Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cánh tay robot phục vụ cho việc tạo mẫu nhanh khắc laser và gia công CNC

..

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH
----------------------

CƠNG TRÌNH DỰ THI

GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA
LẦN THỨ XX NĂM 2018

TÊN CÔNG TRÌNH:

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY
ROBOT PHỤC VỤ CHO VIỆC TẠO MẪU NHANH,
KHẮC LASER VÀ GIA CÔNG CNC

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: Kỹ thuật công nghệ
CHUYÊN NGÀNH: Cơ khí -Tự động hố

Mã số cơng trình: …………………………….
(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC ....................................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ...................................................................................................... iv

TĨM TẮT ĐỀ TÀI ....................................................................................................... vi
PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ .................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết đề tài ..............................................................................................1
1.2. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................4
PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .......................................................................5
PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................12
3.1. Mục tiêu của đề tài .............................................................................................12
3.2. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................13
PHẦN 4: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ ......................................................................14
KẾT QUẢ CÔNG TRÌNH ............................................................................................14
4.1 Thiết kế chế tạo máy...........................................................................................14
4.1.6 Nghiên cứu tính toán phần động học cho cho kết cấu máy .........................14
4.1.2 Phương thức hoạt động và kết cấu cơ bản của máy khắc laser và CNC ......16
4.1.3 Thiết kế khung máy ......................................................................................19
4.1.4 Hệ thống truyền động các trục điều khiển đầu phun. ...................................20
4.1.5 Hệ thống động cơ AC servo mitsubishi HF .................................................21
4.1.6 Nguyên lý cơ bản và phương án kết cấu cơ khí của máy .............................24
4.2 Kết Quả - Thảo Luận ..........................................................................................25
4.2.1 Thi công phần điều khiển .............................................................................25
4.2.2 Kết quả thiết kế và thi cơng phần cơ khí ......................................................34
4.2.3 Kết quả thực hiện mơ hình và gia cơng sản phẩm........................................40


ii
PHẦN 5: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................47
PHỤ LỤC ......................................................................................................................48
CODE LẬP TRÌNH C VI ĐIỀU KHIỂN & CÁC BẢN VẼ THIẾT KẾ .....................48

iii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4. 1: Thông số kỹ thuật của board Arduino..........................................................26
Bảng 4. 2 : Các thông số cảm biến ................................................................................33


iv

DANH MỤC HÌNH
Chương 1
Hình 1. 1: Thiết kế sản phầm trên các phần mềm CAD ..................................................1
Hình 1. 2: Kỹ thuật gia công truyền thống không thể gia công được các mẫu phức tạp 2
Hình 1. 3: Khắc chữ và logo ............................................................................................2
Hình 1. 4: Cắt kim loại bằng laser ...................................................................................3
Hình 1. 5: Máy CNC đang làm việc ................................................................................3
Chương 2
Hình 2. 1: Các mặt hàng thủ công mỹ nghệ ứng dụng gia công tạo mẫu, gia công CNC
và khắc laser tại doanh nghiệp trong nước ......................................................................6
Hình 2. 2: Máy in 3D bán trên thị trường với giá 2,600$................................................7
Hình 2. 3: CubeX bán trên thị trường với giá 1,999$......................................................7
Hình 2. 4: Lĩnh vực giáo dục ...........................................................................................7
Hình 2. 5: Lĩnh vực sản xuất ...........................................................................................8
Hình 2. 6: Lĩnh vực kiến trúc xây dựng ..........................................................................8
Hình 2. 7: Lĩnh vực giải trí ..............................................................................................9
Hình 2. 8 Với máy in 3D Scara các mẫu thiết kế được chế tạo rất nhanh chóng ..........10

Chương 4
Hình 4. 1: Các thơng số của robot scara ........................................................................14

Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý cắt bằng laser .....................................................................16
Hình 4. 3: Phương thức chuyển động máy CNC ...........................................................17
Hình 4. 4: Mơ hình kết cấu máy CNC đơn giản ............................................................18
Hình 4. 5: Kết cấu robot scara trong cơng nghiệp .........................................................19
Hình 4. 6: Mẫu kết cấu khung cơ khí máy tham khảo ..................................................19
Hình 4.7: Mơ hình bản vẽ 3D bản in .............................................................................20
Hình 4.8 Trục Vít me ổ bi truyền động và dẫn hướng ..................................................21
Hình 4.9: Động cơ AC servo mitsubishi HF. ................................................................22
Hình 4.10: Bên trong của một động cơ bước ................................................................23
Hình 4. 11: Cấu tạo động cơ bước và cách điều khiển ..................................................23
Hình 4.12. Nguyên lý tạo hình phun theo lớp ...............................................................24


v
Hình 4.13: Hình đầu phun di chuyển theo Gcode phức tạp ..........................................25
Hình 4. 14: Sơ đồ khối điều khiển tổng quan ................................................................25
Hình 4. 15: Hình dạng thực tế của broad điều khiển chính ...........................................26
Hình 4. 16: Mạch chun lý khối giao tiếp với máy tính ..............................................27
Hình 4. 17: Khối tạo nguồn 3.3V ..................................................................................27
Hình 4. 18: Khối điều khiển chính ................................................................................28
Hình 4. 19: Mạch nguyên lý và mạch layout toàn board ..............................................29
Hình 4. 20: Mạch nguyên lý driver step motor .............................................................30
Hình 4. 21: Mạch layout stepper driver .........................................................................31
Hình 4. 22: Mạch ngun lý board cơng suất ................................................................31
Hình 4. 23: Mosfet .........................................................................................................32
Hình 4. 24: Nguyên lý hoạt động của mosfet ................................................................32
Hình 4. 25: Mạch layout board cơng suất đầu nhiệt ......................................................33
Hình 4. 26: Cảm biến nhiệt độ thử nghiệm ...................................................................33
Hình 4. 27: Điện trở nhiệt và nguyên lý ........................................................................34
Hình 4. 28: Bản thiết kế phần khung hồn chỉnh ..........................................................35

Hình 4. 29: Đầu dùn nhựa .............................................................................................35
Hình 4. 30: Cụm đùn nhựa lắp trên máy .......................................................................36
Hình 4. 31: Các chi tiết của đầu phun thiết kế...............................................................36
Hình 4. 32: Hình dáng thi cơng đầu nhiệt chức năng in 3D ..........................................37
Hình 4. 33: Bồ đỡ đầu phun in 3D, khắc laser và cắt phay CNC ..................................38
Hình 4. 34: Tia laser được ứng dụng nhiều trong công nghiệp .....................................39
Hình 4. 35: Đầu tạo tia laser được sử dụng trong mơ hình ...........................................39
Hình 4. 36: Đầu khắc phay CNC được sử dụng trong mơ hình thực hiện chức năng
phay ...............................................................................................................................39
Hình 4. 37: Mơ hình hồn chỉnh ....................................................................................40
Hình 4. 38: Kết quả mơ hình thực hiện in 3D trên máy in ............................................41
Hình 4. 39: Mơ hình in thử khi lắp đầu khắc laser ........................................................41
Hình 4. 40: Mơ hình cơ khí khi lắp động cơ vào thân máy ...........................................42
Hình 4. 41: Mơ hình cơ khí cố định đầu cắt CNC .........................................................42


vi

TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Cơng trình nghiên cứu khoa học này trình bày vê việc chế tạo máy máy in 3D
vừa có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính, vừa được tích hợp
thêm chức năng khắc laser cơng suất nhỏ để khắc hình dạng mong muốn và vừa có thể
tự động tự động tực hiện q trình gia cơng phay cơ khí chi tiết khi thay đổi kết cấu
đầu trục chính.
Máy có kết cấu cơ khí được thiết kế và tính tốn động học dựa trên động học của
Robot Scara đảm bảo việc chuyển động nội suy phức tạp. Q trình tính tốn được
ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo cơ khí để hồn thiện mơ hình máy sao cho đảm
bảo đạt độ chính xác cao, đáp ứng đầy đủ yêu cầu thực tiễn và hồn tồn có khả năng
ứng dụng vào thực tế. Mơ hình đã hồn thành và có thể thực hiện chức năng tạo mẫu
nhanh chi tiết, vừa khắc hình dạng mong muốn sử dụng tia laser và kết hợp gia công

phay CNC tự động.
Hiện nay, máy in 3D là công nghệ mới và mang lại nhiều giá trị thúc đẩy phát
triển nhiều ngành như cơ khí, xây dựng, y học… trong tương lai có thể thay thế dần
phương pháp gia công cơ, hạn chế ô nhiễm môi trường, rút ngắn thời gian tạo mẫu
mới. Việc kết hợp máy in 3D với cắt chức năng khắc laser và phay CNC góp phần cho
người sử dụng có thể ứng dụng một máy nhưng thực hiện nhiều ứng dụng trong quá
trình sản xuất cũng như việc học tập và đào tạo tại trường phổ thông, đại học trong
nước.


1

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1. Tính cấp thiết đề tài
Hiện nay, trên thế giới các ngành công nghiê ̣p sản xuấ t đã và đang rấ t phát triể n
với trình độ ngày càng tiên tiến. Lươ ̣ng hàng hóa sản xuấ t ngày mô ̣t tăng cao theo nhu
cầ u thi ̣ trường, các sản phẩ m không ngừng thay đổ i mẫu mã và đươ ̣c suấ t hàng loa ̣t.
Điề u này kéo theo mô ̣t yêu tố quan trọng không kém trong sản xuất hàng hóa công
nghiê ̣p hàng loa ̣t hiê ̣n đa ̣i chính là ta ̣o mẫu nhanh. Viê ̣c ta ̣o mẫu nhanh để nhanh chóng
chuyể n từ ý tưởng thiế t kế ra vâ ̣t thể thâ ̣t là rấ t quan tro ̣ng. Hiê ̣n ta ̣i có rấ t nhiề u công
nghê ̣ ta ̣o mẫu nhanh khác nhau mỗi công nghê ̣ đề u có những ưu nhươ ̣c điể m riêng.

Hình 1. 1: Thiết kế sản phầm trên các phần mềm CAD
Mu ̣c đić h của các phương pháp ta ̣o mẫu nhanh là ta ̣o ra các mẫu ý tưởng, các mô
hình đánh giá thử nghiê ̣m thiế t kế nhằ m mô phỏng hoa ̣t đô ̣ng. Cũng có thể hiể u sản
phẩ m ta ̣o mẫu nhanh giố ng như là mô ̣t bản vẽ phác thảo 3 chiề u của sản phẩ m. Nó sẽ
là rấ t cầ n thiế t để nhà sản xuấ t đánh giá tin
́ h thẩ m my,̃ phát hiê ̣n các lỗi thiế t kế ... trước
khi đi vào sản xuấ t hàng loa ̣t để tung ra thi ̣ trường. Máy in 3D ra đời để giải quyết
những khó khăn của người thợ tạo mẫu, nhà thiết kế để làm tiền đề cho sản xuất công

nghiệp. Q trình ta ̣o một mẫu cơng nghiê ̣p với máy in 3D không hao tố n quá nhiề u
nguyên vâ ̣t liê ̣u, máy không qua cồ ng kề nh to lớn và đă ̣c biêt có thể ta ̣o những chi tiế t
nô ̣i suy bên trong phức ta ̣p, hơn hẳ n những máy gia công cơ khí khổ ng lồ tạo mẫu.


2

Hình 1. 2: Kỹ thuật gia cơng truyền thống khơng thể gia công được các mẫu phức tạp
Cũng giống với các hệ thống tạo mẫu nhanh khác, đầu vào cho mơ hình là tập tin
định dạng STL, phần mềm sẽ chia mơ hình thành các lớp. Máy 3D sẽ in các lớp bằng
các nhựa kết dính lại với nhau. Để in, đầu phun nhựa rải một lớp vật liệu theo hình ảnh
cắt ngang (lát cắt) của chi tiết. Sau mỗi lớp hồn tất, piston sẽ dịch xuống hành trình
bằng chiều dày lớp vật liệu trước đó để q trình lặp lại cho các lớp tiếp theo. Thực
chất đây là công nghệ tạo lớp tuỳ theo các đặc điểm của vật liệu và dạng hình học của
vật thể. Sai số tạo hình khơng những phụ thuộc vào cách cắt lớp, độ dày phân lớp, mức
di chuyển tạo độ dày từng lớp, mà quan trọng hơn là phần mềm xử lý khi được cập
nhật thơng tin về độ dày thực tế. Vì vậy việc nâng cao độ chính xác tạo hình vẫn được
quan tâm nhiều nhất.
Việc tạo mẫu nhanh sẽ rất có nhiều khuyết điểm là không thể tạo những vật lõm
hay hình dạng đẹp, sắc sảo như logo trên mẫu. Như vậy, thường khi tạo mẫu cũng nên
áp dụng phương pháp gia công bằng tia laser để tạo các logo lên sản phẩm. Ứng dụng
tia Laser phát triển rất nhanh, nó đã xâm nhập vào nhiều ứng dụng trong cuộc sống và
sản xuất.

Hình 1. 3: Khắc chữ và logo


3
Laser cịn có thể thay thế các phương pháp gia cơng cổ điển như gia cơng bằng
cơ… độ chính xác rất cao.

Hình 1. 4: Cắt kim loại bằng laser
Tuy nhiên máy gia cơng bằng tia laser chỉ có thể thực hiện việc gia công thường
áp dụng gia công cắt đứt chi tiết hay khắc hình thơng thường. Máy gia cơng laser
khơng thể tạo các hình dạng 3D phức tạp như đầu dao cắt máy CNC. Hiện nay, máy
CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở nước ta. Đặc
biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hố và cơ khí chính xác, việc nghiên cứu ứng
dụng các máy CNC tạo điều kiện cho q trình tự động hố, linh hoạt hố các dây
chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và các trường đạo tạo
kỹ thuật quan tâm.

Hình 1. 5: Máy CNC đang làm việc


4
Như vậy với những ưu điểm và khuyết điểm của ba loại máy in 3D, máy khắc
laser và máy CNC chúng ta có thể kết họp lại những ưu điểm để tạo ra một máy có giá
thành phù hợp vừa đáp ứng được nhu cầu cần thiết của việc nghiên cứu, tạo mẫu 3D,
ứng dụng sản xuất hay học tập là điều rất cần thiết.

1.2. Lý do chọn đề tài
Việc chế tạo thành công máy in 3D rất thuận lợi cho quá trình học tập, nghiên
cứu cho sinh viên, học sinh, doanh nghiệp sản xuất. Bên cạnh những ưu việt đặc biệt
của máy in 3D cũng có những khuyết điểm như: sản phẩm in ra chưa được sắc nét,
kích thước vật thể in ra cịn nhỏ, hiệu suất khơng cao, thời gian tạo mẫu lâu.
Để khắc phục được những khuyết điểm của máy in 3D và có những tính năng ưu
việt không xa lạ với chúng ta là máy khắc laser. Máy khắc laser gia công ra những sản
phẩm chi tiết đạt độ chính xác cao, thời gian gia cơng nhanh, tiết kiệm được chi phí.
Một điều cần quan tâm là máy in 3D và máy khắc laser có cùng nguyên lý hoạt động
là điều khiển qua lập trình máy tính, sự di chuyển các trục Ox, Oy và Oz kết hợp đầu

phun (máy in 3D) và đầu khắc (máy khắc laser) cũng gần như máy CNC là gia công là
sản xuất ra các sản phẩm bề mắt 3D phức tạp, chi tiết có kích thước nhỏ, độ chính xác
cao, khối lượng gia công cắt gọt lớn do đầu dao cắt có hiệu suất cao.
Những ý tưởng nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một chiếc máy có thể kết hợp những
ưu điểm ba chức năng của máy in 3D, máy khắc laser và máy phay CNC là rất khả thi
và hồn tồn có thể thực hiện được. Trong tương lai, dự đốn máy nếu được đầu tư
nghiên cứu có thể ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu học tập của sinh viên hiện
nay, thực hiện gia công các chi tiết có kích thước lớn, địi hỏi u cầu thẩm mỹ, kỹ
thuật cao, hạ chi phí sản xuất và giá thành sản phẩm mang lại nhiều giá trị cho xã hội
là điều quan trọng nhất trong giai đoạn công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước hiện
nay.
Do vậy, tơi quyết định chọn đề tài:
“NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁNH TAY ROBOT PHỤC VỤ
CHO VIỆC TẠO MẪU NHANH, KHẮC LASER VÀ GIA CÔNG CNC ”


5

PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 Tổng quan đề tài
Thách thức đă ̣t ra là công nghê ̣ in 3 chiề u , khắc laser và gia công CNC vẫn là
mô ̣t phát kiế n khá mới mẻ và phức ta ̣p. Làm sao để ta ̣o mẫu nhanh mô ̣t cách hiê ̣u quả,
thân thiê ̣n với người dùng, phù hơ ̣p với thi ̣ hiế u, nhu cầ u và giá thành hơ ̣p lý. Từ
những thực tiễn cơng nghiê ̣p khả quan đó, việc thiết kếm tính tốn và chế tạo máy in
3D vừa có chức năng tạo mẫu nhanh các chi tiết thiết kế trên máy tính. Trên bộ phận
đầu đùn máy in 3D có thiết kế đặc biệt có thể thay đổi đầu đùn nhựa máy in 3D thành
đầu khắc laser có cơng suất nhỏ để khắc hình dạng mong muốn. Ngồi chức năng in
3D, khắc laser máy cịn có thể tự động tự hiện q trình gia cơng mạch điện tử chi tiết
khi thay đổi đầu trục gia cơng mạch in.

2.2 Tình hình trong nước:
Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp có sản xuất chế tạo và kinh doanh mặt hàng
công nghệ tạo mẫu nhanh, máy gia công CNC và máy khắc laser nhưng với giá thành
tương đối cao. Bên cạnh đây là một khía cạnh khoa học mới chưa được nghiên cứu và
phát triển phổ biến hay gần như là hoàn toàn mới lạ.
Thực tế cho thấ y ta ̣o mẫu nhanh công nghiê ̣p vẫn chưa phát triể n trong nước và
đây là sản phẩm mới trong khuôn khổ đề tài khoa học, công nghệ cấp nhà nước về
phát triển công nghệ phục vụ công nghiệp. Đa phầ n ta ̣o mẫu từ các máy gia công cơ
hoă ̣c chi là bản mẫu 3D trên máy tin
́ h thông qua các phầ n mề m vẽ 3D. Do vậy cần
thúc đẩy thương mại và nội địa hóa sản xuất sao cho các doanh nghiệp Việt Nam biết
và ứng dụng một cách hiệu quả hơn bên cạnh các máy gia công mạch in và máy khắc
laser hiện tại đã ứng dụng nhiều ở doanh nghiệp trong nước.


6

Hình 2. 1: Các mặt hàng thủ cơng mỹ nghệ ứng dụng gia công tạo mẫu, gia công
CNC và khắc laser tại doanh nghiệp trong nước
Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và phong
phú. Các sản phẩm do máy CNC tạo ra trong nước tập trung các lĩnh vực dùng để chế
tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành kinh tế
khác như: cơng nghiệp nặng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị vận
chuyển như ơ tơ, tàu hoả,…), cơng nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực phẩm,…),
cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ,…), cơng nghệ thông
tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn thơng,…),
các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học…
Máy CNC và khắc laser cũng có thể dùng hiện nay tại các doanh nghiệp Việt ứng
dụng để tạo ra các sản phẩm thông dụng và sản phẩm công nghệ cao được sử dụng
trong cuộc sống và trong công nghiệp: khuôn mẫu dùng để tạo ra các chi tiết bằng

nhựa dùng trong cuộc sống hàng ngày, các chi tiết để cấy và chế tạo các ống nano, các
chi tiết bằng vật liệu sinh học để thay thế xương trong y học, các đồ gá dùng trong sản
xuất chíp điện tử…

2.3 Tình hình trên thế giới:
Cơng nghệ tạo mẫu nhanh đã và đang phát triển không ngừng trên thế giới với
hàng loạt các sản phẩm được nâng cấp và cải tiến từng ngày [8]. Hàng loạt các tên tuổi
các dòng sản phẩm 3D printer ra đời như Reprap, Ultimaker, MakerBot, Cubify
Cube...


7

Hình 2. 2: Máy in 3D bán trên thị trường với giá 2,600$

Hình 2. 3: CubeX bán trên thị trường với giá 1,999$
Tạo mẫu nhanh có nhiều ứng dụng đa dạng cho nhiều lĩnh vực như giáo dục,sản
xuất xây dựng, giải trí, y học...
Lĩnh vực Giáo dục:
Hiện thực hóa mọi mẫu ý tưởng tù đơn giản đến phức tạp 1 cách chính xác, tạo
những chi tiết, mơ hình trực quan rất phù hợp cho phát triển giáo duc, phát triển khả
năng tư duy trong thiết kế.

Hình 2. 4: Lĩnh vực giáo dục


8
Lĩnh vực sản xuất và xây dựng:
Những mẫu mơ hình là hết sức cần thiết và cực kì quan trọng trong khâu kiểm tra
đánh giá và thẩm định trước khi đưa ra sản xuất hàng loạt.

Hình 2. 5: Lĩnh vực sản xuất

Hình 2. 6: Lĩnh vực kiến trúc xây dựng
Sử dụng thiết kế mơ hình cho kiến trúc xây dựng. Không chỉ dừng lại ở những
bản vẽ với tiêu chuẩn tỷ lệ trên giấy, với sự hỗ trợ của máy in 3D những bản vẽ đã
đươc 3 chiều hóa đưa ra một cái nhìn bao qt, tổng thể các cơng trình kiến trúc địi
hỏi tính thẩm mỹ cho các kiến trúc sư trước khi tiến hành thi công và dễ dàng trình bày
ý tưởng với đối tác.
Lĩnh vực cơng nghiệp Giải trí:
Từ lâu đúc nhựa đã là cốt lõi của việc tạo hình các sản phẩm đồ chơi, vật dụng
giải trí. Tuy nhiên những khơng đúc mẫu với các chi tiết phức tạp ln là khó khăn
trong ngành cơng nghiệp này. Máy in 3D ra đời đã nhanh chóng và đơn giản hóa khả
năng tạo các loại khn đúc phức tạp cho các vật liệu, thiết bị giải trí..


9

Hình 2. 7: Lĩnh vực giải trí
Đúc khn vỏ mỏng:
Đúc khn vỏ mỏng là một q trình đúc chính xác để chế tạo là những chi tiết
có hình dáng sắc cạnh từ các hợp kim. Hiệu quả chủ yếu khi áp dụng phương pháp tạo
mẫu nhanh trong công nghệ đúc khn vỏ mỏng là khả năng tạo ra mẫu có độ chính
xác cao, chi phí thấp và thời gian để tạo mẫu ngắn.
Chế tạo dụng cụ:
Người ta ứng dụng công nghệ tạo mẫu nhanh trong chế tạo dụng cụ như điện cực
trong gia công tia lửa điện, chế tạo các khe hở hoặc ruột của khuôn phun nhựa, ống
dẫn hệ thống điều hòa nhiệt độ…

10

Hình 2. 8 Với máy in 3D Scara các mẫu thiết kế được chế tạo rất nhanh chóng
Hiện nay, để thiêt kế và chế tạo máy in 3D trên thế giới và ở Việt Nam có thể cần
có máy cơng cụ CNC, máy khắc laser. Việc chế tạo ra máy cơng cụ tự động CNC đã
đạt tới trình độ rất cao. Máy CNC được nghiên cứu và đầu tư để tạo ra các loại máy
móc thiết bị, dây chuyền sản xuất để phục vụ tất cả các ngành công nghiệp khác. Có
thể phân loại các máy CNC như sau:
- Các máy CNC dùng để cắt gọt kim loại bằng dụng cụ cắt (theo công nghệ
truyền thống): máy phay CNC, máy tiện CNC, các trung tâm tiện và phay CNC, máy
mài CNC


11
- Các máy CNC dùng để gia công theo công nghệ phi truyền thống: máy xung
tia lửa điện, máy cắt dây tia lửa điện, máy cắt bằng Plasma, cắt bằng Laser, máy tạo
mẫu nhanh RP
- Các máy CNC dùng để gia công biến dạng bằng áp lực: máy đột tự động theo
chương trình, máy cán, máy ép, máy dập điều khiển số
- Các máy CNC chuyên dụng phục vụ cho các ngành công nghiệp sản xuất hàng
loạt hoặc đặc biệt: sản xuất phụ tùng ô tô, đồ tiêu dùng, sản xuất vũ khí, hố chất độc
hại…
Ứng dụng CNC để gia cơng là rất cần thiết để phát triển cơ khí giúp thỏa mãng cơng
nghệ và tự động hóa sản xuất nâng câo năng xuất sản xuất.

2.4 Vấn đề tồn tại và hướng giải quyết vấn đề
Vấn đề tồn tại lớn nhất ở các máy cơ khí là độ chính xác cao thì giá thành cũng
cao, khơng thể kết hợp nhiều chức năng trên một máy trong khi chức năng gần như
tương tự. Kết cấu các máy CNC còn khá phứt tạp cần có máy gọn nhẹ phù hợp cho
nghiên cứu học tập và sản xuất vừa thực hiện tạo mẫu, kết hợp khắc laser nhưng vẫn

có thể thực hiện việc gia cơng cơ khí một cách cơ bản.
Hướng giải quyết:
Máy chế tạo nên có khả năng kết hơp được nhiều chức năng in 3D, khắc laser
trên cùng máy.
Thiết kế cơ khí đảm bảo thực hiện ba chức năng và kết cấu đầu điều khiển linh
hoạt, có thể tháo lắp đễ dàng và tay đổi 3 chức năng: in 3D, khắc laser và phay CNC
một cách nhanh gọn, đễ dàng
Kết cấu máy dạng robot song song được ứng dụng trong công nghiệp có ưu điểm
thực hiện nội suy tốt và có khả năng nội suy đường thẳng, đường cong và đạt độ chính
xác cao.
Giá thành chế tạo phù hợp, chi phí đầu tư thấp nhưng làm được nhiều chức năng
là ưu tiên hàng đầu.


12

PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Mục tiêu của đề tài
Từ những vấn đề tồn tại, đề tài nghiên cứu phải có các mục tiêu cơ bản sau:
- Chế tạo mơ hình có chức năng như một máy in 3D có thể in ra vật thể bằng
nhựa PLA từ các bản thiết kế trên các phần mềm mô phỏng và thiết kế 3D bằng
phương pháp FFF (Fused Filament Fabrication). Máy in 3D điều khiển bằng
chương trình số NC (Numerical control), máy có thể đọc được G-code để vừa
thực hiện chức năng in 3D, vừa khắc khi kết hợp đầu khắc laser công suất
2000mW để khắc vật liệu mềm, vừa chức năng như máy phay CNC khi thay đầu
phun mực máy in thành đầu cắt quay tốt độ cao.
- Ứng dụng thuật toán điều khiển robot song song vào điều khiển máy in 3D
để đạt được độ chính xác u cầu khi gia cơng in 3D có sai số từ 0.05 đến
0.1mm.
- Khả năng gia cơng tạo hình in 3D, khắc laser hay cắt CNC được các chi tiết

kích thước từ dài x rộng x cao trong khoảng từ 150x150x200mm.
- Thiết kế và thi cơng phần cơ khí để hồn thiện mơ hình máy đảm bảo các
chức năng in, khắc cắt các vật liệu nhẹ. Tiến hành chế tạo và lắp ráp hồn thiện
mơ hình máy in 3D với độ chính xác cao.
- Thiết kế, ứng dụng mạch điện và hệ thống mã nguồn mở Ardiuno cơ sở để
thực hiện quá trình điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z và đầu đùn
nhựa E để tạo hình vật thể theo thuật tốn của robot song song.
-

Thiết kế thi công hệ thống điện điều khiển, lắp đặt các cử hành trình an

tồn khi vận hành, hệ thống kiểm soát nhiệt độ cho đầu phun và đế nhiệt, hệ
thống quạt làm mát đầu phun..v..v…
- Ứng dụng các phần mềm cắt lớp sẵn có như Slic3r, CURA…để xuất mã Gcode cho máy in hoạt động, các phần mềm Match3 để xuất chương trình điều
khiển máy in 3D thành máy khắc laser hay cắt phay CNC


13

3.2. Phương pháp nghiên cứu
- Xác định rõ đối tượng nghiên cứu của đề tài là máy in 3D điều khiển bằng
chương trình số dựa trên G-code, khơng chỉ thực hiện chức năng in 3D mà cịn
có thể khắc và cắt như một máy CNC khổ nhỏ.
- Người nghiên cứu tập trung nghiên cứu thiết kế, thi công hệ thống cơ khí,
hệ thống điều khiển cho máy in 3D, nhưng phù hợp chức năng khắc laser và cắt
CNC
- Phương pháp xây dựng mơ hình trên phần mềm thiết kế Solidwork.
- Nghiên cứu lập trình và ứng dụng kho mã nguồn mở để Ardiuno xây dựng
và phát triển hệ thống điều khiển chính xác vị trí đầu đùn nhựa PLA cho máy in
3D, nghiên cứu ứng dụng khả năng cắt vật liệu của tia laser và chọn đầu khắc tốc

độ phù hợp đảm bảo khối lượng không quá nặng để cắt vật liệu như máy CNC.
- Phương pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet…


14

PHẦN 4: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ
KẾT QUẢ CƠNG TRÌNH
4.1 Thiết kế chế tạo máy
4.1.6 Nghiên cứu tính tốn phần động học cho cho kết cấu máy
Các thơng số hình học:
Robot Scara với cơ cấu chấp hành tịnh tiến và quay quanh truc với các thơng số được
cho trong hình bên dưới.

Z2 Z3

Z
1

Y

Y2

1

Y3
Z1
X2 X3

O1

02O3
Z
0

Y
0

X
O0

0

Hình 4. 1: Các thơng số của robot scara
Trước tiên ta tìm ma trận chuyển đổi đồng nhất từ hệ tọa độ O4X4Y4Z4 về hệ tọa độ
gốc. Hệ toạ độ quy chiếu của robot được xác định theo quy tắc David - Hetenberg như
trên hình 4.13.


15

Bảng D-H:
Khâu

Ѳi

α1

ai

di

1

Ѳ1 *

0

0

d1

2

0

0

a2

d2*

3

Ѳ3 *

0

0

0

Ma trận chuyển hệ tọa độ O4X4Y4Z4 về gốc tọa độ:

A1 =

A3 =

T4 =

A2 =


16
Ta có hệ phương trình động học của robot như sau:
Nx =
Ny =
Nz = 0
Ox =
Oy =
Oz = 0
Ax = 0
Ay = 0
Az = 1
Px =

Py =

Pz =

4.1.2 Phương thức hoạt động và kết cấu cơ bản của máy khắc laser và CNC
Nguyên lý cơ bản của máy khắc laser về mặt động học hoàn toàn giống máy in
3D. Kết cấu di chuyển cũng là sự tịnh tiến theo ba phương.Tuy nhiên, quá trình đùn
nhựa được thay bằng quá trình cắt cắt bằng tia laser có thể được mơ tả như sau:

Hình 4. 2: Sơ đồ nguyên lý cắt bằng laser
Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung
lên bề mặt chi tiết gia cơng nhờ hệ thống thấu kính. Chùm tia này đốt nóng vật liệu và
tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm).
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia cơng bởi một dịng khí có áp lực cao,
đồng trục với chùm tia laser. Đối với một số loại vật liệu thì dịng khí này làm tăng tốc
q trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.


17
Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo
một quỹ đạo và vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được có thể thực hiện bằng
cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương phản xạ hoặc chuyển động cơ
khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Cũng có máy thiết kế cả hai
loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di chuyển theo một phương và chi
tiết gia công được di chuyển theo phương còn lại. Các hệ thống tự động hóa hồn tồn
cho phép cắt được các hình dáng 3D.
Cũng như máy khắc laser, chuyển động tịnh tiến các trục kết hợp đầu gia cơng
cắt gọt để tạo hình chi tiết gia cơng 3D.

Hình 4. 3: Phương thức chuyển động máy CNC
Ngày nay, các máy trang bị điều khiển NC vẫn cịn thơng dụng. đây là hệ điều
khiển đơn giản với số lượng hạn chế kênh thông tin. Trong hệ điều khiển NC, các
thơng số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều khiển được cho dưới dạng dãy
các con số. Hệ điều khiển NC làm việc theo nguyên tắc sau đây: sau khi mở máy thứ

nhất và thứ hai được đọc. Chỉ sau quá trình đọc kết thúc, máy mới bắt đầu thực hiện
lệnh thứ nhất, trong thời gian này thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ
thống điều khiển. Sau khi hoàn thành việc thực hiện lệnh thứ nhất máy bắt đầu thực


18
hiện lệnh thứ hai lấy từ bộ nhớ ra. Trong khi thực hiện lệnh thứ hai, hệ điều khiển thực
hiện lệnh thứ ba được đưa vào chỗ bộ nhớ mà lệnh thứ hai vừa được giải phóng ra.

Hình 4. 4: Mơ hình kết cấu máy CNC đơn giản

Lựa chọn phương án thiết kế máy kết hợp phải thỏa mãn yếu tố:
Cơ khí máy phải có kích thước vừa phải, chuẩ n mẫu ta ̣o ra phải phù hơ ̣p với
chuẩ n mẫu công nghiê ̣p. Không cầ n thiế t quá to và cũng không đươ ̣c quá nhỏ. Sao cho
sản phẩ m mẫu phải trực quan thể hiên đươ ̣c như bản thiế t kế.
Phầ n mề m phải đảm bảo có thể truyề n tải tấ t cả các đinh
̣ da ̣ng sản phẩ m 3D từ
các file hình vẽ 3D dưới đuôi STL.
Phầ n điê ̣n tử phải đảm bảo chấ t lươ ̣ng ổ n đinh
̣ cao, nhằ m duy trì máy hoa ̣t đô ̣ng
với công suấ t tố t nhấ t và bề n lâu.
Có giá thành thấ p hơn giá thành thấ p hơn ngoài nước nhưng đảm bảo chấ t lươ ̣ng
ngang bằ ng.
Các chi tiết máy có thể dễ dàng thay thế và tìm thấy chi tiết thay thế khơng khó
khăn và giá thành khơng cao.
Có thể tận dụng máy vào công việc khác ( điều này liên quan trực tiếp đến việc
kinh doanh sản phẩm chế tạo ra).
Dễ dàng di chuyển cũng như vận chuyển đi xa.