tính toán thiết kế máy phay gỗ cnc 3d phay gỗ tre

[ CITATIONEdw16 \l 1033 ] Máy CNC được phân loại theo hệ thống điều khiển của nó:  Theo hệ điều khiển điểm-điểm: Hay còn được gọi là điều khiển theo vị trídùng để gia công các lỗ bằng p

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HCMĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA CƠ KHÍ-THIẾT KẾ MÁY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHAY GỖ CNC 3D PHAY GỖ TRE

SVTH: Lưu Phát TàiLớp: CK14KTKMSSV: 1413361

GVHD: GS TS Nguyễn Thanh Nam

Tháng 05/2019

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp, gặp nhiều khó khăn về cả tàiliệu, tính toán và thiết kế nhờ có sự giúp đỡ quan tâm và hướng dẫn nhiệt tình của thầyhướng dẫn, sự động viên, giúp đỡ từ bạn bè và người thân, em mới có thể hoàn thànhđược luận văn tốt nghiệp này đúng thời hạn

Vì vậy lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành của em đến thầy của hướngdẫn của mình là thầy GS TS Nguyễn Thanh Nam, sau đó em cũng muốn cảm ơn chânthành tới tất cả các thầy cô đã dạy em từ trước đến nay trong đó có các thầy cô đại cương,thầy cô Bộ môn Khoa cơ khí và khoa Kỹ thuật cơ khí-Thiết kế máy nói riêng đã trang bịcho em các kiến thức chuyên môn và kĩ năng cần thiết để hoàn thành luận văn này và cảsau khi đi làm thực tế

Sau cùng em xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ em trongsuốt quá trình làm đề tài luận văn này

Sinh viên thực hiện

Lưu Phát Tài

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 :NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 3D PHAY GỖ TRE 3

1.1 Giới thiệu sơ lược về máy CNC phay gỗ 3

1.2 Kết cấu cơ khí của một máy phay CNC 3D phay gỗ 7

1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 13

1.4 Nghiên cứu ngoài nước và nghiên cứu trong nước 17

1.5 Các vấn đề cần giải quyết và định hướng nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY CNC 3D PHAY GỖ THEO MÔĐUN 23

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động học, động lực học máy CNC 3D phay gỗ 23

2.1.1 Tính lực cắt và các thông số cắt 23

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế máy CNC 3D phay gỗ 28

2.2.1 Phương án truyền động trong máy CNC 28

2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích máy CNC 3D phay gỗ theo môđun 33

2.3.1 Thiết kế sản phẩm theo hướng môđun hóa 33

2.4 Thiết kế theo môđun 39

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ54 3.1 Phân tích chức năng cho máy 54

3.2 Các phương án thiết kế 55

3.3 Đánh giá và chọn phương án 61

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO MÔĐUN CHO MÁY CNC 3D PHAY GỖ 65

4.1 Phân môđun cho máy CNC 3D phay gỗ 65

4.1.1 Phân tích yêu cầu sản phẩm 65

4.1.2 Phân tích sản phẩm 66

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHO MÁY 82

5.1 Tính toán động lực học của máy phay gỗ CNC 3D 82

5.1.1 Lực cắt dùng trong phay 82

5.1.2 Tính toán chọn động cơ 83

5.2 Tính toán truyền động vít me – đai ốc 84

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN 87

6.1 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 87

6.1.1 Cụm trục Z 87

6.1.1.1 Chọn vít - đai ốc bi 87

6.1.1.2 Ray trượt vuông 90

6.1.1.3 Tính khớp nối 93

6.1.1.4 Tính ổ lăn 94

6.1.2 Cụm trục X 97

6.1.2.1 Vít - đai ốc bi 97

6.1.2.2 Ray trượt vuông 99

6.1.2.3 Tính khớp nối 102

6.1.2.4 Tính ổ lăn 103

6.1.3 Cụm trục Y 105

6.1.3.1 Vít - đai ốc bi 105

6.1.3.2 Ray trượt vuông 108

6.1.3.3 Tính khớp nối 111

6.1.3.4 Tính ổ lăn 112

6.1.4 Khung máy, bàn máy 115

6.1.4.1 Bàn máy 115

6.1.4.2 Khung máy 116

6.2 Động cơ khắc cho cụm trục chính 118

6.3 Vấu kẹp gá đặt phôi gia công 119

6.4 Điều khiển 120

6.4.1 Động cơ STEP 121

6.4.2 Driver điều khiển động cơ 124

6.4.3 Mạch điều khiển 127

6.4.4 Biến tần (Inverter) 131

6.4.5 Các bộ phận còn lại trong mạch điều khiển 133

6.4.5.1 Công tắc hành trình và nút tắt khẩn cấp 133

6.4.5.2 Nguồn nuôi mạch điều khiển và quạt tản nhiệt 135

6.5 Phần mềm điều khiển 136

KẾT LUẬN 154

TÀI LIỆU THAM KHẢO 159

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 1: Các loại máy CNC 3

Hình 1 2: Các trục máy CNC phay gỗ [2] 4

Hình 1 3: Sản phẩm với hình dạng phức tạp 6

Hình 1 4: Cấu tạo của trục spindle 9

Hình 1 5: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router 9

Hình 1 6: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông 10

Hình 1 7: Vít me đai ốc bi 10

Hình 1 8: Vít me đai ốc thường 11

Hình 1 9: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC [4] 13

Hình 1 10: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần mềm [4] 14

Hình 1 11: Điều khiển chu trình hở [4] 15

Hình 1 12: Điều khiển chu trình nửa kín [4] 16

Hình 1 13: Điều khiển chu trình kín [4] 16

Hình 1 14: Điều khiển chu trình hỗn hợp [4] 17

Hình 1 15: Các dòng máy CNC của BKMech 20

Hình 2 1: Các trường hợp phay khác nhau của phay mặt 24

Hình 2 2: Quá trình cắt gọt vuông góc dưới góc nhìn 3 chiều và góc nhìn 2 chiều 25

Hình 2 3: Các lực cắt gọt trong kim loại 26

Hình 2 4: Mô hình liên hệ giữa các lực cắt 27

Hình 2 5: Chuyển động phay của dao phay ngón 28

Hình 2 6: Truyền động vít - đai ốc bi bi 30

Hình 2 7: Sơ đồ để xác định khe hở hướng tâm 31

Hình 2 8: Sơ đồ để xác định khả năng tải 31

Hình 2 9: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất 33

Hình 2 10: Quá trình thiết kế trình tự [9] 35

Hình 2 11: Quy trình phát triển đồng thời/tích hợp [9] 36

Hình 2 12: Quy trình phát triển sản phẩm chung [9] 36

Hình 2 13: Ngôi nhà chất lượng [9] 40

Hình 2 14: Ví dụ cho các đối tượng chức năng [9] 41

Hình 2 15: Ví dụ cho các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm [9] 42

Hình 2 16: Sơ đồ chức năng - kết cấu [9] 43

Hình 2 17: Sơ đồ chức năng [9] 44

Hình 2 18: Sơ đồ cấu trúc của danh mục cấp độ hệ thống 45

Hình 2 19: Ví dụ tác động của SLS và GFR 46

Hình 2 20: Công thức và ma trận chỉ số tương tự [9] 47

Hình 3 1: Sơ đồ chức năng chung của máy 54

Hình 3 2: Sơ đồ chức năng con của các chức năng chung 54

Hình 3 3: Sơ đồ sắp xếp các chức năng con của máy 55

Hình 3 4: Ray trượt vuông và ray trượt tròn 57

Hình 3 5: Phương án 1 58

Hình 3 6: Phương án 2 59

Hình 3 7: Sơ đồ động 63

Hình 3 8: Sơ đồ liên hệ chức năng kết cấu 64

Hình 4 1: Sơ đồ phân tích kết cấu của máy phay gỗ CNC 3D 66

Hình 4 2: Sơ đồ dòng chức năng tổng thể của máy phay gỗ CNC 3D 67

Hình 4 3: Sơ đồ dòng chảy chức năng cho các bộ phận của máy phay gỗ CNC 3D 67

Hình 4 4: Sơ đồ đặc tính kỹ thuật hệ thống SLS 68

Hình 4 5: Môđun chức năng của máy 79

Hình 4 6: Môđun kết cấu của máy 79

Hình 4 7: Môđun tổng hợp của máy 80

Hình 6 1: Sơ đồ động thể hiện các cụm trục X, Y, Z 87

Hình 6 2: Kích thước rãnh chữ T 116

Hình 6 3: Động cơ Spindle GDZ65F-800 118

Hình 6 4: Gối đỡ dạng bước 119

Hình 6 5: Kẹp dây dạng bước 119

Hình 6 6: Sơ đồ giải thuật điều khiển máy phay gỗ CNC 3D 121

Hình 6 7: Driver TB6600 125

Hình 6 8: Bộ biến đổi nguồn DC S400-24 126

Hình 6 9: Sơ đồ đấu dây Driver TB6600 và động cơ STEP 127

Hình 6 10: Mạch điều khiển ST-V2 128

Hình 6 11: Sơ đồ mạch điều khiển ST-V2 129

Hình 6 12: Sơ đồ đấu dây giữa Driver TB6600 và mạch điều khiển ST-V2 130

Hình 6 13: Biến tần BEST 132

Hình 6 14: Sơ đồ đấu dây biến tần vào mạch điều khiển 133

Hình 6 15: Công tắc hành trình WLCA2 134

Hình 6 16: Sơ đồ đấu dây công tắc hành trình và nút tắt khẩn cấp vào mạch điều khiển 134

Hình 6 17: Sơ đồ đấu dây nguồn nuôi và quạt 135

Hình 6 18: Giao diện phần mềm Mach3 137

Hình 6 19: Các chức năng của phần mềm MACH3 138

Hình 6 20: Giao diện thêm dữ liệu bằng tay của phần mềm MACH3 139

Hình 6 21: Giao diện sử dụng dao cắt 140

Hình 6 22: Các ngõ xuất nhập của MACH3 141

Hình 6 23: Cài đặt cổng cho động cơ STEP 141

Hình 6 24: Cài đặt các ngõ tín hiệu 142

Hình 6 25: Giao diện của Load Wizards 143

Hình 6 26: Giao diện phay pocket tròn 144

Hình 6 27: Giao diện phay cung tròn 145

Hình 6 28: Giao diện phay đường tròn 146

Hình 6 29: Giao diện phay then và bánh răng 147

Hình 6 30: Cụm trục khắc chính 148

Hình 6 31: Lắp ráp cụm trục Z 148

Hình 6 32: Lắp ráp cụm trục X 149

Hình 6 33: Lắp ráp cụm trục Y 150

Hình 6 34:Lắp ráp các chi tiết vào bàn máy T và thân máy 150

Hình 6 35: Kết cấu tổng thể của máy phay gỗ CNC 3D 151

Hình 6 36: Mô phỏng chuyển đọng trục Z từ trên đi xuống 151

Hình 6 37: Mô phỏng chuyển động của trục X đi từ trái sang phải 152

Hình 6 38: Mô phỏng chuyển động trục Y đi từ xa lại gần 152

Hình 6 39: Mô phỏng chuyển động đồng thời 3 trục X, Y, Z 153

DANH MỤC BẢ

Bảng 3 1: Ma trận quyết định phương án [10] 61Y

Bảng 4 1: Mối quan hệ giữa các bộ phận chi tiết về đặc điểm cấu trúc vật lý và chức

năng 70

Bảng 4 2: Bảng quan hệ giữa đặc tính kỹ thuật cấp độ hệ thống và yêu cầu chức năng chung 74

Bảng 4 3: Ma trận tương đồng chức năng 76

Bảng 4 4: Ma trận tương đồng kết cấu 76

Bảng 4 5: Ma trận tổng hợp 77

Bảng 4 6: Bảng phân cụm để mua sắm và chế tạo 8 Bảng 5 1: Tốc độ ăn vật liệu (m/phút) cho quá trình phay tốt f=0,3mm và phay trung bình với f=0,8mm 83

Bảng 5 2: Bảng thông số kích thước sơ bộ của vít me – đai ốc 8 Bảng 6 1: Bảng chọn cấp chính xác vít - đai ốc bi 88

Bảng 6 2: Thông số kích thước của vít me trục Z 90

Bảng 6 3: Bảng thông số hình học của ray trượt trục Z 93

Bảng 6 4: Tổng hợp chi tiết của cụm trục Z 96

Bảng 6 5: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục X 99

Bảng 6 6: Thông số ray trượt trục X 102

Bảng 6 7: Tổng hợp chi tiết của cụm trục X 105

Bảng 6 8: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục Y 114

Bảng 6 9: Thông số kích thước ray trượt vuông trục Y 114

Bảng 6 10: Tổng hợp các chi tiết của cụm trục Y 114

Bảng 6 11: Thông số kích thước gối đỡ bước SSB-150-35 119

Bảng 6 12: Thông số kích thước của kẹp dây bước SSSC-12-150 120

MỞ ĐẦUĐẶT VẤN ĐỀThế giới, đặc biệt là trong thập kỷ vừa qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triểnmạnh mẽ của các nghành công nghệ kĩ thuật nói chung và ngành sản xuất lâm nghiệp nóiriêng Đặc biệt là về sản xuất đồ gỗ, sản xuất đồ nội thất, chỉ riêng trong năm 2012, việcsản xuất đồ gỗ toàn cầu tăng hơn 60% so với 10 năm trước đây Vào năm 2010, lần đầutiên trong lịch sử, thị phần sản xuất của các nước thu nhập thấp và trung bình chiếm hơnnữa tổng lượng đồ gỗ thế giới, ở mức 59% trong khi các nước thu nhập cao chiếm 41%tổng lượng Nguyên nhân chủ yếu là do các nước đang phát triển, các nhà cùng cấp trongnước gia tăng sản xuất nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng trong thịtrường nội địa Ngoài ra còn có sự đầu tư từ các thị trường kinh tế phát triển, nhưng chủyếu là do các nước tập trung vào đầu tư các nhà máy sản xuất mới nhằm mục đích thúcđẩy xuất khẩu

Tại Việt Nam, trong vòng 10 năm trở lại đây, nghành công nghiệp sản xuất chếbiến gỗ tại Việt Nam đã có bước phát triển nhảy vọt Từ năm 2007, kim ngạch xuất khẩuchỉ có 2,3 tỉ USD thì đến năm 2017 đã tăng lên hơn 8 tỉ USD, gấp 2,7 lần Trong đóngành chế biến gỗ và lâm sản xuất khẩu đã trở thành nghành hàng xuất khẩu, đóng gópquan trọng đối với nền kinh tế của đất nước (giá trị xuất siêu đạt 73% giá trị xuất siêutoàn quốc) Nhờ vậy, Việt Nam đã trở thành nước đứng thứ 5 trên thế giới, đứng thứ 2châu Á và lớn nhất Đông Nam Á về xuất khẩu gỗ Do vậy ta mới thấy được nhu cầu khaithác gỗ là lớn và quan trọng đến mức nào nhưng nguồn gỗ tự nhiên là có hạn và ngàycàng cạn kiệt, vì vậy nhu cầu tìm ra một sản phẩm thay thế là vô cùng cấp bách do đó sảnxuất ván gỗ nhân tạo là hướng ưu tiên hiện nay để giải quyết vấn đề nguyên liệu chế biếncác sản phẩm gỗ

Trong lúc nhu cầu cấp thiết và quan trọng như vậy, nổi lên một loại ván gỗ nhântạo với các ưu thế là rẻ, bền, đẹp không kém với các loại ván gỗ thông thường nhưngđược làm từ nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam, lại ít được quan tâm đó là ván gỗ tre Vớitổng lượng khai thác tre lồ ô và chế biến hàng năm khoảng 106,600 tấn, trong đó tỷ lệ phếthải chung của các phân xưởng chế biến vào khoảng 30% Tính ra, tổng lượng dăm tre

phế thải hàng năm vào khoảng 40 tấn, và lượng dăm tre có thể đưa vào sử dụng ngaychiếm gần 90% như vậy việc sản xuất và chế tạo các sản phẩm ván gỗ tre là hoàn toànhợp lý và phù hợp

Nhưng để nâng cao quá trình cạnh tranh và xuất khẩu so với các nước hiện naytrên thế giới, ta không thể chỉ xuất các sản phẩm thô về ván gỗ tre mà còn phải đa dạngmẫu mã và loại sản phẩm, các kích thước và hình dạng khác nhau từ những chiếc ghế, tủ,bàn học,… đến các đồ nội thất gia đình với hoa văn sang trọng và đẹp mắt Để làm đượcđiều đó, với việc làm thủ công toàn bộ thì khó có thể thực hiện được nhưng với trình độkhoa học công nghệ ngày càng phát triển cùng với xu hướng tự động hóa trong sản xuấtthì hiện nay người ta chủ yếu tập trung vào gia công các sản phẩm gỗ trên máy móc tựđộng,trong đó phổ biến là máy phay CNC 3D Với khả năng làm việc chính xác và linhđộng, máy có thể tạo ra các sản phẩm cùng hình dạng và kích thước phức tạp nhất vớithời gian tối ưu nhất trong khi làm thủ công khó có thể thực hiện được Do đó, máy CNC3D phay gỗ có thể đạt được năng suất cao và vẫn đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật trong quátrình sản xuất Vì vậy, trong luận văn tốt nghiệp này ta sẽ tập trung vào tính toán và thiết

kế máy CNC 3D phay gỗ tre phục vụ quá trình sản xuất [ CITATION Placeholder1 \l

1033 ]

CHƯƠNG 1 :NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 3D PHAY GỖ TRE 1.1 Giới thiệu sơ lược về máy CNC phay gỗ

CNC với tên gọi đầy đủ là Computer Numerical Control, máy CNC là máy mà chuyển động của nó được điều khiển bởi máy tính thông qua quá trình điều khiển CNC (hệ thống điều khiển số của máy tính) Một số loại máy CNC thường thấy là máy phay, máy in 3D, máy cắt laze,…vv

Hình 1 1: Các loại máy CNC

Do máy CNC được điều khiển bởi máy tính, nên để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh thìmáy phải hiểu được chính xác các hướng dẫn được tạo bởi máy tính Vì thế, để có thể chếtạo sản phẩm thực trên máy CNC, ta cần phải chế tạo sản phẩm số hay nói chính xác hơn

là tạo ra mô hình sản phẩm ảo trên máy tính Mô hình sản phẩm ảo có thể được tạo từCAD (Computer Aided Control), phải được xác định đường chạy của máy sao cho tạo rađược sản phẩm như ý qua hệ thống CAM (Computer Aided Manufacturing) [ CITATIONEdw16 \l 1033 ]

Máy CNC được phân loại theo hệ thống điều khiển của nó:

 Theo hệ điều khiển điểm-điểm: Hay còn được gọi là điều khiển theo vị trídùng để gia công các lỗ bằng phương pháp khoan, khoét, doa,…Ví dụ cócác máy: máy khoan, máy khoét, máy hàn điểm,…

 Theo hệ điều khiển đường thẳng: Máy chuyển động thực hiện chạy dao trênmột đường nào đó Ví dụ máy tiện

 Theo hệ điều khiển biên dạng (contour): cho phép chạy dao trên nhiều trụccùng lúc Ví dụ ta có các máy 2D, 3D, 4D, 5D, 2D1/2 [ CITATION Edw16

\l 1033 ]Các máy CNC thông thường có 3 trục là các trục x, y, z tương tự như trong hệ tọa

độ Decac

Hình 1 2: Các trục máy CNC phay gỗ[ CITATION Edw16 \l 1033 ]

Với trục Z là trục mang trục gia công chính, trục có nhiệm vụ di chuyển lên xuống

để tạo hình sản phẩm với Z dương khi đi lên và Z âm khi đi xuống

Trục X có nhiệm vụ di chuyển ngang qua lại, đồng thời hỗ trợ trục Z trong quátrình hoạt động của máy Khi đứng trước máy trục X sẽ tăng dần giá trị độ lớn khi đi sangphải và giảm dần khi đi sang trái

Trục Y trong máy CNC thông thường thì được cố định Khi đứng trước máy, trục

Y giá trị dương khi tiến ra xa ta, có giá trị âm khi tiến lại gần [ CITATION Edw16 \l

 Vỏ máy: Có tác dụng như một bộ áo giáp vừa để bảo vệ máy, đế máy là nền tảngcủa máy trung tâm vì vậy cần nặng, chắc chắn Trong cấu tạo máy CNC thì vỏmáy rất quan trọng giúp đảm bảo máy sẽ thực hiện với công suất và độ chính xáccao nhất

 Bàn xe dao: Được các nhà sản xuất tạo ra phù hợp cho các loại máy khác nhau, cólợi nhất về mặt công suất cũng như tạo ra thuận tiện trong mặt cắt gọt mà khôngảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công Độ cứng vững của bàn xe dao sẽ làmcông suất của quá trình cắt gọt được tăng lên

 Trục chính: Là bộ phận có tính quyết định trong máy công cụ Một trục ổn định sẽhợp nhất sự điều khiển của động cơ – quyết định độ cứng vững của hệ thống, hệthống bôi trơn, nguồn điện cung cấp, đảm bảo độ chính xác và có thể đoán trướcnăng suất của máy Như vậy, quá trình thiết kế trục và tối ưu tốc độ quay của trụcchính sẽ mang lại quá trình cắt gọt được tốt nhất và độ chính xác cao nhất chomáy

 Nguồn: Có tác dụng cung cấp năng lượng hoạt động cho các bộ phận chuyển độngcủa máy Bằng cách sử dụng nguồn cố định giúp chắc chắn quá trình giao tiếp sẽchính xác giữa bộ phận điều khiển và động cơ và sự tự điều chỉnh của các thànhphần trong hệ thống

 Hệ điều khiển: Là thành phần trung tâm của cấu tạo máy CNC, nhiệm vụ là điềukhiển quá trình chuyển động, vị trí của các thành phần chuyển động trên máy, saocho đạt được chính xác thời gian cắt, tốc độ và chiều sâu cắt

 Động cơ – Bộ điều khiển – Encoder: Tạo ra sự đồng bộ giữa hệ điều khiển và động

cơ trong hệ thống các bộ phận chuyển động khác nhau Tuy nhiên để có sự đồng

bộ tốt các bộ phận này phải được thiết kế và xây dựng từ những bộ điều khiểnđiện, động cơ điện kèm theo hệ thống Encoder phản hồi cho quá trình điều khiển Việc sử dụng máy CNC để tự động hóa sản xuất đem lại cho người dùng một sốcác lợi ích cụ thể như: sự chính xác trong cắt gọt, sự phức tạp của kết cấu sản phẩm, khảnăng mô phỏng trên các phần mềm, thời gian gia công ngắn nên năng suất cao hơn và hơnhết là an toàn [ CITATION Edw16 \l 1033 ]

 Sự chính xác: máy CNC chạy chính xác như những gì nó được hướng dẫn từ máytính Nếu như ta muốn máy đi chính xác 10 mm thì máy sẽ đi chính xác 10 mm ,còn nếu ta muốn máy khoan một lỗ sâu 5 mm thì máy sẽ khoan chính xác một lỗsâu 5mm Nhờ vào hệ thống điều khiển số nên máy sẽ có độ tin cậy cao và có thểlặp đi lặp lại bao nhiêu lần cũng được không giống như khi ta làm thủ công bằngtay

 Sự phức tạp: Nhiều thiết kế với hình dáng phức tạp rất khó mà có thể hoàn thànhbằng tay Nhưng máy CNC có thể cắt và khắc nhờ vào hệ thống di chuyển tiện lợitheo 3 phương, điều mà có thể là bất khả thi đối với các dụng cụ điều khiển bằngtay thông thường

Hình 1 3: Sản phẩm với hình dạng phức tạp

 Khả năng mô phỏng của máy: Nhờ có sự hỗ trợ của các phần mềm CAM ta có thể

dễ dàng mô phỏng và xem xét trước đường chạy dao của máy sẽ như thế nào khi tadùng trong thực tế Ngoài ra ta cũng có thể kiểm tra đường chạy thực của máy khikhông có phôi bằng cách gửi file hướng dẫn vào trong máy CNC để quan sát vànắm bắt được chuyển động thực tế của máy, chắc rằng không có vấn đề gì vềkhông gian cắt và đảm bảo không có lỗi phát sinh trong quá trình chạy

 Khả năng an toàn: Bất kì một máy tự động, máy công cụ nào cũng tiềm ẩn cácnguy hiểm vốn có Vì vậy sự an toàn cẩn trọng là cần thiết để tránh những tổnthương không cần thiết Vì vậy mặc dù chuyển động của máy CNC đã được mô

phỏng, kiểm tra nhưng máy vẫn cần có thêm khuyến nghị khoảng cách an toàn vàcông tắc khẩn cấp phòng tránh xảy ra các rủi ro bất ngờ

Để máy CNC có thể chạy và cắt chính xác, máy cần được xác định nơi và tốc độchạy một cách rõ ràng cụ thể trong không gian 3 chiều Những hướng dẫn về sự chuyểnđộng, hay còn gọi là đường chạy dao được gọi là G-code G-code được tạo ra trong cácchương trình CAM và sau đó được chuyển qua máy thông qua kết nối vật lý thường làcổng USB

Ứng dụng của máy CNC thì vô cùng đa dạng từ việc được dùng trong các ngành

cơ khí điện máy, ngành mỹ nghệ, nghành điện tử, đến việc dùng trong quảng cáo,…Cácnguyên liệu chính thường được dùng trong máy CNC là: sắt, nhôm, MDF, gỗ,…

Máy CNC phay gỗ là máy CNC thường được dùng đề gia công các vật liệu có độ cứngvừa phải như gỗ, plastic và một vài vật liệu khác, không giống với máy CNC thôngthường dùng để gia công kim loại cứng Máy CNC phay gỗ dùng một trục xoay nhỏtượng tự như mũi khoan để cắt vật liệu với số vòng quay cao khoảng 25 000 vòng / phút,một số loại còn có trục chính có mã lực lên tới 20 hp Còn máy CNC thông thường dophải gia công vật liệu cứng, nhằm đảm bảo độ chính xác khi gia công nên chỉ gia công vớitốc độ thấp khoảng 3000 vòng/phút cho phay và chỉ vài trăm vòng cho việc khoan MáyCNC phay gỗ thường được dùng để ứng dụng gia công gỗ hay plastic để làm đồ trang trínội thất

1.2 Kết cấu cơ khí của một máy phay CNC 3D phay gỗ

Một máy CNC thông dụng thường có các bộ phận chính như: thân máy, chân máy,bàn máy, cụm trục chính, các bộ phận truyền động, spindle và dụng cụ cắt

Thân máy và chân máy

Thân máy và chân máy là bộ phận được chế tạo bằng vật liệu có độ bền cao, thôngthường người ta chọn gang để chế tạo thân máy và chân máy vì có độ bền cao gấp 10 lầnthép và đều được kiểm tra kĩ sau khi đúc nhằm đảm bảo không có khuyết tật đúc trênmáy

Thân máy chứa hệ thống động cơ điều khiển chuyển động của các cụm trục chính,

hệ thống trục khắc và nhiều hệ thống khác nữa

Yêu cầu của thân máy bao gồm:

 Phải có độ cứng vững cao

 Phải có các thiết bị chống rung động

 Phải có độ ổn định nhiệt trong quá trình làm việc

 Thân máy phải có độ chính xác khi gia công thuận tiện cho việc lắp ráp theoquy chuẩn môđun hóa [ CITATION Ngu \l 1033 ]

Bàn máy

Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công Bàn máy có 2 loại chính là bàn máyđứng yên và bàn máy di động Với bàn máy động, nhờ có sự di chuyển động linh hoạt vàchính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khảnăng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp Nhưng đối với bàn máy CNC3D dùng để khắc gỗ thì bàn máy thường đứng yên mà chỉ có trục mang hay còn gọi là giá

đỡ trục Z di chuyển theo phương trục Y của máy và trục Z di chuyển theo phương X Yêucầu của bàn máy là phải có độ ổn định, cứng vững [ CITATION Ngu \l 1033 ]

Các loại trục chính thông dụng là trục phay, trục chính spindle, trục chính router:Trục phay thường được dùng cho việc gia công nặng với độ chuẩn xác cao vì thếnên thường được dùng để gia công kim loại cứng với tốc độ vừa phải

Trục router là dụng cụ gia công bằng điện dùng để cắt và tạo hình các vật liệu như

là gỗ, plastic, MDF hay một số kim loại khác Trục router thông thường có 2 loại là loạicầm tay và loại cắt tốc độ cao dùng trong máy CNC Gia công bằng trục router là phươngpháp gia công thuận lợi và dễ dàng mua được vì chúng được sử dụng rộng rãi, do chỉ cầncắm điện vào là có thể sử dụng được ngay trục router Tốc độ của trục router có thể dễ

dàng điều khiển thông qua một bộ phận kiểm soát tốc độ router truyền thống nhưng trong

đa số trường hợp trục sẽ mất đi momen xoắn khi tốc độ giảm

Trục spindle và trục router khá giống nhau nhưng trục spindle là loại trục đắt hơntrục router, và thường phải điều khiển tốc dộ bằng bộ biến tần VFD (Variable FrequencyDrive) Trục spindle có cấu tạo bao gồm phần thân nơi chứa motor, vòng chặn và trụcxoay, ngoài ra trục spindle còn có cổ, vòng kẹp, đai ốc kẹp, dụng cụ cắt [ CITATIONEdw16 \l 1033 ]

Hình 1 4: Cấu tạo của trục spindle

Trục spindle có thể duy trì momen xoắn tối đa ngay cả khi đang hoạt động với sốvòng quay RPM thấp, đây là một điểm lợi thế so với trục router truyền thống Ngoài ratrong cấu trúc của trục còn có cả vòng chắn giúp trục tránh rung lắc trong quá trình làmviệc với tốc độ cao tránh gây ra sai số dụng cụ Trục spindle cắt êm hơn, mượt hơn vàchính xác hơn rất nhiều so với router Một trong những lí do khiến spindle làm việc êmhơn router là do hệ thống làm nguội của nó, trục spindle thì được làm nguội bằng nướccòn trục router thì được làm nguội bằng gió nên khi làm nguội quạt gió quay gây ra tiếng

ồn [ CITATION Edw16 \l 1033 ]

Hình 1 5: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router

Hình 1 6: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông

Trục vít me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số, người ta thường sử dụng haidạng vít me cơ bản là: vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi Vít me đai ốc thường: là loạivít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt còn vít me đai ốc bi là loại vít me và đai ốc bi códạng tiếp xúc lăn [ CITATION Ngu \l 1033 ]

Cho đến nay trên thế giới vân chưa có một định nghĩa thống nhất cho thuật ngữ giacông tốc độ cao Theo lý thuyết của Salomons đưa ra vào năm 1931 thì “Gia công tốc độcao là gia công với vận tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến

10 lần” Về sau này có thêm một số định nghĩa khác về gia công tốc độ cao HSM như gia

công với tốc độ trục chính cao (High spindle speed machining), gia công với bước tiếnlớn (High Feed Machining), gia công năng suất cao (High productive machining) Tuynhiên, các cách hiểu này chỉ mang tính tương đối vì một tốc độ của trục chính được xem

là nhanh đối với loại vật liệu này có thể bị xem là chậm với một loại vật liệu khác

Ngày nay khi nói về khái niệm HSM người ta định nghĩa rằng “Gia công tốc độcao là phương pháp gia công sử dụng tốc độ trục chính cao với lượng dịch dao ngang nhỏ

và chiều sâu cắt nhỏ”

Ưu điểm và ứng dụng của gia công tốc độ cao so với gia công truyền là:

 Tốc độ cắt gọt lớn

 Lực cắt thấp

 Chất lượng bề mặt gia công tốt

 Gia công được vật liệu có độ cứng cao

 Gia công được chi tiết thành rất mỏng

 Không cần làm mát

Nhờ những ưu điểm này mà HSM được ứng dụng ngày càng phổ biến trong hầuhết các lĩnh vực có liên quan đến gia công cơ khí

Máy cắt HSM phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:

 Trục chính có công suất lớn và số vòng quay cao: >20000 vòng/phút

 Tốc độ xử lí dữ liệu nhanh: 50-2000 blocks/s

 Tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh: >50 MB

 Có khả năng nội suy đường NURBS

 Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của trục chính cao

 Có tùy chọn làm mát xuyên qua trục chính

 Có khả năng đọc trước câu lệnh trong chương trình gia công

Do chọn phương án chuyển động gia công là phương án chuyển động tốc độ cao,thì theo thống kê của hãng dụng cụ cắt SanVik thì có đến 80%-90%, người ta chọn daophay ngón hay dao phay cầu có đường kính từ 1mm đến 20mm để làm việc này Hai loạidụng cụ cắt này cũng ở dạng nguyên khối hoặc ghép mảnh nhưng đặc tính hình học và vậtliệu làm ra chúng có sự khác biệt để phù hợp với công nghệ phay HSM

Về hình học, dụng cụ cắt HSM thường được thiết kế để gia công với chiều sâu cắtnhỏ Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện gia công (cắtvật liệu nào, thô hay tinh, phay thẳng hay phay rãnh,…) Nhưng quan trọng là kích thướccác lưỡi cắt phải chính xác để bảo đảm tính cân bằng, hạn chế rung động trong quá trìnhcắt Một số loại còn được thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc dung dịch làm nguội

Về vật liệu, hai tính chất cơ bản của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt là độ bền và độcứng ở nhiệt độ cao Thép gió không thỏa mãn được hai yêu cầu này nên hầu như khôngđược sử dụng trong gia công HSM, thay vào đó là những loại vật liệu siêu cứng như CBN(Cubic boron nitride), PCD (polycrystalline diamond) Đặc điểm của những loại vật liệunày là độ cứng càng cao thì càng giòn, chính vì vậy, công nghệ phủ bề mặt được sử dụngrất rộng rãi trong chế tạo dụng cụ cắt cho HSM Sự kết hợp giữa vật liệu nền và lớp phủ

đã cho ra đời rất nhiều loại dụng cụ cắt với những đặc tính riêng đáp ứng tối đa yêu cầucắt gọt Các hợp chất thường được dùng làm lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chốngdính lưỡi cắt), TiAlN (chịu nhiệt cao , cách nhiệt tốt)… Hai phương pháp phù hợp được

sử dụng là lắng đọng vật chất bay hơi (Physiscal Vapor Deposition-PVD) với chiều dàylớp phủ 2-5 m và lắng đọng hóa học (Chemical Vapor Deposition-CVD) với chiều dàylớp phủ 5-10 m [ CITATION Ngu \l 1033 ]

1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC

Trong máy CNC, bộ điều khiển của máy có nhiệm vụ nhận các mã lệnh chỉ dẫn của ngườidùng lập trình dưới dạng G-code, sau đó thông dịch và chuyển thành các xung điều hướngdẫn các động cơ chuyển động trong quá trình gia công Hệ thống CNC bao gồm 3 bộphận:

 Hệ NC (Numerical Control) làm nhiệm vụ tương tác với người vận hành vàtiến hành việc điều khiển vị trí

 Hệ điều khiển các động cơ

 Hệ các driver

Nhưng theo một nghĩa hẹp thì chỉ có hệ NC được gọi là hệ điều khiển của CNC

Hình 1 9: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC[ CITATION DXP \l 1033 ]

Dựa vào hình trên, ta nhận thấy hệ điều khiển của CNC hay hệ NC bao gồm bộphận giao tiếp giữa người và máy (MMI-Man-Machine-Interface), phần lõi điều khiển số(NCK- Numerical Control Kernel) và bộ điều khiển logic khả lập trình PLC(Programmable Logic Control)

MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các lệnhcủa máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn thảochương trình gia công

NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thông dịch chương trình gia công và tiến hànhnội suy điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thông dịch Cuốicùng NCK điều khiển các động cơ chuyển động để gia công chi tiết

Bộ điều khiển PLC điều khiển tốc độ trục chính, thay chi tiết gia công và nhậphoặc xuất các tín hiệu xử lý Nó đóng vai trò điều khiển các hoạt động của máy (ngoại trừđiều khiển động cơ servo)

Hình 1 10: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần

mềm[ CITATION DXP \l 1033 ]

Với diễn tả như trên hình, ta thấy máy CNC có phần cứng bao gồm hệ điều khiển CNC,

hệ thống các động cơ dẫn động và bản thân máy công cụ Và phần mềm CNC bao gồmMMI có chức năng hỗ trợ soạn thảo chương trình, giao diện người sử dụng và hiểu thị cácthông tin trạng thái, NCK có chức năng thi hành công việc thông dịch chương trình, nộisuy và điều khiển, PLC có chức năng thực hiện các chương trình logic tuần tự

Trong hệ thống CNC, mô-đun xử lý các chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm

bộ xử lý trung tâm, hệ thống RAM và ROM để lưu các ứng dụng của người dùng (choMMI), chương trình gia công (cho NCK) và các chương trình PLC (cho PLC)

Nếu phân loại phương pháp hệ thống điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người tachia hệ thống điều khiển thành 4 loại:[ CITATION DXP \l 1033 ]

 Điều khiển chu trình hở: dữ liệu chương trình gia công được nhập đưa vào bộ điềukhiển máy (MCU – Machine control unit), thông tin sẽ được giải mã và lưu trữ.Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự

và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo.Lượng dịch chuyển của động cơ hay bàn máy phụ thuộc vào số xung điện động cơnhận được Hệ thống điều khiển này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp,không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển đúng theo lệnh

đã được yêu cầu hay không Độ chính xác chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác củađộng cơ bước, vít me và hệ thống truyền động

Hình 1 11: Điều khiển chu trình hở[ CITATION DXP \l 1033 ]

 Điều khiển theo chu trình nửa kín: Với loại điều khiển này, thiết bị kiểm tra đượclắp vào trục của động cơ servo để kiểm tra góc quay nhằm xác định độ di chuyểncủa bàn máy ứng với góc quay và bước của vít me Nên độ chính xác của bàn máyphụ thuộc nhiều vào độ chính xác của trục vít me

Hình 1 12: Điều khiển chu trình nửa kín[ CITATION DXP \l 1033 ]

 Điều khiển theo chu trình kín: Trong hệ thống này, thiết bị giám sát vị trí được lắptrên bàn máy và vị trí thực của bàn máy sẽ được hồi tiếp về hệ điều khiển Chutrình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sátđược lắp ở bàn máy hay trục của động cơ và độ chính xác của thiết bị nhận biết vịtrí của hệ thống điều khiển chu trình kín rất cao

Hình 1 13: Điều khiển chu trình kín[ CITATION DXP \l 1033 ]

 Điều khiển hỗn hợp: là sự kết hợp giữa chu trình kín và chu trình nửa kín Trongvòng nửa kín dùng để giám sát chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thướcquang để giám sát vị trí của bàn máy Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và vòng lặpnửa kín đảm bảo chính xác điều khiển trong mọi trường hợp

Hình 1 14: Điều khiển chu trình hỗn hợp[ CITATION DXP \l 1033 ]

Các dạng điều khiển của máy công cụ CNC dựa vào khả năng gia công các bề mặt khácnhau như lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình,… Do đó các dạng điều khiển của máy đượcchia ra thành:

 Điều khiển điểm: dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa

contour 3D

1.4 Nghiên cứu ngoài nước và nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu ngoài nước

Dựa theo kết quả của các cuộc nghiên cứu đưa ra, thì có 5 công ty hàng đầu đang nắm giữphần lớn thị trường trong việc sản xuất, nghiên cứu và chế tạo máy CNC là FanucCorporation, Haas Automation, Heidenhain, Siemen AG, và cuối cùng là MitsubishiElectric (chiếm tới hơn tổng 60% thị phần toàn thế giới năm 2015) Và để duy trì sự cạnhtranh trên thị trường quốc tế các hãng không ngừng nghiên cứu và phát triển sản phẩmcủa mình Sự phát triển tập trung chủ yếu vào việc tạo các sản phẩm mới có khả năng tíchhợp làm việc chung với máy CNC, nâng cấp giao diện sử dụng của máy để người dùng cóthể dùng sản phẩm với trải nghiệm tốt nhất [ CITATION red17 \l 1033 ]

Nhờ vào hệ thống giao diện ngày càng được cải tiến sao cho thân thiện với ngườidùng hơn nên đã thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp chế tạo, không chỉgiúp kiểm soát tốt hơn dung sai chi tiết và chất lượng bề mặt sau khi hoàn thành mà còncho phép thêm một số các đặc trưng khác trong quá trình chế tạo không giống với ý tưởngthiết kế ban đầu của kĩ sư hay khách hàng Cùng với sự cải tiến liên tục nay máy tiệnCNC có thể tiện được chi tiết có kích thước lớn khoảng 457,2 mm, ngoài ra trong môt sốtrường hợp yêu cầu đặc biệt máy còn có thể làm việc với cả các chi tiết lớn hơn thế.Ngoài việc tập trung phát triển CNC 3 truc truyền thống, người ta còn phát triển thêm hệthống CNC 5 trục với khả năng làm việc cùng các chi tiết phức tạp với thời gian làm việcngắn hơn và chất lượng sản phẩm tốt hơn nhờ vào tốc độ cắt cao, đường chạy dao tốt,chất lượng bề mặt sản phẩm cao

Trong tất cả các nghiên cứu cải tiến trên, một yếu tố khác cũng vô cùng quan trọngtrong quá trình phát triển của máy CNC hiện nay, đó là hệ thống siêu CPU điều khiển.Dựa vào loại CPU mới này đã giúp cho quá trình điều khiển diễn ra với tốc độ cao hơn, từ

đó nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra Tốc độ xử lý nhanh của CNC đảm bảo cho khảnăng làm việc với thời gian làm việc ngắn trong đó hệ thống PLC hỗ trợ cho quá trình xử

lý Với tốc độ truyền tín hiệu nhanh giữa CNC và ổ đĩa cho phép máy hoạt động với sựchuẩn xác cao Ngoài ra bộ CPU mới còn được đơn giản bớt một số bộ phận so với CPU

cũ nhưng vẫn giữ được khả năng làm việc tốt giúp thiết kế và chế tạo không bị phức tạp

Nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, trong thời gian vài năm trở lại đây, cùng sự đầu tư đúng mức và quan tâm

từ nhà nước và các doanh nghiệp cho công cuộc nghiên cứu Công cụ điều khiển số CNC,

mà hàng loạt các máy CNC “Made in Viet Nam” đã được ra đời Cụ thể là chiếc máyCNC được chế tạo và là chủng loại máy đầu tiên tại Việt Nam sản xuất thành công doCông ty TNHH Cơ điện tử Bách Khoa (BKMech) Máy có tốc độ phay của trục chính lênđến 24000 vòng/phút, tốc độ dịch chuyển khoảng 30 m/phút, giúp giảm thời gian giacông, trung bình tiết kiệm khoảng từ 20-40% so với gia công phay thông thường do tốc

độ cắt cao hơn Giá dự kiến của sản phẩm vào khoảng 50000 USD – 80000 USD tùy theoyêu cầu đặt hàng của khách, giá thành chỉ bằng 50% so với máy CNC nhập khẩu từ ĐàiLoan Không dừng lại ở đó với đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC 5 trụccủa TS Hoàng Vĩnh Sinh thuộc Viện cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, ViệtNam đã có thể chế tạo được máy CNC 5 trục thậm chí còn được công ty Rorze Robotechcủa Nhật đặt chế tạo với mức giá 140000 USD Khi đó, tại Đài Loan chỉ có hơn 10%trong số 100 công ty sản xuất máy đủ năng lực làm được chủng máy này [ CITATIONNgu10 \l 1033 ]

Theo sự giải thích của TS Hoàng Vĩnh Sinh, có 2 xu hướng tồn tại song songtrong việc sản xuất các máy CNC tại Việt Nam Thứ nhất là xu hướng mua các “xác máy”

cũ Các máy này có thể là máy CNC hoặc máy vạn năng thông thường và được loại bỏcác thành phần không liên quan như các động cơ, tay quay,… Sau đó, thay thế các thiết bịtruyền động thích hợp, lắp ráp các thiết bị điều khiển, đặt tham số điều khiển phù hợp choquá trình hoạt động của máy Xu hướng này sử dụng được kết cấu máy có sẵn nên giảmchi phí chế tạo kết cấu máy và đã được thực hiện nhiều ở các viện nghiên cứu như IMI…Nhưng khó có thể biết được các kết cấu được xây dựng liệu đã phù hợp với hoạt động củamáy CNC, có thể kiểm soát độ chính xác của máy hay không…

Thứ hai là xu hướng chế tạo các thành phần của kết cấu máy và lắp ráp tại ViệtNam Các bộ phận điều khiển sẽ được nhập, lắp ráp theo yêu cầu của người sử dụng Đây

là xu hướng bắt buộc đối với các nhà sản xuất CNC nếu muốn đưa máy CNC nhãn hiệu

Việt Nam phổ biến rộng rãi trong nước Vì chỉ có thể chế tạo mới có thể kiểm soát đượccác sai số của máy và cách khắc phục Hơn nữa việc chế tạo những kết cấu máy sẽ thúcđẩy công nghiệp đúc, gia công cơ khí chính xác phát triển Với sự đầu tư có định hướngthì chất lượng của máy CNC sản xuất tại Việt Nam hoàn toàn có thể tin tưởng được

Hiện nay nước ta vẫn phải nhập các bộ phận điều khiển cho máy CNC bao gồmcác module để lắp ráp vào bộ thân máy sản xuất trong nước Giá thành của toàn bộ cácmodule điều khiển chiếm khoảng 40% giá thành của máy Cấu trúc của các bộ phận điềukhiển là dạng đóng, người dùng không thể tương tác với cấu trúc bên trong nên gặp khókhăn trong quá trình sửa chữa, bảo trì máy CNC như: thiếu thiết bị thay thế khi hỏng hóc,đội ngũ kỹ thuật không đáp ứng được việc sửa chữa do không có đầy đủ thông tin về cấutrúc bên trong của bộ điều khiển,… Nước ta chưa có được đội ngũ kĩ thuật đủ khả năngđáp ứng cho việc sản xuất một máy phay CNC hoàn toàn nội địa, thiết bị kỹ thuật trongnước còn hạn chế và phụ thuộc lớn vào các nhà cung cấp nước ngoài Do vậy, việc đàotạo nguồn nhân lực về CNC là sự tập trung cần thiết hiện nay [ CITATION Ngu10 \l

1033 ]

Máy CNC sản xuất tại Việt Nam do trung tâm BKMech đứng ra sản xuất, hiện nay

có 4 dòng máy CNC phay 3 trục chính là VMC65/VMC86/VMC110 và máy HSM50(dòng máy phay tốc độ cao)

Hình 1 15: Các dòng máy CNC của BKMech

Ưu điểm của máy:

 Qui trình lắp ráp chuẩn hóa tuân thủ theo tiêu chuẩn quốc tế, yêu cầu của cácnhà sản xuất phụ kiện, đảm bảo máy làm việc với tần suất cao, nâng cao tuổithọ, độ ổn định, độ chính xác khi gia công

 Máy được hiệu chỉnh và bù sai số sau khi hoàn thành nhờ các thiết bị đo laser

và thiết bị đo bar, giúp máy đạt độ chính xác cao

 Đối với các máy CNC tại Việt Nam bình thường có sai số vị trí 0,01mm nhưngcác máy này có thể đạt được sai số vị trí là 0,005mm

 Máy sử dụng các thiết bị tiêu chuẩn

Nhược điểm:

 Các chi tiết được làm với số lượng nhỏ, giá thành cao

 Giá thành máy còn lớn

Khó khăn nhất trong phần chế tạo máy CNC Việt Nam không phải là phần điện tử mà

là phần cơ khí, phần kết cầu và truyền dẫn cơ khí

 Vậy hạn chế lớn trong việc nghiên cứu và sản xuất máy CNC chủ yếu ở phần chuẩnhóa kết cấu cơ khí để có thể tạo ra chuyển động chính xác với dung sai gia công thấp,cùng với việc chế tạo các linh kiện phù hợp giảm giá thành máy

1.5 Các vấn đề cần giải quyết và định hướng nghiên cứu

Một số vần đề tồn tại cần giải quyết

Các vấn đề chính trong việc thiết kế và chế tạo máy CNC khắc gỗ là đảm bảo độchính xác về mặt kĩ thuật cho các chi tiết cơ khí, để máy có thể vận hành chính xác,không gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

Ngoài vấn đề kĩ thuật, còn về vấn đề giá cả của máy, do một số bộ phận và linhkiện của máy vẫn chưa có thể sản xuất, chế tạo trong nước như bộ điều khiển, các chi tiết

cơ khí chính xác cao

Định hướng nghiên cứu

Trong nghiên cứu và thiết kế máy ở luận văn tốt nghiệp này, mục tiêu nghiên cứu

sẽ tập trung vào việc tính toán thiết kế theo môđun nhằm tạo ra thiết bị hoàn chỉnh có thểlàm việc trong các điều kiện yêu cầu cần thiết nhưng vẫn phải đảm bảo yếu tố kỹ thuật và

an toàn lao động trong suốt quá trình vận hành máy

Ngoài ra, việc thực hiện môđun hóa cả quá trình thiết kế, chế tạo, sản xuất nhằm tiết kiệm thời gian, tạo ra thuận lợi trong việc thay đổi điều chỉnh các thông số máy sao

cho phù hợp với nhu cầu của thị trường và nhu cầu sản xuất từ đó tiết kiệm chi phí và chuẩn hóa quá trình chế tạo

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY CNC 3D PHAY GỖ THEO MÔĐUN

2.1 Cơ sở lý thuyết tính toán động học, động lực học máy CNC 3D phay gỗ

Tính tốc độ cắt:

v N D Với N – là số vòng quay của trục cắt

nt – là số răng của dao cắt

f – là kích thước phoi thoát cho mỗi răng (mm/ răng)Lượng dời vật liệu (Material Removal Rate):

L A T

f





Trong đó L là chiều dài của phôi

A là khoảng cách tiếp cận khi toàn bộ dụng cụ cắt tiếp xúc với phôi Đối vớitrường hợp phay mặt (hay là Face Milling) ta có 2 trường hợp tính A như sau

Hình 2 1: Các trường hợp phay khác nhau của phay mặt

Trường hợp a, khi dao phay nằm trọn trong mặt phẳng phay thì A được tính:

Hình 2 2: Quá trình cắt gọt vuông góc dưới góc nhìn 3 chiều và góc nhìn 2 chiều

Như hình diễn tả ở trên thì trong quá trình cắt gọt vuông góc thì có 2 yếu tố chính

ảnh hưởng đến quá trình cắt là góc thoát dao và góc ăn dao Góc ăn dao được kí hiệu làgóc  có nhiệm vụ quyết định hướng đi của phoi thoát ra khỏi phôi trong quá trình giacông và góc thoát dao là góc cách biệt giữa mặt sau và bề mặt mới tạo sau khi gia côngcủa chi tiết

Để thực hiện quá trình cắt thì dao phải ăn xuống chi tiết một khoảng nhất định đểcắt bỏ phần vật liệu thừa Vậy độ dày của phần dao ăn xuống trước khi tạo ra phoi được kíhiệu là t0 và phần phoi thoát ra trong quá trình cắt cũng có một độ dày riêng lớn hơn độdày của t0 kí hiệu là tc Tỉ số giữa t0 và tc được gọi là tỉ số độ dày phoi hay còn có tên là tỉ

số phoi [ CITATION Mik10 \l 1033 ]

l r

r r

Hình 2 3: Các lực cắt gọt trong kim loại

(a) Lực tác dụng lên phoi trong quá trình cắt

(b) Lực tác dụng lên dụng cụ cắt trong quá trình cắtTrong quá trình cắt gọt hình thành nên các lực cắt, lực dùng để cản trở chuyểnđộng của phoi được tạo ra bởi dụng cụ cắt là các lực vuông góc lần lượt là lực ma sát F vàphản lực N Hai lực này dùng để xác định hệ số ma sát giữa phoi và dụng cụ cắt

F N

s s

F A

 

Với  là ứng suất cắt

As là diện tích của mặt trượt, được tính theo công thức

0wsin

s

t A





(với w là

bề rộng cắt)

Trong một số các điều kiện cắt phù hợp thì ứng suất cắt  có thể có giá trị bằng với

độ lớn sức bền của vật liệu được đem đi gia công

Hình 2 4: Mô hình liên hệ giữa các lực cắt

Thông thường các lực F, N, Fs và Fn không thể đo trực tiếp trong quá trình hoạt động củamáy vì trong quá trình chạy thì tùy thuộc vào các thông số dụng cụ và thông số cắt mà cáclực này có thể thay đổi Nhưng ta vẫn có thể tính được các lực này dựa vào lực cắt Fc vàlực đẩy Ft là 2 lực có thể đo được trên máy đo lực, hai lực này vuông góc nhau và hợpthành lực R’’ có cùng độ lớn với lực R và lực R’ (là hợp lực của lực Fs và lực Fn) Dựavào mô hình lực và 2 lực tính được ta thiết lập phương trình tính được các lực còn lại.

s t

Fc là lực cắt

Pc là công suất cắt

Hình 2 5: Chuyển động phay của dao phay ngón

2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế máy CNC 3D phay gỗ

Trước khi đi vào quá trình thiết kế máy CNC 3D phay gỗ, ta cần phải tiến hànhmôđun hóa cho máy Nhằm xác định các cụm bộ phận và điều khiển chính cho máy, làmthuận tiện hơn cho việc tính toán về sau

Phục vụ cho quá trình thiết kế máy CNC 3D phay gỗ, các thông số cụ thể sau cầnđược xác định: đầu tiên là lực cắt và vận tốc cắt tối đa Dựa vào đó ta tính công suất cắtcho trục chính, tốc độ di chuyển tối đa của các cụm trục X, Y, Z Thứ hai là thông số hoạtđộng của các bộ phận truyền động chính dùng trong máy để truyền động trong các cụmtrục

2.2.1 Phương án truyền động trong máy CNC

Hoạt động chủ yếu của máy CNC là mang cụm trục chính di chuyển dựa theo loạiđiều khiển để gia công phôi thành chi tiết phù hợp Việc tạo ra chuyển động đó cần phải

có sự di chuyển đơn lẻ hoặc kết hợp của các trục truyền động, chủ yếu ở đây là các cụmtrục X, Y, Z và loại chuyển động của các trục là chuyển động tịnh tiến Vậy việc biến đổichuyển động của nguồn dẫn động là động cơ quay sang chuyển động của các cụm trục làchuyển động tịnh tiến cần có cơ cấu truyền động phù hợp Có rất nhiều cơ cấu truyềnđộng để biến đổi chuyển động này như cơ cấu tay quay con trượt, cơ cấu cam,…và trong

đó phù hợp nhất là cơ cấu truyền động vít và đai ốc [ CITATION Trị \l 1033 ]

Truyền động vít – đai ốc được dùng để chuyền động quay thành chuyển động tịnhtiến nhờ cơ cấu vít trượt hoặc cơ cấu vít lăn Truyền động vít – đai ốc được sử dụng rộngrãi trong các lĩnh vực kĩ thuật khác nhau: các dụng cụ chính xác, các thiết bị tải nặng của

cơ cấu ép, cần trục,…Tùy theo dạng chuyển động của vít và đai ốc có thể chia ra các loại :

vít quay và tịnh tiến, đai ốc cố định với giá, hoặc đai ốc quay còn vít tịnh tiến, hay vítquay đai ốc tịnh tiến Ngoài ra có loại chuyển động vít – đai ốc có đai ốc vừa quay vừatịnh tiến còn vít cố định nhưng ít được dùng Truyền động vít và đai ốc rất có lợi thế vềlực và có thể thực hiện được các chuyển động chậm và chính xác

Ren dùng trong truyền động vít và đai ốc thường là các loại ren có góc profin khánhỏ như là ren hình thang, ren răng cưa, ma sát tương đối nhỏ, hiệu suất cao Trong các

cơ cấu truyền lực theo hai chiều, thường dùng ren hình thang, có độ bền khá cao

Ưu điểm:

 Cấu tạo đơn giản, thắng lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm

 Kích thước nhỏ, chịu được lực lớn

 Thực hiện được các dịch chuyển chính xác cao

\l 1033 ]