LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ
  

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
ThS. Đường Khánh Sơn

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Đặng Hoài Bảo (MSSV: 1800602)
Ngành: CNKT Cơ Điện Tử - 2018

Cần Thơ, tháng 06 năm 2022


TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
ThS. Đường Khánh Sơn

SINH VIÊN THỰC HIỆN
Đặng Hoài Bảo (MSSV: 1800602)
Ngành: CNKT Cơ Điện Tử - 2018

Cần Thơ, tháng 06 năm 2022


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Cán bộ hướng dẫn: ThS. Đường Khánh Sơn
Luận văn đại học được bảo vệ tại Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí Trường Đại Học Kỹ Thuật
Cơng Nghệ Cần Thơ ngày /06/2022.
Thành phần Ban đánh giá luận văn đại học gồm:
1. Trưởng ban: ThS. Phạm Thành Công
2. Ủy viên phản biện: ThS. Huỳnh Phạm Bảo Ngọc
3. Thư ký ban chấm: ThS. Đường Khánh Sơn

Xác nhận của Ban chấm sau khi luận văn đã được sửa chữa.

TRƯỞNG BAN

ỦY VIÊN PHẢN BIỆN

THƯ KÝ

ThS. Phạm Thành Công

ThS. Huỳnh Phạm Bảo Ngọc

ThS. Đường Khánh Sơn


TRƯỜNG ĐẠI HỌC
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ CẦN THƠ
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC
Họ tên sinh viên: Đặng Hoài Bảo

MSSV: 1800602

Ngày, tháng, năm sinh: 15/01/2000

Nơi sinh: Kiên giang

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Mã số: 7510203

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 3 TRỤC
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
 Nhiệm vụ:
 Tính tốn, thiết kế và chế tạo máy phay CNC 3 trục.
 Nội dung:
 Tìm hiểu cách sử dụng mạch Mach3 để điều khiển máy CNC.
 Tìm hiểu cách xuất G-code từ phần mềm Inventor để gia công chi tiết.
 Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế máy phay CNC.
 Thiết kế điện điều khiển.
 Tính tốn, lựa chọn động cơ.
 Tính tốn, lựa chọn phương pháp dẫn hướng.
 Chế tạo mơ hình thực tế.
 Chạy thực nghiệm, hiệu chỉnh và lấy kết quả.

 Nhận xét và đánh giá máy phay CNC 3 trục.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Đường Khánh Sơn
THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 26/01/2022
THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 19/06/2022
Cần Thơ, ngày 19 tháng 06 năm 2022
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

ThS. Đường Khánh Sơn

KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi đến Thầy Đường Khánh Sơn là giảng viên hướng dẫn
đề tài luận văn, lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất, thầy đã luôn quan tâm và tạo
mọi điều kiện thuận lợi giúp em, đồng thời cũng là người định hướng, và góp ý các
ưu khuyết điểm cho em trong suốt q trình thực hiện đề tài, để hồn thành một cách
tốt nhất.
Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy, cơ giảng viên khoa cơ khí Trường
Đại Học Kỹ thuật – Công nghệ Cần Thơ. Nhờ những kiến thức và kinh nghiệm thầy
cô đã giảng dạy trong suốt thời gian qua nên em mới có thể hồn thành đề tài này.
Đồng thời em cũng xin cảm ơn công ty “TNHH Thương Mại Dịch Vụ
INNOSPACE”, đã hỗ trợ nơi làm việc và dụng cụ trong xuyên suốt quá trình thực
hiện đề tài.
Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè xung quanh đã hỗ
trợ, là chỗ dựa cũng như chia sẻ kinh nghiệm cho em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn.
Một lần nữa xin trân trọng cảm ơn!

i

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan báo cáo luận văn tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế chế tạo máy
phay CNC 3 trục” là kết quả nghiên cứu và tìm hiểu của em. Quá trình tìm hiểu và
thực hiện đề tài được sự cho phép và xét duyệt của Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí thuộc
Trường Đại Học Kỹ Thuật – Công Nghệ Cần Thơ thông qua hướng dẫn của Thầy
Đường Khánh Sơn.
Trong báo cáo có sử dụng hình ảnh và tài liệu khoa học, kỹ thuật dùng làm tài
liệu tham khảo đều được trích dẫn rõ ràng.
Nếu có phát hiện bất kỳ sự gian lận nào trong bài báo cáo em xin hoàn toàn
chịu trách nhiệm về đề tài của mình.
Cần thơ, ngày 19 tháng 06 năm 2022
Sinh viên thực hiện

Đặng Hoài Bảo

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ I
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... II
MỤC LỤC ................................................................................................................ III
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................VI
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................XI
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................ XII
TÓM TẮT ĐỀ TÀI .............................................................................................. XIII
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................XIV
Lý do chọn đề tài ......................................................................................................xiv

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................. xv
Phương pháp nghiên cứu........................................................................................... xv
Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................xvi
Bố cục đề tài .............................................................................................................xvi
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ..................................................................................... 1
1.1 Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số................................................. 1
1.1.1 Khái niệm điều khiển ..........................................................................1
1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ ................................1
1.2 Khái niệm về CNC ................................................................................................ 2
1.3 Nghiên cứu của nước ngoài................................................................................... 2
1.4 Nghiên cứu ở việt nam .......................................................................................... 8
1.5 Nghiên cứu tại các cơ sở giáo dục và đào tạo ....................................................... 9
CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ ........................................ 12
2.1 Phương án thiết kế............................................................................................... 12
2.1.1 Phương án phôi cố định X, Y, Z di chuyển ......................................12
2.1.2 Phương án phôi di chuyển theo trục Y, dụng cụ gia công di chuyển
theo trục X và Z .....................................................................................................12
2.1.3 Phương án trục Z cố định, phôi di chuyển trên trục X và Y .............13
2.2 Tính tốn và thiết kế ............................................................................................ 14
iii


2.2.1 Cụm trục chính ..................................................................................14
2.2.2 Tính tốn, lựa chọn động cơ trục chính ............................................14
2.2.3 Tính tốn, lựa chọn vít me ................................................................17
2.2.4 Chọn gối đỡ cho vít me .....................................................................28
2.2.5 Tính tốn, lựa chọn ray trượt ............................................................29
2.2.6 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước ....................................................49
2.3 Thiết kế máy phay CNC trên phần mềm Autodesk Inventor .............................. 60
2.3.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor ..........................................60

2.3.2 Thiết kế cụm trục Z ...........................................................................64
2.3.3 Thiết kế cụm trục X ..........................................................................65
2.3.4 Thiết kế cụm trục Y: .........................................................................66
2.3.5 Thiết kế chân bàn máy phay CNC ....................................................67
2.3.6 Thiết kế mơ hình hồn chỉnh cho máy ..............................................70
2.4 Thiết kế điện điều khiển ...................................................................................... 71
2.4.1 Giới thiệu về phần mềm Mach3 ........................................................71
2.4.2 Giới thiệu biến tần .............................................................................74
2.4.3 Driver điều khiển động cơ bước .......................................................80
2.4.4 Nút dừng khẩn cấp ............................................................................82
2.4.5 Nút nhấn chuyển mạch ......................................................................83
2.4.6 Cơng tắc hành trình ...........................................................................84
2.4.7 Quạt tản nhiệt ....................................................................................84
2.5 Sơ đồ hệ thống điều khiển ................................................................................... 85
CHƯƠNG III: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM ................................................ 86
3.1 Chế tạo................................................................................................................. 86
3.2 Lắp ráp máy hoàn chỉnh ...................................................................................... 88
3.3 Cài đặt thông số trên phần mềm Mach3 ............................................................. 90
3.4 Giới thiệu giao diện và các nút cơ bản trên phần mềm Mach3........................... 94
3.4.1 Giao diện chính .................................................................................94
3.4.2 Giao diện MDI ..................................................................................96
3.4.3 Tab MPG (Tay quay ảo): ..................................................................97
iv


3.5 Giới thiệu và ứng dụng tính năng tay cầm ngoài. ............................................... 98
3.6 Sử dụng Inventor CAM để xuất file G-code gia cơng ...................................... 101
3.7 Xây dựng chương trình gia công trên phần mềm Inventor ............................... 102
3.8 Thực nghiệm máy phay CNC 3 trục ................................................................. 109
3.8.1 Thực nghiệm trên vật liệu gỗ ..........................................................109

3.8.2 Thực nghiệm trên vật liệu mica ......................................................113
3.8.3 Thực nghiệm trên vật liệu nhôm .....................................................118
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ....................................................... 123
4.1 Kết quả .............................................................................................................. 123
4.2 Kiến nghị ........................................................................................................... 123
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 124
PHỤ LỤC ............................................................................................................... 126

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Máy tiện do Henry Maudslay chế tạo ..........................................................2
Hình 1.2 Máy phay do Eli Whitney chế tạo ................................................................3
Hình 1.3 Máy phay kiểu Swiss ....................................................................................4
Hình 1.4 Máy cắt của John T. Parsons .......................................................................5
Hình 1.5 Máy CNC 5 trục ngày nay ............................................................................8
Hình 1.6 Mơ hình máy phay CNC của trường cao đẳng nghề Bách Khoa Hà Nội ....9
Hình 1.7 Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Đại Học Bách Khoa Hà Nội ....................10
Hình 1.8 Máy phay CNC trên thị trường ..................................................................11
Hình 2.1 Máy CNC dạng Router ...............................................................................12
Hình 2.2 Máy CNC dạng H-Frame ...........................................................................13
Hình 2.3 Máy CNC dạng C-Frame ...........................................................................13
Hình 2.4 Lực cắt khi phay .........................................................................................16
Hình 2.5 Động cơ trục chính.....................................................................................17
Hình 2.6 Truyền động vít me bi .................................................................................18
Hình 2.7 Thơng số vít me TBI MOTION ...................................................................21
Hình 2.8 Vít me TBI 1605 .........................................................................................21
Hình 2.9 Vít me TBI 2510 .........................................................................................24
Hình 2.10 Gối đỡ BF cho vít me ...............................................................................28

Hình 2.11 Gối đỡ BK cho vít me ...............................................................................29
Hình 2.12 Sống trượt dẫn hướng và rãnh mang cá ..................................................29
Hình 2.13 Thanh trượt dẫn hướng trong các máy CNC ngày nay ...........................30
Hình 2.14 Thơng số ray trượt THK ........................................................................31
Hình 2.15 Tính tốn ray trượt trục Z ........................................................................31
Hình 2.16 Ray trượt trục Z ........................................................................................36
Hình 2.17 Thơng số ray trượt hãng PMI ..................................................................37
Hình 2.18 Tính tốn ray trượt trục X ........................................................................37
Hình 2.19 Ray trượt trục X........................................................................................42
Hình 2.20 Thơng số ray trượt PMI ...........................................................................43
Hình 2.21 Tính tốn ray trượt trục Y ........................................................................44
vi


Hình 2.22 Ray trượt trục Y ........................................................................................49
Hình 2.23 Giao diện cơng cụ tính tốn động cơ FASTECH .....................................50
Hình 2.24 Tính tốn động cơ trục Z ..........................................................................51
Hình 2.25 Kết quả tính tốn động cơ trục Z .............................................................53
Hình 2.26 Biểu đồ moment động cơ Leadshine 57CM23 .........................................53
Hình 2.27 Thơng số động cơ Leadshine 57CM23.....................................................54
Hình 2.28 Kiểm tra giá trị qn tính trục Z ..............................................................55
Hình 2.29 Tính tốn động cơ trục X .........................................................................56
Hình 2.30 Kết quả tính tốn động cơ trục X .............................................................57
Hình 2.31 Kiểm tra giá trị qn tính trục X..............................................................57
Hình 2.32 Tính tốn động cơ trục Y ..........................................................................58
Hình 2.33 Kết quả tính tốn trục Y ...........................................................................59
Hình 2.34 Kiểm tra giá trị qn tính trục Y ..............................................................60
Hình 2.35 Phần mềm Autodesk Inventor ..................................................................60
Hình 2.36 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor ..................................................61
Hình 2.37 Giới thiệu tính năng Inventor CAM .........................................................64

Hình 2.38 Cụm chi tiết trục Z....................................................................................65
Hình 2.39 Cụm chi tiết trục X ...................................................................................66
Hình 2.40 Cụm chi tiết trục Y....................................................................................66
Hình 2.41 Chân bàn cho máy ....................................................................................67
Hình 2.42 Đặt lực lên thanh ngang ...........................................................................68
Hình 2.43 Đặt lực lên thanh dọc ...............................................................................68
Hình 2.44 Kết quả phân tích chuyển vị .....................................................................69
Hình 2.45 Kết quả phân tích ứng suất ......................................................................69
Hình 2.46 Mặt trước và mặt bên mơ hình .................................................................70
Hình 2.47 Tổng thể mơ hình máy phay CNC 3 trục ..................................................71
Hình 2.48 Phần mềm Mach3 .....................................................................................72
Hình 2.49 Giao diện phần mềm Mach3 ....................................................................72
Hình 2.50 Mạch Mach3 USB V2 ...............................................................................73
Hình 2.51 Sơ đồ kết nối chân mạch Mach3 USB V2 ................................................74
vii


Hình 2.52 Một số loại biến tần..................................................................................74
Hình 2.53 Cơng thức về tốc độ động cơ xoay chiều .................................................75
Hình 2.54 Sơ đồ mạch điện của biến tần ..................................................................76
Hình 2.55 Biến đổi điện áp tần số qua biến tần ........................................................76
Hình 2.56 Ứng dụng biến tần ....................................................................................77
Hình 2.57 Biến tần Delta VFD-M 1.5KW .................................................................80
Hình 2.58 Driver DM542 ..........................................................................................81
Hình 2.59 Nút dừng khẩn cấp ...................................................................................82
Hình 2.60 Nút nhấn chuyển mạch .............................................................................83
Hình 2.61 Cơng tắc giới hạn hành trình ...................................................................84
Hình 2.62 Quạt tản nhiệt 12V cho tủ điện ................................................................85
Hình 2.63 Sơ đồ hệ thống điều khiển của máy phay CNC 3 trục .............................85
Hình 2.64 Sơ đồ đấu dây điện điều khiển của máy phay CNC 3 trục.......................86

Hình 3.1 Các chi tiết được gia cơng .........................................................................86
Hình 3.2 Lắp ráp trục Z cho máy ..............................................................................86
Hình 3.3 Lắp ráp cụm trục X và Y hồn chỉnh .........................................................87
Hình 3.4 Bố trí linh kiện tủ điện điều khiển ..............................................................87
Hình 3.5 Máy sau khi lắp ráp hồn chỉnh.................................................................88
Hình 3.6 Tủ điện sau khi hồn thành đấu nối ...........................................................89
Hình 3.7 Cài đặt đơn vị cho Mach3 ..........................................................................90
Hình 3.8 Cài đặt Motor Outputs cho Mach3 ............................................................90
Hình 3.9 Cài đặt giới hạn hành trình cho máy .........................................................91
Hình 3.10 Cài đặt nút nhấn cho Mach3 ....................................................................91
Hình 3.11 Cài đặt thơng số cho động cơ bước .........................................................92
Hình 3.12 Cài đặt thơng số động cơ bước trục X .....................................................92
Hình 3.13 Cài đặt thơng số động cơ bước cho trục Y ...............................................93
Hình 3.14 Cài đặt thơng số động cơ trục Z...............................................................94
Hình 3.15 Giao diện chính của phần mềm Mach3 ...................................................95
Hình 3.16 Khung điều chỉnh tốc độ động cơ trục chính và tốc độ tiến dao .............96
Hình 3.17 Giao diện MDI phần mềm Mach3............................................................97
viii


Hình 3.18 TAB MPG (Tay quay ảo) .........................................................................97
Hình 3.19 Tay cầm Xbox 360 ....................................................................................98
Hình 3.20 Kết nối tay cầm Xbox để điều khiển Mach3 .............................................99
Hình 3.21 Cửa sổ Run ...............................................................................................99
Hình 3.22 Lấy địa chỉ tay cầm điều khiển.................................................................99
Hình 3.23 Mở cửa sổ Config Plugins......................................................................100
Hình 3.24 Cửa sổ Plugin Control and Activation ...................................................100
Hình 3.25 Cài đặt nút nhấn cho tay cầm ................................................................101
Hình 3.26 Giao diện Inventor CAM ........................................................................102
Hình 3.27 Thiết kế phơi ở mơi trường 3D ...............................................................103

Hình 3.28 Khai báo phơi .........................................................................................103
Hình 3.29 Khai báo kích thước phơi .......................................................................104
Hình 3.30 Xây dựng chương trình gia cơng............................................................104
Hình 3.31 Khai báo dụng cụ cắt .............................................................................105
Hình 3.32 Khai báo biên dạng cắt ..........................................................................105
Hình 3.33 Khai báo các mặt phẳng di chuyển của dụng cụ cắt .............................106
Hình 3.34 Khai báo tốc độ tiến dao ........................................................................106
Hình 3.35 Khai báo chiều sâu cắt mỗi lần xuống dụng cụ cắt ...............................107
Hình 3.36 Mơ phỏng q trình gia cơng .................................................................107
Hình 3.37 Xuất chương trình gia cơng ...................................................................108
Hình 3.38 Nạp chương trình gia cơng ....................................................................108
Hình 3.39 Khai báo phơi gỗ hình vng. ................................................................109
Hình 3.40 Mơ phỏng chạy dao hình vng trên phơi gỗ ........................................110
Hình 3.41 Thực nghiệm phay hình vng trên vật liệu gỗ ......................................110
Hình 3.42 Sản phẩm gỗ hình vng sau gia cơng ..................................................111
Hình 3.43 Khai báo phơi gỗ hình trịn ....................................................................111
Hình 3.44 Mơ phỏng chạy dao phay hình trịn trên phơi gỗ...................................112
Hình 3.45 Thực nghiệm phay hình trịn trên vật liệu gỗ .........................................112
Hình 3.46 Sản phẩm gỗ hình trịn sau gia cơng......................................................113
Hình 3.47 Khai báo phơi mica hình vuông .............................................................114
ix


Hình 3.48 Mơ phỏng chạy dao phay hình vng trên phơi mica ............................114
Hình 3.49 Thực nghiệm phay hình vng trên vật liệu mica ..................................114
Hình 3.50 Sản phẩm mica hình vng sau gia cơng ...............................................115
Hình 3.51 Khai báo phơi mica hình trịn ................................................................116
Hình 3.52 Mơ phỏng chạy dao hình trịn trên phơi mica ........................................116
Hình 3.53 Thực nghiệm phay hình trịn trên vật liệu mica .....................................116
Hình 3.54 Sản phẩm mica hình trịn sau gia cơng ..................................................117

Hình 3.55 Khai báo phơi nhơm hình vng ............................................................118
Hình 3.56 Mơ phỏng chạy dao hình vng trên phơi nhơm ...................................118
Hình 3.57 Thực hiện phay hình vng trên vật liệu nhơm ......................................119
Hình 3.58 Sản phẩm nhơm hình vng sau gia cơng..............................................119
Hình 3.59 Khai báo phơi nhơm hình trịn ...............................................................120
Hình 3.60 Mơ phỏng chạy dao hình trịn trên phơi nhơm.......................................120
Hình 3.61 Thực nghiệm phay hình trịn trên vật liệu nhơm ....................................121
Hình 3.62 Sản phẩm nhơm hình trịn sau gia công .................................................121

x


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1 Lực dọc trục và phần trăm tương ứng trục Z ............................................19
Bảng 2.2 Lực dọc trục và phần trăm tương ứng trục X ............................................23
Bảng 2.3 Lực dọc trục và phần trăm tương ứng trục Y ............................................26
Bảng 2.4 Tính chất vật lý khung thép........................................................................70
Bảng 2.5 Thơng số thép 40x80 ..................................................................................70
Bảng 3.1 Thông số ban đầu khi chạy thực nghiệm .................................................109
Bảng 3.2 Kết quả cắt hình vng trên vật liệu gỗ...................................................111
Bảng 3.3 Kết quả cắt hình trịn trên vật liệu gỗ ......................................................113
Bảng 3.4 Kết quả cắt hình vng trên vật liệu mica ...............................................115
Bảng 3.5 Kết quả cắt hình trịn trên vật liệu mica ..................................................117
Bảng 3.6 Kết quả cắt hình vuông trên vật liệu nhôm ..............................................120
Bảng 3.7 Kết quả cắt hình trịn trên vật liệu nhơm .................................................122

xi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Thuật ngữ viết tắt
APT
ATC
CAD
CAM
CCW
CIM
CNC
CW
DNC
FMS
IC
IGBT
MIT
NC
OPTO
PVC
TTL
USB

Thuật ngữ đầy đủ
Automatically Programmed Tool.
Auto Tool Changer
Computer – Aided Design
Computer – Aided Manufacturing
Counter ClockWise
Computer Integrated Manufacturing
Computer Numerical Control
ClockWise
Direct Numerical Control.

Flexible Manufacturing System.
integrated circuit
Insulated Gate Bipolar Transistor
Massachusett Institute of Technology.
Numerical Control
Optocoupler
Polyvinyl Clorua
Transistor-Transistor Logic
Universal Serial Bus

xii


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Luận văn “Thiết kế chế tạo máy phay CNC 3 trục” trình bày chi tiết q trình
tính toán thiết kế máy phay CNC 3 trục phục vụ cho học tập, nghiên cứu và đào tạo.
Máy được thiết kế chế tạo với vùng hoạt động 350mmx600mmx125mm. Với sai số
0,1mm.
Thơng qua khảo sát đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước để đưa
ra mục tiêu cụ thể của đề tài. Từ đó sử dụng phần mềm Inventor để tính tốn thiết kế
mơ hình máy phay CNC 3 trục.
Đề tài cũng trình bày chi tiết thiết kế, lắp đặt hệ thống điện điều khiển máy.
Thực nghiệm máy với các vật liệu khác nhau như:khắc, cắt, phay hình trịn và hình
vng trên các vật liệu gỗ, mica và nhơm.
Kết quả máy được chế tạo hoàn thành đáp ứng được mục tiêu đã đặt ra là sai số
0.1mm, máy vận hành tốt, chi phí chế tạo thấp, máy dễ dàng thao tác và điều khiển,
gia công được nhiều loại vật liệu khác nhau như: gỗ, nhựa, mica, nhôm,…

xiii

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trước đây việc gia công cơ khí được thực hiện hồn tồn trên các máy cơ như:
Tiện cơ, phay cơ. Việc gia công như thế này rất tốn kém thời gian và năng suất thấp.
Để vận hành các loại máy này đòi hỏi một máy phải có một thợ. Điều này đồng nghĩa
các sản phẩm tạo ra sẽ khơng nhiều, hơn nữa độ chính xác sẽ không cao, dẫn đến hiệu
quả kinh tế thấp.
Sau một thời gian cải tiến, máy CNC đã ra đời nhằm khắc phục những khuyết
điểm trên các máy cơ. Công nghệ CNC được hiểu là q trình gia cơng được điều
khiển bằng máy tính. Để sử dụng, việc cần làm là thực hiện q trình gia cơng trên
máy tính bằng các phần mềm CAM. Sau khi q trình gia cơng trên máy tính đã hồn
thành thì phần mềm sẽ xuất ra code NC của q trình gia cơng. và việc cần làm bây
giờ là chuyển code này vào máy CNC. Khai báo dao, phơi thì máy CNC sẽ gia cơng
đúng như q trình gia cơng trên máy tính. Từ đó sẽ nâng cao năng suất làm việc, sản
phẩm cho ra có độ chính xác cao, làm tăng hiệu quả kinh tế.
Sự ra đời của công nghệ CNC đã đánh dấu một bước ngoặc lớn trong cuộc cách
mạng sản xuất cơ khí và hiện nay nó vẫn đang phát triển khơng ngừng cho ra những
sản phẩm hoàn hảo nhất. Người ta sử dụng máy CNC để gia công các loại sản phẩm
khác nhau từ gỗ cho đến đá và kim loại.
 Trong lĩnh vực sản xuất đồ gỗ, máy CNC được sử dụng để gia công các hoa
văn, chạm khắc các chi tiết một cách nhanh chóng.
 Trong các lĩnh vực sản xuất đồ gia dụng và lắp ráp các loại xe, máy CNC cịn
được sử dụng để gia cơng các khn đúc, các chi tiết máy,… Cho thiết kế tinh
xảo và độ chính xác cao.
 Trong lĩnh vực gia cơng kết cấu thép, máy cắt CNC được sử dụng để cắt các
bản mã kim loại có hình dáng phức tạp với độ chính xác tuyệt đối. Mỏ cắt CNC
vẫn dùng là cắt gas oxy, cắt plasma và cao cấp hơn là cắt lazer.
Ngày nay việc sản xuất các bộ phận kim loại mà không sử dụng công nghệ CNC
là điều không tưởng. Lợi ích của việc sử dụng máy CNC là rất nhiều. Do tính linh

hoạt của quy trình gia cơng (đặc biệt là với phay và tiện CNC), độ chính xác và tốc
xiv


độ xử lý (cắt CNC). Trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất công nghiệp như: ô tô, xe
máy, điện tử, thiết bị y tế, hàng không, hàng tiêu dùng, thiết bị cơng nghiệp, q trình
gia cơng chủ yếu được thực hiện tự động hóa và rất linh hoạt trong sản xuất nhờ việc
ứng dụng máy công nghiệp điều khiển số CNC.
Ở nước ta, các máy CNC đang được sử dụng rất phổ biến trong sản xuất, trong
đào tạo và nghiên cứu khoa học. Trên thực tế, các máy CNC đang sử dụng do Đài
Loan, Trung Quốc, Nhật Bản, Đức sản xuất, có phần điều khiển mua của các hãng
nổi tiếng như FANUC, MITSUBISHI, nhưng giá thành tương đối cao. Do đó, một số
cơ sở đào tạo các ngành kỹ thuật, trong đó có Khoa Kỹ Thuật Cơ Khí, Trường Đại
Học Kỹ Thuật – Công Nghệ Cần thơ chưa đáp ứng đầy đủ trang thiết bị để phục vụ
cho quá trình đào tạo, thực tập, thực hành cho sinh viên cũng như nghiên cứu khoa
học. Vì vậy việc tập trung nghiên cứu để tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình máy phay
CNC 3 trục là cần thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
 Nghiên cứu phương pháp xuất G – CODE từ phần mềm INVENTOR.
 Nghiên cứu cách sử dụng phần mềm Mach3.
 Nghiên cứu cách sử dụng mạch Mach3 để điều khiển máy phay CNC 3 trục.
 Nghiên cứu phương pháp thiết kế máy trên phần mềm INVENTOR.
 Nghiên cứu các phương án thiết kế máy CNC.
 Nghiên cứu, tính tốn lựa chọn động cơ.
 Nghiên cứu, tính tốn lựa chọn phương pháp dẫn hướng phù hợp.
Phương pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu tài liệu
Nghiên cứu tổng hợp tài liệu lý thuyết về: thiết kế chi tiết máy, công nghệ chế
tạo máy, cơng nghệ lập trình gia cơng CNC, cách sử dụng phần mềm Mach3. Nghiên
cứu lý thuyết q trình gia cơng cắt gọt trên máy phay CNC làm cơ sở cho việc tính

tốn, lựa chọn kết quả, kích thước và đảm bảo khả năng làm việc của máy sau khi
chế tạo và sử dụng. Sau khi nghiên cứu phương pháp lập trình gia cơng trên máy
CNC, từ đó đưa ra chương trình NC của một số chi tiết cụ thể.
 Nghiên cứu thực nghiệm
Sử dụng phần mềm vẽ kỹ thuật 2D, 3D để thiết kế các chi tiết máy và thiết kế
tồn bộ mơ hình của máy phay CNC 3 trục. Ứng dụng phần mềm Mach 3 để lập trình,
xv


điều khiển và mơ phỏng q trình gia cơng các chi tiết trên màn hình máy tính. Chế
tạo các chi tiết máy và tồn bộ mơ hình máy trên cơ sở thiết bị hiện có, với mục đích
sử dụng mơ hình này trong việc gia cơng các vật liệu như: nhơm, nhựa mica, gỗ,…
Nhằm phục vụ cho q trình thực hành, thực tập của sinh viên và việc nghiên cứu của
cán bộ chuyên môn.
Phạm vi nghiên cứu
 Thiết kế máy phay CNC 3 trục trên phần mềm Inventor.
 Chế tạo máy CNC với diện tích hoạt động 350mmx600mmx125mm.
 Chế tạo máy với sai số là 0.1mm.
 Sử dụng mạch và phần mềm Mach3 để điều khiển máy.
 Gia công trên nhiều loại vật liệu khác nhau như: nhôm, nhựa, mica, gỗ,…
Bố cục đề tài
 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN.
 CHƯƠNG II: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ.
 CHƯƠNG III: CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM.
 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ.

xvi


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số
1.1.1 Khái niệm điều khiển
Điều khiển là q trình thu thập thơng tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ
thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước.
Điều khiển tự động là q trình điều khiển khơng cần sự tác động của con người
[1].
1.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ
Người ta chia hệ thống điều khiển trên máy công cụ ra làm hai loại:
 Điều khiển theo kiểu truyền thống.
 Điều khiển số.
1.1.2.1 Điều khiển theo kiểu truyền thống
Hệ thống điều khiển theo kiểu này gồm: điều khiển theo quãng đường, điều
khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì,… Nhìn chung các loại điều khiển này
có chung các đặc điểm chính sau đây:
Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi,
gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm.
Các thao tác của hệ thống điều khiển thường khó thay đổi. Do vậy, nó khơng
thích ứng với sự thay đổi sản phẩm.
Nếu khơng có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu
trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi
được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp.
Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những hệ thống
điều khiển mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các
hệ thống điều khiển theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo
mức độ cơ khí hố, tự động hố của nhà máy sản xuất nhưng vẫn chưa thực sự đáp
ứng được nhu cầu của thực tế.

SVTH: Đặng Hoài Bảo

1


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1.2.2 Điều khiển số
Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hố đặc biệt.
Máy cơng cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc
độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với tồn bộ những kết quả và tham
số vật lí hồn tồn có thể dự đốn được. Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử
lý. Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia cơng thành các tín hiệu điều
khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngồi,
chứ khơng phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây [2].
1.2 Khái niệm về CNC
CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) –
đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất
(có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử
dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D,
thường gọi là mã G [3].
1.3 Nghiên cứu của nước ngồi
Máy tiện gia cơng kim loại thực tế đầu tiên được Henry Maudslay phát minh
vào năm 1800. Nó đơn giản là một công cụ máy giữ mẩu kim loại đang được gia công
trong một bàn kẹp hay trục quay và quay mẩu kim loại này. Công cụ cắt này được
nhân viên vận hành vận dụng qua việc sử dụng cái quay tay hay vơ lăng [4, 5].

Hình 1.1 Máy tiện do Henry Maudslay chế tạo

SVTH: Đặng Hoài Bảo

2

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Độ chính xác về kích cỡ được nhân viên vận hành điều khiển bằng cách quan
sát đĩa chia độ trên vô lăng và di chuyển công cụ cắt theo số lượng hợp lý. Mỗi chi
tiết được sản xuất ra đòi hỏi vận hành viên lặp lại những cử động trong cùng trình tự
và với cùng kích thước.
Chiếc máy phay đầu tiên được vận hành theo cách thức tương tự như vậy, ngoại
trừ công cụ cắt được đặt ở trục chính đang quay. Phơi được lắp trên bệ máy hay bàn
làm việc và di chuyển theo công cụ cắt, qua việc sử dụng vô lăng để gia công đường
mức của phôi. Chiếc máy phay này do Eli Whitney phát minh năm 1818. Những
chuyển động được sử dụng trong các công cụ máy được gọi là trục và đề cập đến 3
trục: “X” (thường từ trái qua phải), “Y” (trước ra sau) và “Z” (trên và dưới). Bàn làm
việc cũng có thể được quay theo mặt ngang hay dọc, tạo ra trục chuyển động thứ tư.
Một số máy còn có trục thứ năm, cho phép trục quay theo một góc.

Hình 1.2 Máy phay do Eli Whitney chế tạo
Một trong những vấn đề của những dòng máy ban đầu này là chúng đòi hỏi nhân
viên vận hành phải sử dụng vơ lăng để tạo ra mỗi chi tiết. Ngồi tính nhàm chán và
gây mệt mỏi về thể chất, khả năng chế tạo các chi tiết của vận hành viên cũng bị hạn
chế. Chỉ một khác biệt nhỏ trong vận hành sẽ dẫn đến những thay đổi trong kích thước
trục và khi đó, tạo ra những chi tiết khơng phù hợp. Mức độ kim loại vụn được tạo ra
từ những hoạt động như vậy là khá cao, lãng phí nguyên liệu thơ và thời gian lao
SVTH: Đặng Hồi Bảo

3


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
động. Khi số lượng sản xuất tăng lên, càng có nhiều chi tiết bị hỏng. Do đó, điều cần

thiết ở đây là một phương tiện vận hành các chuyển động của máy một cách tự động.
Những nỗ lực ban đầu để “tự động hóa” các hoạt động này sử dụng một loạt cam để
di chuyển dao cụ hay bàn làm việc qua những liên kết (linkage). Khi cam quay, một
liên kết lần theo bề mặt của mặt cam (cam face), di chuyển công cụ cắt hay phôi qua
một dãy các chuyển động. Mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng chuyển
động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao. Một số máy vẫn còn
tồn tại cho tới ngày nay và được gọi là máy “Swiss” (máy kiểu Thụy Sĩ), một cái tên
đồng nghĩa với gia cơng chính xác.

Hình 1.3 Máy phay kiểu Swiss
Bên cạnh đó việc điều khiển số cũng đang dần phát triển xuất phát từ ý tưởng
điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công
cụ điều khiển số được thực hiện từ mãi thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các
chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn
của nhà thờ.
Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự
động các máy dệt.

SVTH: Đặng Hoài Bảo

4


CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nổi tiếng thế giới. Với băng
giấy đục lỗ làm vật mang tin.
Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận
rằng việc tính tốn và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân.
Từ năm 1949 đến 1952, John Parsons và Học viện kỹ thuật MIT (Massachusett
Institute of Technology) đã thiết kế “một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ,

để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thơng qua dữ liệu đầu ra của một máy tính,
làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của Không lực
Hoa Kỳ.

Hình 1.4 Máy cắt của John T. Parsons
Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4
tiên đề cơ bản sau:
 Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. Các
đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động.
 Những vị đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính tốn
cho các giá trị trung gian nội tại.
 Các động cơ servo (vơ cấp) có thể điều khiển được chuyển động các trục.
Năm 1952, chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên ra đời mang tên là “Cincinnati
Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật MIT cung cấp. Đơn vị điều khiển
SVTH: Đặng Hoài Bảo

5