa, cao su, và composite Quá trình in 3D cho phép sản xuất cácsản phẩm có hình dạng phức tạp và tỷ lệ tùy chỉnh cao.

 Thiết kế và Mô phỏng (CAD/CAM): Sử dụng phần mềm thiết kế và môphỏng CAD/CAM để thiết kế và lập trình quy trình gia công Điều này cho phép môphỏng trước quy trình sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất sản xuất.

 Công nghệ gia công vật liệu phi kim ngày càng phát triển và đa dạng, đápứng nhu cầu sản xuất của nhiều ngành công nghiệp từ sản phẩm điện tử đến ô tô, ytế, và nội thất.

- Các phương pháp gia công chính: Gia công cơ khí:

+ Cắt: sử dụng lưỡi cắt để tạo hình chi tiết

+ Tiện: Dùng để tạo ra các chi tiết hình trụ hoặc hình nón.+ Phay: Gia công các bề mặt phẳng hoặc định hình phức tạp.+ Khoan: tạo lỗ trên vật liệu.

+ Mài: Làm mịn bề mặt. Gia công nhiệt:

+ Hàn nhiệt: Kết nối các chi tiết bằng nhiệt.

+ Ép nhiệt: Dùng nhiệt và áp lực để định hình vật liệu. Gia công bằng công nghệ cao:

+ In 3D: Tạo chi tiết từ lớp vật liệu phi kim chồng lên nhau.+ Cắt bằng tia laser: Sử dụng tia laser để cắt chính xác vật liệu Ứng dụng của máy phay CNC trong gia công vật liệu phi kim:

+ Ngành điện tử: Gia công bảng mạch in (PCB), vỏ bọc linh kiện điện tử+ Ngành y tế: Sản xuất thiết bị y tế như chân tay giả, dụng cụ phẫu thuật.+ Ngành ô tô: Chế tạo các bộ phận phi kim như bảng điều khiển, chi tiết

Hình 1.2 Công nghệ gia công

 Kết luận : Máy CNC là một công nghệ tiên tiến trong gia công vật liệu phi

kim, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất Việc ứng dụng máyphay CNC đã và đang đem lại những thay đổi tích cực cho nhiều ngành côngnghiệp.

1.3 Lựa chọn cấu trúc máy Ba loại cấu trúc máy phổ biến:

- C-frame- H-frame- Router

X+Y+

- Chính vì thế đối với kiểu cấu trúc máy này việc lựa chọn nhôm định hình đểchế tạo làm mô hình là không khả thi Khung máy phải được gia công bằng phôinhôm dạng tấm.

- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc C-frame: + Trục chính và bàn làm việc

+ Kết nối giữa trục chính và thân máy + Phần đầu của khung máy

+ Phần đáy của khung máy

Ưu điểm :

- Máy có thể gia công được các vật liệu có độ cứng cao như sắt, thép,

- Khả năng chịu được lực cắt lớn nên độ cắt sâu hơn so với H-frame và Routerdo đó giảm thời gian gia công và tăng hiệu suất làm việc.

- Khung máy có cấu trúc ít bị biến dạng nên độ sai số cộng dồn thấp hơn so vớihai cấu trúc máy còn lại nên khi gia công những chi tiết phức tạp và đòi hỏi độchính xác cao thì C-frame là một lựa chọn chất lượng.

Nhược điểm :

- Máy chỉ gia công được những vật liệu có kích thước nhỏ, vật liệu có trọnglượng không quá lớn vì trục Y phải chịu tải trọng cực lớn Đồng thời khi phôi chạycàng ra xa trọng tâm của máy, phôi sẽ bị nghiêng về một phía, ảnh hưởng trực tiếplên cấu trúc máy gây hiện tượng nghiêng trục từ đó có sự sai số khi gia công.

- Trục Z cố định, thiết kế cánh tay nâng spindle có giới hạn do cánh tay càngdài thì kết cấu máy càng yếu nên hành trình gia công bị giới hạn.

1.3.2 Cấu trúc H-frame

Hình 1.4 Cấu trúc H-frame

- Đặc điểm: Bàn gia công gá trên trục Y, spindle di chuyển trên trục Z và trục X- Máy có kết cấu giống dạng chữ H nên còn được gọi là H-frame Vì trục Yphải chịu tải trọng của bàn gá phôi và phôi nên đòi hỏi thân máy có kết cấu chắcchắn, khỏe Đặc biệt là 2 trục của 2 vai máy phải chịu tải trọng tốt.

- Máy có thể gia công được vật liệu cứng và yêu cầu độ chính xác Để chế tạolàm mô hình máy CNC với cấu trúc máy như này việc lựa chọn nhôm định hình cóthể khả thi khi lựa chọn vật liệu mềm để gia công.

- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc H-frame:+ Thanh ngang và 2 cột

+ Điểm kết nối giữa thanh ngang và cột+ Phần đáy của khung máy

- Các điểm phân bố lực chính ở dạng cấu trúc Router:+ Bàn gia công

+ Thanh trượt

X+

 Ưu điểm:

- Khả năng gia công vật liệu mềm nhanh chóng.

- Độ chính xác cao khi gia công vật liệu phẳng khi khung có thiết kế vững chắcvà độ sai số của máy là ít nhất.

 Nhược điểm:

- Chỉ khả thi khi gia công vật liệu mềm Tuy nhiên vẫn có thể gia công được vậtliệu cứng nhưng sẽ không bền máy và tốn thời gian gia công vì dao cắt không sâu.

- Khả năng sai số cộng dồn lớn do cộng dồn trên cả ba trục.

Kết luận: Với mục đích sử dụng mô hình thí ngiệm, và thử nghiệm phay

board mạch điện tử và vật liệu mềm nên nhóm tác giả chọn cấu trúc máy Router vìkiểu máy có hành trình chạy đáp ứng với các vật liệu có biên dạng lớn và không yêucầu độ chính xác khi gia công quá cao.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy công cụ điều khiển bằng chương trìnhsố.

- Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm (nhôm, gỗ), mạchđiện tử, mica hoạt động ổn định.

- Hành trình của máy 160x270x60 mm, kết cấu ổn định chắc chắn khi làm việc

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy CNC mini

- Nghiên cứu tính toán phần điện, điều khiển, ứng dụng bộ điều khiển hiện đại.- Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu truyền động của máy

- Nghiên cứu phần mềm giao tiếp, hỗ trợ gia công CNC

1.5 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết

- Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến động cơ DC, động cơ bước, động cơservo

- Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau: đồ án khóa trước, tài liệu trongsách, trên mạng internet,

- Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động đảm bảo độ chínhxác, tối ưu hóa chuyển động.

- Tìm hiểu về thuật toán điều khiển giảm sai số khi in.

- Phân tích và so sánh sản phẩm: Phân tích và so sánh máy CNC mini vớicác sản phẩm tương tự trên thị trường để đánh giá sự khác biệt về tínhnăng, hiệu suất và giá cả.

- Thực nghiệm thực địa: Thực hiện các thử nghiệm và thử nghiệm trên máyCNC mini để đánh giá hiệu suất, độ chính xác, độ tin cậy và tính năng của máy.Điều này có thể bao gồm việc thực hiện các quy trình gia công cụ thể và đánh giákết quả.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY GIA CÔNG CNC MINI 3 TRỤC 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy CNC mini 3 trục

2.1.1 Cấu tạo của máy CNC mini 3 trục

Hình 2.6 Cấu trúc chung của máy CNC

Hình 2.7 Minh họa khung máy

Khung máy đóng vai trò quan trọng trong hệ thống gia công Được gia công từcác vật liệu bền chắc như thép hợp kim hoặc nhôm, với cấu trúc được thiết kế đặcbiệt để đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình làm việc Khung máy CNCcó thể được xây dựng theo các kiểu dáng khác nhau tùy theo mục đích của người sửdụng, mỗi loại mang lại những ưu điểm riêng Khung giúp bảo vệ và giữ chặt vậtliệu và công cụ gia công, giúp máy hoạt động mạnh mẽ và an toàn.

Hình 2.8 Minh họa bàn máy

- Là nơi để gá đặt các chi tiết gia công, còn gọi là đồ gá Bàn máy thường dichuyển ngang sang trái, phải (theo trục x) và di chuyển dọc (theo trục y) Tùy từngloại máy mà bàn máy sẽ di chuyển và trục chính đứng yên hoặc ngược lại.

- Các doanh nghiệp khi mua máy nên quan tâm kích thước của bàn máy cũngnhư trọng tải tối đa của nó để chọn loại phù hợp với phôi cần gia công.

2.1.3 Trục chính

Hình 2.9 Minh họa trục chính

Trục chính hay còn gọi là trục Spindle là thành phần có tính quyết định nhấttrong máy CNC Đảm bảo độ chính xác và có thể đoán trước được năng suất của

trục chính sẽ mang các dụng cụ cắt khác nhau Có tốc độ phay, cắt khác nhau, vìvậy mà trục chính sẽ quyết định sản phẩm mà máy CNC có thể thực hiện được, chấtlượng sản phẩm và vật liệu sản phẩm máy có thể phay, cắt.

2.1.4 Đế máy

Hình 2.10 Minh họa đế máy

Trong cấu tạo của máy CNC thì đế máy rất quan trọng Đế máy là nền tảngtrung tâm của máy vì vậy cần có độ nặng, kết cấu tốt và cực kì chắc chắn Đế máychịu toàn bộ khối lượng của máy, đồng thời là mặt phẳng ngang giúp các trục máyhoạt động thẳng Khi hoạt động, tùy theo công suất của máy CNC mà chuyển độngcủa các trục sẽ làm rung lắc thân máy, vì vậy, một đế máy có kết cấu chắc chắn sẽgiúp giảm đi độ rung của máy CNC khi hoạt động Thông thường, các máy CNC sẽcó đế máy là khối kim loại chắc chắn.

2.1.5 Vít me bi và đai ốc

- Máy CNC mini thường được sử dụng trong các ứng dụng gia công nhỏ và phổthông, vì vậy việc chọn loại vít me đai ốc phù hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu suấtvà độ chính xác của máy

- Độ chính xác cao: Vít me đai ốc bi thường có độ chính xác cao hơn so với vítme đai ốc thường Điều này là do hệ thống bi giúp giảm ma sát và giữ cho chuyểnđộng của trục diễn ra mượt mà hơn, đồng thời giảm được sự lệch lạc trong quá trìnhdi chuyển.

- Độ chính xác duy trì lâu dài: Vì không có tiếp xúc trực tiếp giữa vít và bạcđạn, vít me đai ốc bi ít bị mài mòn hơn và có thể duy trì độ chính xác cao hơn trongthời gian sử dụng

- Độ ổn định và hiệu xuất: Hệ thống bi giúp phân bố tải trọng đồng đều hơn trêntoàn bộ vít, giúp tăng cường độ ổn định và độ bền của máy CNC

Kết luận : Do đó nhóm tác giả chọn vít me ốc bi

- Vít me bi (ballscrews) là một bộ truyền động tuyến tính cơ học, biến đổichuyển quay sang chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ Một trục vít me cấu tạogồm rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong Ổ bi hoạt độngbằng cách chuyển động tịnh tiến quá lại một cách chính xác Hình … cho thấy cấutạo bên trong của một vít me bi.

Hình 2.11 Vít me bi và đai ốc

Hình 2.12 Trục vít me và đai ốc

- Vít me bi và đai ốc có một đường lấp đầy bởi những viên bi thép Khi trục vítme xoay, những viên bi được cuộn tròn trong mối ren của trục vít và đai ốc, làm đaiốc di chuyển.

- Vít me bi và đai ốc là bộ phận truyền động trong máy CNC, có tác dụng kéotrục chính di chuyển theo hướng máy hoạt động.

- Nguyên lý hoạt động của vít me, đai ốc: Trục vít me đai ốc được hoạt độngdựa trên sự biến đổi chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển động tuyếntính Cụ thể, khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi có sự đổi hướng rồi đi vào ốnghồi bi Ở vị trí đó, các viên bi có thể di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc vàra khỏi ống hồi bi rồi đi vào rãnh đai ốc và vít me, đem lại những chuyển động trơntru, liên tục, chính xác.

2.1.6 Dụng cụ cắt

Hình 2.13 Dụng cụ cắt

- Dao là dụng cụ cắt được dùng để gia công Khi sử dụng dao cho máy CNC,cần sử dụng các loại dao chất lượng cao nhằm giảm rung động và đảm bảo độ chínhxác cho chi tiết gia công Tùy theo từng loại vật liệu sẽ có các loại dao cắt khácnhau phù hợp Lựa chọn sai dao sẽ làm hư hỏng sản phẩm và máy CNC.

2.1.7 Nguyên lí hoạt động máy CNC

- Chuyển Đổi Thiết Kế Sang Mã G-code: Quá trình bắt đầu với việc sử dụngphần mềm CAD/CAM để tạo ra một mô hình hoặc bản vẽ kỹ thuật của sản phẩmcần gia công Mô hình này sau đó được chuyển đổi sang các lệnh G-code, ngôn ngữlập trình mà máy CNC hiểu được, thông qua phần mềm CAM.

- Điều Khiển Động Cơ và Trục: Mã G-code được truyền đến bộ điều khiển củamáy CNC, nơi nó được giải mã và thực hiện Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh động cơvà di chuyển các trục (X, Y, Z) theo các lệnh cụ thể trong mã G-code, đảm bảo vị trívà đường đi chính xác của công cụ cắt hoặc khoan.

- Gia Công Vật Liệu: Công cụ cắt hoặc khoan được điều khiển bởi các động cơchính xác, thực hiện các thao tác cắt và gia công trên vật liệu Quá trình này đượckiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sự chính xác và đồng đều của sản phẩm cuối cùng.

- Kiểm Tra và Điều Chỉnh: Trong quá trình gia công, máy CNC có thể đượcthiết kế để tự động kiểm tra và điều chỉnh độ chính xác của quá trình, sử dụng cáccảm biến và hệ thống phản hồi Điều này đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng đáp ứngcác yêu cầu kỹ thuật và chất lượng.

- Hoàn Thành Sản Phẩm: Khi quá trình gia công hoàn thành, sản phẩm cuốicùng sẽ được tháo ra khỏi máy và được kiểm tra chất lượng trước khi đưa vào sửdụng hoặc gia công tiếp theo

2.2 Phần mềm và giải pháp điều khiển máy CNC

2.2.1 Phần mềm điều khiển máy CNC

2.2.1.1 Phần mềm điều khiển CNC Mach3

Mach3 CNC hiện là chương trình phổ biến nhất được sử dụng để điều khiểnmáy CNC Nhờ rất phong phú về tính năng, phần mềm mang lại giá trị lớn cho cảngười dùng thương mại và phi thương mại Nó đi kèm với một tập hợp các tínhnăng bổ sung, chẳng hạn như: điều khiển tốc độ trục chính, điều khiển nhiều rơle,tạo xung thủ công, khả năng màn hình cảm ứng, đủ điều kiện toàn màn hình.

Hình 2.14 Giao diện Mach3

2.2.1.2 Phần mềm điều khiển CNC Mach4

Mach4 CNC là phiên bản mới nhất của phần mềm điều khiển chuyển độngCNC của ArtSoft Newfangled Solutions Mach4 được viết để có khả năng mở rộng,linh hoạt và cực kỳ phản hồi ngay cả với các tệp có dung lượng lớn nhất Mặc dùchỉ có một phiên bản Mach3 nhưng Mach4 có nhiều phiên bản khác nhau Nó cótính mô-đun, cho phép phát triển và mở rộng các tính năng nhanh hơn.

Hình 2.15 Giao diện Mach4

2.2.1.3 Phần mềm điều khiển CAM SheetCAM TNG

- Phần mềm CAM SheetCAM TNG là một phần mềm chi phí thấp, đơn giảnnhưng rất chức năng, hoạt động hoàn hảo như một trình tạo quỹ đạo, ví dụ như trìnhtạo mã G cho hình dạng cắt Chương trình này phù hợp cho việc cắt plasma, phay,định tuyến, cắt tia nước, laser và oxy-nhiên liệu.

- Phần mềm SheetCAM TNG cho phép ngay cả những người vận hành thiếukinh nghiệm cũng có thể tạo mã G, chia nhỏ toàn bộ quy trình thành một vài bướcdễ nhớ Mã G được tạo bằng chương trình không có thông số cắt, khiến chúng cóthể di chuyển từ máy này sang máy khác và giữa các loại kim loại tấm cắt khácnhau Phần mềm SheetCAM TNG sử dụng bảng tham số tích hợp để hỗ trợ việctham số hóa quá trình cắt diễn ra trực tiếp trên máy, trong phần mềm điều khiểnsimCNC.

Hình 2.16 Giao diện CAM SheetCAM TNG

2.2.1.4 Phần mềm điều khiển LinuxCNC

- Đây là phần mềm điều khiển được phát triển bằng nền tảng Linux nguồn mởvà do đó là phần mềm CNC miễn phí LinuxCNC đã có từ rất lâu và được sử dụngđể phát triển các phần mềm khác như phần mềm Mach 3 trong danh sách này Nócó thể điều khiển tới chín trục cùng một lúc Tuy nhiên, giao diện USB không đượckhuyến khích vì giao tiếp USB truyền lệnh chậm hơn so với cổng song song.LinuxCNC chỉ có thể chạy trên PC có cài đặt hệ điều hành Linux và yêu cầu hệthống thấp Nó sử dụng cổng song song trên máy tính của bạn để giao tiếp với máyCNC của bạn Bạn cũng có thể sử dụng cổng ethernet để kết nối máy của mìnhthông qua bảng đột phá ethernet (bảng phổ biến nhất là của Mesa).

Hình 2.17 Giao diện LinuxCNC

- Giống như Mach3, LinuxCNC chuyển đổi PC chủ thành bộ điều khiển chuyểnđộng và không nhất thiết phải có bảng đột phá Tuy nhiên, việc sử dụng thẻ ethernet(chẳng hạn như mesa) giúp tạo bước phần cứng và đếm bộ mã hóa thay vì chỉ sửdụng cáp cổng song song LinuxCNC có một cộng đồng trực tuyến rộng lớn và bảnthân phần mềm này có tính năng giống như diễn đàn cho phép bạn đăng câu hỏi chonhững người dùng khác trên toàn cầu Nó có giao diện người dùng đồ họa có khảnăng tùy biến cao và hỗ trợ các thiết bị giao diện màn hình cảm ứng và bộ điềukhiển mặt dây chuyền.

Kết luận : Qua việc tìm hiểu nhóm tác giả đã lựa chọn phần mềm Mach3 vì

- Giao diện người dùng dễ sử dụng: Mach3 có một giao diện người dùng trựcquan và dễ sử dụng, giúp người dùng mới bắt đầu có thể nhanh chóng làm quen vàsử dụng phần mềm một cách hiệu quả.

- Tính linh hoạt và mở rộng: Mach3 cung cấp nhiều tính năng mở rộng và pluginđể tùy chỉnh và mở rộng khả năng của phần mềm Điều này cho phép người dùngtùy chỉnh Mach3 theo nhu cầu cụ thể của họ và tích hợp các chức năng mở rộng từbên thứ ba.

- Phổ biến trong cộng đồng: Mach3 đã tồn tại trong một thời gian dài và đã trởthành một phần mềm điều khiển CNC phổ biến trong cộng đồng CNC Điều này cónghĩa là có nhiều tài liệu học tập, video hướng dẫn và sự hỗ trợ từ cộng đồng ngườidùng.

- Tính ổn định và tin cậy: Mach3 đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụngCNC khác nhau và đã được thử nghiệm qua thời gian, đảm bảo tính ổn định và tincậy trong quá trình hoạt động của máy CNC.

2.2.2 Giới thiệu phần mềm Vectrics Aspire 9.5

- Vectric Aspire là một phần mềm chuyên dụng được thiết kế để tạo và xử lýcác mô hình 3D và các công việc gia công CNC Với giao diện trực quan và tínhlinh hoạt cao, Aspire cho phép người dùng tạo ra các mô hình phức tạp, từ đơn giảnđến rất chi tiết, và sau đó chuyển chúng thành các lệnh gia công CNC cho máyrouter, máy cắt plasma, máy laser và nhiều loại máy CNC khác.

- Các tính năng chính của Aspire bao gồm:

 Thiết kế 2D và 3D: Cho phép người dùng tạo ra các mô hình phức tạp từ cáchình ảnh, vector hoặc dữ liệu 3D đầu vào.

 Mô phỏng và xem trước: Cho phép người dùng xem trước cách mô hình sẽđược gia công trên máy CNC trước khi thực hiện thực sự, giúp tránh lãng phívật liệu và thời gian.

 Điều chỉnh và chỉnh sửa: Aspire cung cấp nhiều công cụ để chỉnh sửa vàtinh chỉnh mô hình, bao gồm cả việc thêm hoặc xóa chi tiết, cắt, xoay và cogiãn.

 Gia công CNC: Tạo ra các lệnh gia công chính xác cho máy CNC, bao gồmcả các lệnh cắt, khoan và đục.

 Hỗ trợ đa dạng các loại máy CNC: Aspire có thể xuất các lệnh gia công chonhiều loại máy CNC khác nhau, từ máy router đến máy cắt plasma và máylaser.

 Với khả năng tạo ra các sản phẩm chất lượng cao và tối ưu hóa quy trình làmviệc, Vectric Aspire đã trở thành một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệpgia công gỗ, kim loại và nhiều lĩnh vực sáng tạo khác.

Các bước chuyển đổi file mạch in PCB sang G-code:

- Để chuyển đổi một dự án trong Vectric Aspire 9.5 sang file G-code, ta có thể

làm các bước như sau:

Bước 1: Chuyển đổi từ PDF sang BMP: Sử dụng một phần mềm chuyển đổi

PDF sang BMP như Adobe Photoshop hoặc các công cụ trực tuyến miễn phí nhưSmallpdf hoặc Zamzar để chuyển đổi trang từ PDF sang tệp BMP

Hình 2.18 Giao diện Photoshop

Bước 2 : Nhập tệp BMP vào Vectric Aspire

- Mở Vectric Aspire và tạo một dự án mới.

Hình 2.19 Giao diện dự án mới trong Vetric Aspire

- Nhấp vào tab "File" và chọn "Import" để chọn tệp BMP mà bạn vừa chuyểnđổi Sau khi tệp được nhập, nó sẽ xuất hiện trong không gian làm việc của Aspire.

Bước 3: Tạo các lệnh gia công (Toolpaths)

- Nhấn vào thanh Toolpaths ở góc bên phải màn hình

Hình 2.20 Các lệnh gia công trong Toolpaths

- Sử dụng các công cụ và tính năng trong tab "Toolpaths" để tạo các lệnh giacông cho mô hình hoặc hình ảnh bạn đã nhập Đảm bảo rằng bạn cấu hình các thôngsố gia công phù hợp với vật liệu và dụng cụ cắt bạn đang sử dụng.

Bước 4 : Xem trước và kiểm tra

- Sử dụng tính năng xem trước để kiểm tra cách mà các lệnh gia công sẽ đượcáp dụng vào mô hình hoặc hình ảnh của bạn trên máy CNC.

Hình 2.21 Kiểm tra trong phần mềm Aspire

Bước 5 : Xuất tệp G-code

- Sau khi xem và kiểm tra xem mô hình , nhấp vào nút "Save Toolpaths" trongtab "Toolpaths" Chọn vị trí lưu và đặt tên cho tệp G-code của bạn và nhấp vào"Save".

- Với các bước này, ta sẽ có một tệp G-code sẵn sàng để chạy trên máy CNCcủa bạn để gia công mô hình hoặc hình ảnh đã nhập vào Vectric Aspire từ tệp BMP.

2.2.3 Giải pháp điều khiển máy CNC

Hình 2.22 Xuất file G-code

2.2.3.1 Động cơ bước

Hình 2.23 Động cơ bước

- Khái niệm: Động cơ bước (Stepper motor) là một loại động cơ điều khiểnbằng cách điều chỉnh dòng điện đi qua các cuộn dây trong đó để tạo ra các bướcnhất định của vòng quay Điều này làm cho động cơ bước có khả năng kiểm soát vịtrí và tốc độ mà không cần sử dụng các cảm biến phản hồi như encoder.

- Ưu điểm :

 Độ chính xác cao. Khả năng giữ vị trí.

 Không cần hồi phản biểu dựa trên cảm biến Độ tin cậy cao

 Độ linh hoạt trong việc điều khiển Giá thành hợp lý

2.2.3.2 Động cơ servo

Hình 2.24 Động cơ servo

- Khái niệm: Động cơ servo là một loại động cơ điện có khả năng cung cấpchuyển động chính xác và kiểm soát vị trí dựa trên các tín hiệu điều khiển được đưavào Điều này đạt được thông qua việc sử dụng một hệ thống phản hồi, thường làmột bộ mã hóa (encoder), để liên tục giám sát và điều chỉnh vị trí của rotor.

- Ưu điểm:

 Độ chính xác cao Khả năng giữ vị trí tốt Khả năng điểu chỉnh lực Tính linh hoạt trong vận hành

 Tương thích hệ thống điều khiển phức tạp Tuổi thọ cao

- Nhược điểm: Chi phí cao

 Phức tạp trong lắp đặt và cấu hình Yêu cầu nguồn điện ổn định Khả năng phản ứng chậm- Ứng dụng:

 Máy CNC

 Thiết bị tự động hóa Máy in

2.2.3.3 Động cơ DC

Hình 2.25 Động cơ DC

- Khái niệm: Động cơ DC (Direct Current) là một loại động cơ điện được cấpđiện bằng dòng điện một chiều Cấu tạo cơ bản của động cơ DC bao gồm một cặpcực nam châm cố định (stator) và một rotor quay Khi dòng điện được đưa vào cáccuộn dây trong stator, nó tạo ra một từ trường từ các cực nam châm này Sự tươngtác giữa từ trường này và từ trường của rotor sẽ tạo ra một lực tác động lên rotor,đẩy nó quay theo hướng xác định.

- Ưu điểm:

 Dễ điều khiển Tính linh hoạt  Phản ứng nhanh- Nhược điểm:

 Độ tuổi thọ của chổi than không cao Tiêu hao năng lượng

 Thiết bị văn phòng và đồ điện tử

Kết luận : Nhóm tác giả chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động các trục tọa độ

- Chi phí thấp: Động cơ bước thường có giá thành thấp hơn so với các loại

động cơ khác như động cơ servo Điều này giúp giảm tổng chi phí sản xuấtmáy CNC mini.

- Dễ vận hành: Động cơ bước dễ cài đặt và vận hành Chúng chỉ đơn giản làđiều khiển một số bước chính xác thông qua các xung điều khiển.

- Độ chính xác tương đối cao: Mặc dù không thể so sánh với độ chính xác củađộng cơ servo, động cơ bước vẫn cung cấp một mức độ chính xác đủ chonhiều ứng dụng CNC mini.

- Khả năng chịu tải tốt: Động cơ bước thường có khả năng chịu tải tốt, đặc biệtlà trong các ứng dụng vận hành ở tốc độ thấp đến trung bình.

- Ổn định và ít bị biến dạng: Trong các ứng dụng nhỏ và trung bình, động cơbước thường cung cấp độ ổn định cao và ít bị biến dạng do tải động học.

Giới thiệu về động cơ bước:Cấu tạo

Hình 2.26 Cấu tạo của động cơ bước

- Động cơ bước có cấu tạo như sau:

 Rotor là một dãy các lá nam châm vĩnh cữu được xếp chồng lên nhaumột cách cẩn thận Trên các lá nam châm này lại chia thành các cặp cựcxếp đối xứng nhau.

 Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây.

Phân loại động cơ bước

- Phân loại dựa vào số pha của động cơ :

 Động cơ bước 2 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước khoảng 1.8 độ. Động cơ Step 3 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước là 1.2 độ. Động cơ Step 5 pha sẽ tương ứng với góc bước là 0.72 độ.- Phân loại động cơ bước dựa vào rotor :

 Động cơ bước có rotor được làm bằng dây quấn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu.

 Động cơ bước thay đổi từ trở Đây là 1 loại động cơ có roto không được tác động nhưng lại có phần tử cảm ứng.

- Phân loại tùy thuộc vào cực của động cơ Động cơ bước đơn cực.

 Động cơ bước lưỡng cực.