NGHIÊN cứu THIẾT kế và CHẾ tạo máy PHAY CNC 4 TRỤC sử DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MACH3 ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG NHÔM và KIM LOẠI màu

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC 4 TRỤC SỬ
DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MACH3 ỨNG DỤNG TRONG GIA CÔNG NHÔM
VÀ KIM LOẠI MÀU
RESEARCHING DESIGN AND MANUFACTURING 4-AXIS CNC MILLING
MACHINE USING MACH3 SOFTWARE APPLIEDTO MANUFACTURE
ALUMINUM AND FERROUS METALS
Đặng Minh Phụnga, Lê Hiếu Giangb, Nguyễn Văn Lâmc,
Nguyễn Trường Hảid, Lê Tấn Cườnge
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM
a
b
, , c
d
,
TÓM TẮT
Ngày nay, công nghệ chế tạo máy điều khiển số CNC ở các nước phát triển đã đạt đến
mức hoàn thiện cao. Trong khi đó ở Việt Nam, các công trình nghiên cứu chế tạo máy CNC là
chưa nhiều, đặc biệt là nghiên cứu về CNC 4 trục, 5 trục. Bài báo này trình bày một số kết quả
nghiên cứu máy phay CNC 4 trục sử dụng phần mềm Mach3 ứng dụng trong gia công nhôm
và kim loại màu. Kết quả thử nghiệm cho thấy máy phay CNC 4 trục hoạt động tốt, các chi
tiết gia công đạt độ chính xác 0,02 mm. Kết quả này sẽ là kết quả tham khảo tốt cho việc phát
triển lên máy phay CNC 5 trục, giúp nâng cao quá trình tự động hóa và gia công được các
biên dạng phức tạp.
Từ khóa: máy phay,CNC, 4 trục, Mach3, nhôm, kim loại màu
ABSTRACT
Nowadays, in the developed countries, technology of manufacturing computerized
numerical control (CNC) machines has reached a high level of perfection. Meanwhile, in
Vietnam, there have not been many studies on computerized numerical control (CNC)
machines, especially on 4-axis CNC milling machines and 5-axis CNC milling machines.

This paper presents the results of the research into a 4-axis CNC milling machine using
Mach3 applied to manufacture aluminium and ferrous metals. Test results showed that the 4axis CNC milling machine worked well and the manufacturing components achieved
precision of 0.02 mm.The results will be a good reference to develop 5-axis CNC milling
machines, improve the level of automation and manufacture complex shapes.
Keywords: milling, CNC, 4-axis, mach3, aluminium,ferrous metals
1. GIỚI THIỆU
Ngày nay, khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển thì máy móc hiện đại cũng ra đời
ngày càng nhiều. Chỉ xét riêng lĩnh vực gia công cơ khí, hàng loạt máy CNC ra đời, máy
CNC 3 trục, 4 trục, 5 trục, trung tâm gia công, máy CNC cao tốc... nhờ đó mà năng suất sản
xuất cũng như chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao. Ngoài ra máy CNC còn có các
ưu điểm như: sự linh hoạt, khả năng tự động, độ chính xác cao, gia công những hình dạng
phức tạp một cách nhanh chóng chỉ với một tập tin mã lệnh G-Code nhập cho máy.
Tuy nhiên giá thành nhập khẩu máy phay CNC 4 trục vẫn còn cao. Vì vậy việc nghiên
cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC 4 trục với kích thước nhỏ gọn và giá thành thấp nhưng vẫn
đảm bảo hoạt động hiệu quả, góp phần vào việc từng bước giải mã và làm chủ công nghệ chế
tạo máy phay CNC 4 trục, từng bước thay thế các thiết bị nhập ngoại giá thành cao phục vụ
112


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
trong việc đào tạo nghề cho các trường trung cấp, phục vụ cho việc nghiên cứu, giảng dạy trong
các phòng thí nghiệm của các trường đại học, cao đẳng cũng như nhận gia công một số sản
phẩm không cần độ chính xác cao như khuôn mẫu (có độ chính xác không quá cao), chi tiết cơ
khí, sản phẩm nữ trang, sản phẩm điêu khắc, từng bước thử nghiệm, nâng cao độ cứng vững và
độ chính xác của máy. Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy phay
CNC 4 trục được thực hiện tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
2. MÔ HÌNH THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC 4 TRỤC
Dựa vào yêu cầu làm việc của máy phay CNC 4 trục, có cụm trục A gắn trên bàn máy
của cụm trục X. Vì vậy cũng cần yêu cầu hành trình tịnh tiến trục Z đủ dài để đảm bảo không
gian làm việc của máy. Phương án thiết kế máy phay CNC 4 trục được đề xuất như sau:

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 4 trục
Máy phay CNC 4 trục được cấu tạo từ các bộ phận cơ bản sau:

(1): Cụm trục X;
(2): Cụm trục Y;
(3): Cụm trục A;
(4): Cụm trục Z;
(5): Đối trọng;
(6): Ụ chống tâm.

Hình 2: Mô hình thiết kế 3D máy phay CNC 4 trục
113


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.1. Cụm trục X
Nhiệm vụ của cụm trục X: là điều khiển bàn máy tịnh tiến theo phương X.
(1): Tấm đế;
(2): Tấm trung gian;
(3): Trục vitme;
(4): Gối đỡ;
(5): Động cơ bước;
(6): Khớp nối mềm;
(7): Ray trượt;
(8): Bàn máy.
Hình 3: Mô hình thiết kế cụm trục X
2.2. Cụm trục Y
Nhiệm vụ của cụm trục Y: mang cụm trục X và cụm trục A tịnh tiến theo phương Y.
(1): Gối đỡ;

(2): Trục vitme;
(3): Chi tiết bắt đai ốc;
(4): Đế máy;
(5): Động cơ bước;
(6): Ray trượt;
(7): Con trượt.
Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Y
2.3. Cụm trục Z
Nhiệm vụ của cụm trục Z: là điều khiển cụm trục dao tịnh tiến theo phương Z.

(1): Thân đứng;
(2): Gá Spindle;
(3): Spindle;
(4): Tấm trung gian;
(5): Con trượt;
(6): Ray trượt;
(7): Động cơ bước.

Hình 4: Mô hình thiết kế cụm trục Z
114


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
2.4. Cụm trục A
Nhiệm vụ của cụm trục A: là điều khiển chi tiết gia công xoay quanh trục X.

Hình 5: Mô hình thiết kế cụm trục A
(1): Mâm cặp; (2): Mặt bích; (3): Thân đứng; (4): Động cơ bước
Thông số kỹ thuật của máy:
Đặc tính kỹ thuật

Thông số

Kích thước bàn máy

700 x 290 mm

Hành trình vít me

400 x 320 x 300 mm

Không gian có thể gia công (kích thước
380 x 300 x 260 mm
phôi lớn nhất có thể gia công được)
Động cơ bước

Độ phân giải 1000 xung/vòng

Động cơ trục chính

24000 vòng/ph, công suất 2,2kW

Tốc độ cắt lớn nhất

350 ÷ 400 mm/ph (sâu 2 mm)

Ổ chứa dao

1

Đường kính dao tối đa

12 mm

Khả năng gia công

Phay biên dạng 2D, 3D, 4D khắc chữ,
khoan, gia công mặt cong phức tạp

Độ chính xác đo đạc sau gia công

0,02 mm

115


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3. SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC 4 TRỤC

Hình 6. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy phay CNC 4 trục
4. PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC 4 TRỤC

Hình 7.Giao diện điều khiển phần mềm Mach3
Thời kỳ đầu Mach3 CNC được coi là phần mềm mã nguồn mở. Vì vậy Mach3 CNC
được phát triển nhanh, giao diện phong phú, nhiều tính năng, tiêu chuẩn CAD/CAM. Ngày
116


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
nay, Mach3 CNC (hãng sản xuất: ArtSoft USA) trở thành phần mềm thương mại nhanh hiện

đại, giá thành thấp và được nhiều người sử dụng, với các đặc tính cơ bản sau:
- Giao tiếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng LPT, cho phép biến một PC thành
một bộ điều khiển máy CNC thời gian thực.
- Bộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với các máy như: phay CNC, tiện CNC,
cắt Plasma, máy khắc, cắt Laser.
- Giao diện đẹp, dễ dàng tùy biến theo ý thích của người sử dụng.
- Nhận file G-code, M-Code tiêu chuẩn từ các phần mềm CAM
- Mô phỏng quá trình làm việc rất rõ ràng, khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng.
- Cho phép đọc các file có định dạng dxf, bmp, jpg, và các file hpgl qua LazyCam kèm
theo Mach3.
- Cho phép set vị trí Home của phôi thông qua các phím của bàn phím máy tính.
- Chức năng nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver các trục.
5. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN
+ Máy phay CNC 4 trục sử dụng vòng điều khiển hở: sử dụng động cơ bước. Sử dụng
động cơ bước là cách đơn giản để chuyển các xung điện thành lượng di chuyển tỉ lệ và cung
cấp một giải pháp tương đối rẻ tiền cho việc điều khiển máy. Bởi vì điều khiển hở nên không
cần bộ dò và mạch điện phản hồi, nên cấu trúc điều khiển rất đơn giản.
+ Độ chính xác của hệ thống phụ thuộc vào tính năng của động cơ bước, độ chính xác
của vít me bi và bộ phận truyền động.

Hình 8. Vòng điều khiển hở

Hình 9. Mạch động lực điều khiển động cơ
117


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 10. Sơ đồ mạch điều khiển máy CNC 4 trục [7]

Hình 11. Tủ điện điều khiển
Nguồn: Chuyển điện áp xoay chiều 220V xuống 1 chiều ổn định 24V để nuôi mạch
driver điều khiển 4 trục.
Driver điều khiển động cơ bước: Truyền chuyển động cho vitme để ổn định tín hiệu
truyền.
Mạch giao tiếp BOB có nhiệm vụ kết nối giữa máy tính PC, mạch điều khiển động cơ,
các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp,… đưa tín hiệu từ máy tính vào mạch điều khiển
driver, đồng thời khi tín hiệu qua mạch đệm sẽ được ổn định hơn về đường truyền.
Động cơ trục chính: Spindle DC 2,2 kW, 24000 vòng/ph.
Đường kính dao lớn nhất d max = Ø12mm.
6. CHẾ TẠO – THỬ NGHIỆM
Máy phay CNC 4 trục đã được chế tạo thành công và đạt được những kết quả sau:
118


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 12. Máy phay CNC 4 trục

Hình 13, Sản phẩm gia công trên máy CNC 4 trục
Đánh giá quá trình gia công thử nghiệm:
+ Tiến hành gia công 10 mẫu nhôm kích thước thiết kế 30x30x10, sử dụng thước kẹp
điện tử có độ chính xác 0,01 mm để đo kích thước 10 mẫu theo 2 phương X, Y như sau:

Hình 14. 10 mẫu 30x30x10 gia công trên máy CNC 4 trục
Bảng 1. Giá trị kích thước đạt được sau khi gia công 10 mẫu đo theo 2 phương X, Y
Mẫu
Kích thước
Mẫu
Kích thước

1

2

3

4

5

30x30

30x30

30,01x30,01

30x30,01

30x30,01

6

7

8

9

10

30x30,01

30,01x30,01

30,01x30,01

30x30

30,01x30,01

119


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
+ Dựa vào bảng kích thước đạt được sau khi gia công thử nghiệm 10 mẫu nhôm đo theo
2 phương X, Y: máy phay CNC 4 trục đạt độ chính xác 0,02 mm.
7. KẾT LUẬN
Bài báo trình bày một số kết quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC 4 trục. Máy
đã được chế tạo và chạy thử đạt kết quả tốt:
- Gia công các chi tiết cơ khí, đồ trang trí, nữ trang bằng nhôm, gỗ và kim loại màu.
- Độ chính xác gia công đạt 0,02 mm.
- Máy hoạt động ổn định, êm.
- Dễ bảo trì, bảo dưỡng.
- Phục vụ tốt cho việc nghiên cứu, giảng dạy ở các trường đại học, cao đẳng, trung cấp
nghề…
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] TS. Bùi Quý Lực, Hệ thống điều khiển số trong công nghiệp, NXB KHKT, Hà Nội 2006.
[2] TS. Lê Hiếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Máy Điều Khiển Theo Chương
Trình Số, ĐH SPKT TP HCM 2005.

[3] James Floys-Kelly, Patrick Hood-Daniel, Build your own CNC machine, 2009
[4] User’s guide Mach3 driver, Letech Co. LTD.
[5] Mach3 CNC controller software installation and configuration.
[6] THK General Catalog.
[7] />THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Đặng Minh Phụng, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: , DĐ: 0906814944.

2.

Lê Hiếu Giang, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: , DĐ: 0938308141.

3.

Nguyễn Văn Lâm, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: , DĐ: 01654094095.

4.

Nguyễn Trường Hải, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: , DĐ: 0934706625.

5.

Lê Tấn Cường, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM,
Email: , DĐ: 0909744100.

120