Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU
KHIỂN SỐ PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CÔNG

MÃ SỐ: SV2018-88

SKC 0 0 6 9 6 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ
PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CƠNG”
Mã số đề tài: SV2018-88
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY PHAY, ĐIÊU KHẮC GỖ ĐIỀU KHIỂN SỐ
PHỤC VỤ CÁC LÀNG NGHỀ THỦ CƠNG”
Mã số đề tài: SV2018-88
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật
SV thực hiện:
Nguyễn Anh Tuấn
Nam/nữ: nam
Nguyễn Thanh Tùng
Nam/nữ: nam
Nguyễn Văn Phúc
Nam/nữ: nam
Dân tộc: Kinh
Lớp: 14144CL1
Khoa: Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao
Năm thứ: 4
Số năm đào tạo: 4 năm
Ngành học: Cơng nghệ Kỹ thuật cơ khí
Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Huy Tuân

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2018


MỤC LỤC
Trang
....................................................................................................................................................1

MỤC LỤC .................................................................................................................................3

DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................................5
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .....................................................................................................8
1.1
1.2
1.3
1.4

.Tính cấp thiết của đề tài: .............................................................................. 8
.Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn: ...................................................... 8
.Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: .................................................................. 8
.Tình hình chạm khắc đồ gỗ hiện nay: ............................................................. 8

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .............................................................11
2.1. Khái quát về máy cnc: ........................................................................................ 11
2.1.1. Khái niệm: ........................................................................................................ 11
2.1.2. Phân loại: ......................................................................................................... 11
2.1.3. Ưu điểm máy cnc: ............................................................................................ 11
2.2. Chọn cơ cấu dẫn động cho các trục: ................................................................... 11
2.2.1 Sử dụng động cơ bước: ................................................................................ 11
2.2.2. Tính cơng suất động cơ trục X: ....................................................................... 13
2.2.3. Tính cơng suất động cơ trục Y: ....................................................................... 14
2.2.4. Tính công suất động cơ trục Z: ........................................................................ 15
2.3 Cơ cấu truyền động: ............................................................................................. 16
2.4 Mạch nguồn: ........................................................................................................ 17
2.5 Phần mềm điều khiển :......................................................................................... 18
2.6 Chọn spindle trục chính : ..................................................................................... 19
2.7 Dụng cụ khắc (dao V Shaped Flat Bottom Cutters (Dao khắc 3D)): .................. 22
CHƯƠNG 3: HOÀN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY ..................................23
3.1. Tính tốn kiểm bền phần cơ khí: ........................................................................ 23
3.1.1 Kiểm bền đế khung máy và vai trục Y: ..................................................... 23

3.1.2 Kiểm bền vai trục X và thanh truyền động trục Y: ................................. 25
3.1.3 Kiểm bền giá đỡ spindle trục chính: ................................................................. 27
3.2. Lắp đặt hệ thống giải nhiệt và dây dẫn điện cho máy: ....................................... 29
3.3. Lắp đặt bàn máy: ................................................................................................. 30
3.4 . Kết cấu của máy: ................................................................................................ 31
3.4.1 Thiết kế và chế tạo các chi tiết máy điển hình:................................................. 32
3


CHƯƠNG 4 : HOÀN THÀNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHỨC NĂNG HỔ
TRỢ GIA CÔNG .....................................................................................................................35
4.1. Giới thiệu về phần mềm mach 3: ........................................................................ 35
4.2. Lựa chọn động cơ bước: ..................................................................................... 38
4.3. Thông số mạch mach 3: ...................................................................................... 39
4.4 Thiết kế hệ thống điện: ........................................................................................ 40
4.4.1. Thiết kế tủ điện: ............................................................................................... 40
4.4.2. Sơ đồ đấu nối của toàn bộ hệ thống điều khiển: .............................................. 41
4.5. Các chức năng hổ trợ khi gia cơng: .................................................................... 44
CHƯƠNG 5: GIA CƠNG THỬ NGHIỆM NHIỀU CHẾ ĐỘ ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH 47
5.1. Gia cơng mica để kiểm tra độ chính xác của máy: ............................................. 47
5.2. Gia công thử trên gỗ mềm: ................................................................................. 48
5.3. Gia công thử nghiệm trên các loại gỗ làm bàn ghế, tủ thờ … ............................ 50
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN ......................................................................................................52
6.1. Kết quả đạt được ................................................................................................. 52
6.2. Kết quả chưa đạt được: ....................................................................................... 52
6.3. Mục tiêu phát triển đề tài: ................................................................................... 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................53

4

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 2. 1 Bảng thơng số tính tốn ................................................................................... 20
Bảng 2. 2 Thơng số spindle ............................................................................................... 22
Bảng 4. 1 Thông số cổng LPT ........................................................................................... 36

5


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
 Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo máy phay, điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các
làng nghề thủ công”
 SV thực hiện: Nguyễn Anh Tuấn
Mã số SV: 14144243
Nguyễn Thanh Tùng
14144146
Nguyễn Văn Phúc

14144218

 Lớp: 14144CL1
Khoa: Khoa Đào Tạo Chất Lượng Cao
 Năm thứ: 4
Số năm đào tạo: 4 năm
 Người hướng dẫn: PGS.TS. Phạm Huy Tuân
2. Mục tiêu đề tài:

 Chế tạo máy CNC khắc gỗ nhỏ gọn, giá cả hợp lý
 Công dụng khắc ảnh, chữ, logo, hoặc hình vẽ trên bất kỳ bề mặt các vật liệu phi
kim loại như: gỗ, mica ... Sản phẩm sẽ có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các lĩnh
vực như thủ công mỹ nghệ, khảm trai, khắc dấu, đồ lưu niệm.
3. Tính mới và sáng tạo:
 Trên thực tế để tạo ra các hình dạng phức tạp trên bề mặt gỗ, vải, giấy,… địi hỏi
người gia cơng phải có tay nghề, thẩm mỹ cao, tốn nhiều thời gian, năng suất thấp.
Vì thế máy CNC khắc gỗ được ra đời nhằm tạo ra các sản phẩm nhanh chóng đáp
ứng được nhu cầu thị trường, nâng cao năng suất, giảm thời gian và nguồn nhân
lực.
4. Kết quả nghiên cứu:
 Hồ sơ thiết kế, chế tạo và lắp ráp máy phay gỗ điều khiển số
 01 mơ hình máy phay kích thước 1360x965x1087 mm
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và
khả năng áp dụng của đề tài:
Máy đã được chuyển giao cho:
 Cơ sở sản xuất mộc Minh Khánh
 Địa chỉ: thôn Đồng Phố, xã Tân Dân, huyện Phú Xuyến, Hà Nội.
 Người đại diện: Nguyễn Văn Khiển
 Điện thoại: 0977.446.847
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí
nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày 30 tháng 5 năm 2018
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)
6


Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề

tài (phần này do người hướng dẫn ghi):
Nhóm sinh viên đã vận dụng tốt những kiến thức được trang bị trong thời gian học tập
để giải quyết được vấn đề thực tế, đáp ứng được yêu cầu của khách hàng. Đây sẽ là
một trải nghiệm quý báu trước khi sinh viên ra trường và làm việc trong thực tế.
Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

Ngày 30 tháng 5 năm 2018
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

PGS.TS. Phạm Huy Tuân

7


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 .Tính cấp thiết của đề tài:
Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, yêu cầu cùng với đó là tự động hóa sản
xuất trong các dây chuyền mà máy điều khiển số CNC đóng một vai trò quan
trọng. Với sự ra đời của các máy CNC hiện đại, lĩnh vực gia cơng cơ khí chính xác
đã đạt được nhiều thành tựu, có khả năng gia cơng các chi tiết phức tạp, chính xác
và nâng cao năng suất.
Nhu cầu về máy CNC ở Việt Nam là rất lớn, tuy nhiên việc nhập khẩu các máy
CNC ở các nước phát triển như Đức, Nhật, Trung Quốc... có chất lượng tốt nhưng
giá thành lại rất cao, khó bảo trì. Đó là yếu tố thúc đẩy một số người ham học hỏi,
nghiên cứu, chế tạo các máy CNC nhỏ gọn, rẻ tiền nhưng vẫn đáp ứng nhu cầu sản
xuất.
Tại Việt Nam, do tranh khắc gỗ và các đồ mỹ nghệ, vật dụng nội thất bằng gỗ
có nhu cầu rất lớn (vật dụng nội thất trong nhà như bàn, ghế, tranh treo tường…

cũng như các sản phẩm mỹ nghệ làm quà lưu niệm cho khách du lịch nước ngoài
với mẫu mã đa dạng góp phần thu hút khách du lịch đến nước ta).Vậy mà những
sản phẩm ấy chỉ dựa vào tay nghề của người thợ, vì thế khơng thể đạt độ chính xác
cao, năng suất thấp, sản phẩm lỗi. Vì thế, đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay, điêu
khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công” là cần thiết và cấp thiết.
1.2 .Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn:
Nghiên cứu, chế tạo máy CNC địi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng hợp về
cơ khí, điện tử, tin học. Đây cũng là cơ hội cho họ tìm tịi, kiểm nghiệm, hiểu sâu
rộng hơn về những máy CNC hiện đại để từ đó chế tạo ra máy CNC phù hợp với
khả năng và nhu cầu sử dụng.
Đề tài mà nhóm đang thực hiện sẽ giúp nhóm củng cố kiến thức và kỹ năng về
mọi mặt. Sản phẩm sau khi hồn thành có thể phục vụ sản xuất gia cơng trong
ngành điêu khắc, trang trí, nội thất trong nhà bằng gỗ…
1.3 .Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
 Hoàn thiện hệ thống điều khiển và các chức năng hỗ trợ gia công.
 Gia công thử nghiệm máy với nhiều chế độ để đánh giá độ ổn định.
 Hồn thiện giao diện.
 Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính
xác theo u cầu.
1.4 .Tình hình chạm khắc đồ gỗ hiện nay:
Ở nước ta chặm khắc gỗ là một nghề mang tính cổ truyền của nhân dân ta. Nó được
hình thành và phát triển qua nhiều thời đại và kinh nghiệm được truyền từ đời này
sang đời khác để chế tác các sản phẩm từ gỗ mang những nét đặc trưng về văn hoá dân
tộc, với việc sử dụng ngun liệu, phương pháp chạm khắc có tính truyền thống riêng.
Trong nghề chạm khắc gỗ, phần lớ dụng cụ thủ công như chàng tách, các loại đục…
Tạo ra các bức hoa văn, phù điêu, lèo, bệ tủ chè, bệ sập, tượng người, con giống …
Cùng với sự phát triển của kinh tế - xã hội, nhu cầu về giá trị nghệ thuật của con
người cũng tăng cao các vật dụng như tủ, giường, bàn ghế cũng như các mặt hàng
khác có giá trị văn hố đang có xu hướng phát triển tương đối mạnh tại một số làng
nghề và nhiều cơ sở sản xuất trên cả nước và hiện nay, tranh khắc gỗ của nước ta rất

được các khách du lịch trong và ngoài nước ưa chuộng.
8


Hình 1. 1 Tranh khắc gỗ
Từ những nhu cầu thực tế về số lượng đơn hàng lớn và mẫu mã cố định nhưng
đòi hỏi sản phẩm mộc chạm khắc ngày càng có nhiều nét cải tiến về đường nét, hoa
văn, kiểu dáng … để phù hợp với yêu cầu và thị hiếu của người tiêu dùng thì máy
CNC điêu khắc gỗ đã được ra đời nhằm đáp ứng mục tiêu đó.

Hình 1. 2 Một số máy phay gỗ CNC
Những lợi ích nó mang lại là vơ cùng lớn như:
9


Tăng cao năng suất lao động: Cùng một thời gian, máy CNC khắc gỗ cnc giúp
công suất làm việc tăng lên nhiều lần, lượng sản phẩm tạo ra trong ngày cao hơn rất
nhiều so với việc làm thủ công như trước.
Tiết kiệm thời gian: máy khắc CNC giúp tận dụng tối đa thời gian hiện có của
mình để thực hiện ước mơ một cách nhanh nhất có thể.
Tiết kiệm chi phí nhân cơng: Khi có máy khắc CNC thì khơng cần đến chi phí
thuê thợ đục, đẽo nữa, và chi phí đó quả là rất lớn.
Đảm bảo sức khỏe cho bản thân và gia đình: Điều này rất chính xác tại vì sử
dụng máy CNC sẽ đi kèm thêm máy hút bụi công nghiệp cho máy CNC, hút hết bụi
bẩn, mùn cưa gỗ, từ đó ít gây ảnh hưởng đến sức khỏe hơn.
Giúp an toàn lao động được nâng cao: Ngành nghề nào cũng có nguy hiểm cả,
đục đẽo cũng vậy, đục đẽo đồ gỗ cần đầm tay, khéo léo để tạo ra những sản phẩm tinh
tế nhất. Với việc sử dụng chiếc máy CNC khắc gỗ này thì chúng ta khơng cần phải
trực tiếp thao tác nữa vì vậy nó giúp tăng an tồn trong khi làm việc.
Nắm được tầm quan trọng đó, nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế chế tạo máy phay,

điêu khắc gỗ điều khiển số phục vụ các làng nghề thủ công” bằng phần mềm
MACH3 nhằm giúp việc gia công chạm khắc các chi tiết bằng gỗ nhanh và chính xác
đặc biệt là các chi tiết 3D phức tạp làm thủ công rất tốn thời gian và khơng đạt độ
chính xác cao.

10


CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
Để làm bất cứ một sản phẩm gì thì trước tiên chúng ta cần tìm hiểu nhu cầu thị
trường hiện nay như thế nào để xác định sản phẩm làm ra có phù hợp nhu cầu tiêu thụ
hay khơng. Từ đó ta mới đưa ra các phương án khác nhau để thực hiện đề tài và từ các
phương án đưa ra ta chọn phương án thực hiện tối ưu nhất, chất lượng sản phẩm làm
đạt chất lượng cao, chi phí sản xuất thấp nhất có thể. Có như vậy sản phẩm của chúng
ta làm ra mới đạt giá thành thấp và có tính cạnh tranh cao trên thị trường so với các sản
phẩm khác cùng loại.
2.1. Khái quát về máy cnc:
2.1.1. Khái niệm:
Computer Numerical Control (CNC): Điều khiển chương trình số bằng máy tính
là hệ thống máy cơng cụ điều khiển theo chương trình viết bằng mã ký tự số, chữ
cái và các ký tự chuyên dụng khác dưới sự hỗ trợ của máy tính, trong đó các bộ
phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ
được xác định trước để có thể tạo ra được chi tiết với hình dạng và kích thước theo
yêu cầu.
2.1.2. Phân loại:
Dựa vào đặc điểm gia công và hình dạng, CNC có thế chia làm 3 nhóm:
- Nhóm máy CNC phay - khoan - doa: có chuyển động chính là chuyển động
vịng của dao cắt, và hình dạng của nó tương tự như máy phay, khoan, doa ngang.
- Nhóm CNC tiện - khoan hoặc tiện - phay: với chuyển động chính là chuyển
động vịng của phơi, và hình dạng gần giống máy tiện.

- Nhóm cuối cùng là nhóm CNC đặc biệt: với việc sử dụng các dạng gia cơng
khác nhau (trừ ngun cơng bào) và có hình dạng, kích thước cũng rất khác nhau.
2.1.3. Ưu điểm máy cnc:
- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ
thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình
được đưa vào máy. Người điều khiển chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt
động của máy.
- Độ chính xác làm việc cao. Thơng thường các máy CNC có độ chính xác máy
là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn.
2.2. Chọn cơ cấu dẫn động cho các trục:
2.2.1 Sử dụng động cơ bước:

11


Hình 2. 1 Động cơ bước
 Các dạng điều khiển động cơ bước:
+ Điều khiển cả bước: là phương pháp điều khiển mà mỗi lần cấp xung,
động cơ quay được một góc nhỏ nhất đúng bằng bước góc ghi trên nhãn động
cơ. Điều khiển cả bước có 2 dạng sơ đồ cấp xung như dưới đây. Dạng cấp
xung lần lượt cho từng cuộn pha, tại mỗi thời điểm chỉ có một cuộn dây dẫn
điện, kết quả mômen xoắn thu được nhỏ hơn so với thông số kĩ thuật. Dạng
cấp xung thứ hai là tại mỗi thời điểm ln có 2 cuộn dây có dịng điện chạy
qua, loại này tạo ra mômen xoắn lớn, tận dụng tối đa mômen xoắn của động
cơ.

Hình 2. 2 Điều khiển cả bước
+ Điều khiển nửa bước: là kiểu điều khiển kết hợp 2 dạng cấp xung
của
điều khiển đủ bước, cấp điện lần lượt cho một cuộn dây và hai cuộn

dây xen kẽ nhau (hình 2.3). Kết quả là bước góc bằng một nửa so với điều
khiển cả bước, đồng thời momen xoắn cũng giảm đi khi chỉ có một cuộn dây
được cấp điện. Tuy nhiên có thể tăng cường độ dịng điện đi qua cuộn dây để
bù lại sự giảm momen.

Hình 2. 3 Điều khiển nửa bước
12


+ Điều khiển vi bước: cho phép các bước quay của động cơ
nhỏ hơn bằng việc dùng các dòng khác nhau qua hai đầu dây động cơ
tại mỗi thời điểm.

Hình 2. 4 Dòng điện qua 2 pha
-

Ưu điểm: giá thành rẻ, có thể điều khiễn mạch hở, duy trì moment rất tốt, chi
phí bảo dưỡng thấp, khơng phải điều chỉnh các thông số điều khiển
Nhược điểm: phạm vi ứng dụng là ở lĩnh vực cơng suất nhỏ và trung bình, kích
cỡ hạn chế, làm việc ồn, momen giảm theo tốc độ, hiệu suất thấp hơn các loại
động cơ khác.

2.2.2. Tính công suất động cơ trục X:
- Trọng lượng các bộ phận trên trục vít me X, mx = 342 N (tính từ mơ hình 3-D
trong Solidworks)

13


Hình 2. 5 Trọng lượng trục X

-

Lực ma sát theo hướng song song với trục của vít me trục X:
𝐹 = μ. 𝑚 = 0,03.342 = 10,26(𝑁)
𝑃 = 𝐹 + 𝑃 = 10,26 + 93,36 = 103,62(N)

2.2.3. Tính cơng suất động cơ trục Y:
- Trọng lượng các bộ phận trên trục vít me Y, my = 1067N (tính từ mơ hình 3D
trong Solidworks).

14


Hình 2. 6 Trọng lượng trục y
-

Lực ma sát theo hướng song song với trục của vít me trục Y:
𝐹 = μ. 𝑚 = 0,03.1067 = 32,01(𝑁)
𝑃𝑡𝑦 = 𝐹𝑦 + 𝑃𝑧 = 32,01 + 93,36 = 125,37 (N)

2.2.4. Tính cơng suất động cơ trục Z:
- Trọng lượng các bộ phận trên trục vít me Z, mz = 253 N (tính từ mơ hình 3-D
trong Solidworks).

Hình 2. 7 Trọng lượng trục z
-

Khi không cắt trục z tịnh tiến lên nâng các bộ phận trục z nên tải trọng tối đa
15

trên trục z là:
𝐹 = μ. 𝑚 = 0,03.253 = 7,59(𝑁)
𝑃 = 𝐹 + 𝑃 = 7,59 + 93,36 = 100,95(N)
Từ tính tốn bên trên rõ ràng ta thấy lực cực đại sinh ra khi vận hành trục x.
Do đó, ta chọn trục x cho tính tốn động cơ cho cả 3 trục.
Chọn động cơ bước và bộ Driver

Hình 2. 8 Động cơ bước và driver
Động cơ 3000 rpm, encoder 8192 ppr, mô-men xoắn 0,64Nm.
2.3 Cơ cấu truyền động:


Vitme-đai ốc bi có cấu tạo gồm: trục vitme, đai ốc, bi và ống hồi bi
(hình 2.10). Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng và hoạt động trên
những viên bi đỡ. Chính nhờ những viên bi này mà ma sát trượt trên
vitme-đai ốc thường được thay thế bằng ma sát lăn trên vitme-đai ốc bi.
Kết quả là ma sát nhỏ hơn và hiệu suất vitme-đai ốc bi trên 90%.

-

Hình 2. 9 Cấu tạo vitme - đai ốc bi
+ Thông số:
Bước vít: 5 mm
Đường kính: 25 mm
Gốc xoắn vít: α= 𝑡𝑎𝑛 ( ) = 3,64

-

Gốc ma sát:   tan 1 (0,03)  1,7180

Mơ-men xoắn cần thiết cho trục vít trên trục x:

T = . 𝑃 .tan(α+ ϕ) = 12,5.tan(3,64 + 1,718 ).125,37 = 146,8 N.mm = 14,68 N.cm
16


 Chọn động cơ có mơ-men xoắn lớn hơn 14,68 N.cm đảm bảo được các yêu cầu
kỹ thuật.
 Thanh trượt bi:
Trong các hệ thống máy móc, các thanh trượt có nhiệm vụ chính là dẫn hướng
chuyển động. Có rất nhiều dạng thanh trượt được sử dụng, tuy nhiên đối với máy CNC
thì chủ yếu sử dụng thanh trượt bi.

Hình 2. 11 Cấu tạo ổ trượt.
Hình 2. 10 Thanh trượt bi
Cấu tạo của thanh trượt bi gồm có: thanh ray (thanh dẫn hướng), ổ trượt, bi, rọ
chứa bi, rãnh chứa bi.
Khi tác dụng lực lên ổ trượt dọc theo chiều thanh dẫn thì có sự chuyển động
tương đối giữa ổ trượt và thanh ray nhờ vào chuyển động lăn của các viên bi tiếp xúc
giữa ổ trượt và thanh dẫn. Chính nhờ những viên bi này cùng với lớp mỡ bôi trơn
(hình 3.33) mà giảm đáng kể lực ma sát, làm cho chuyển động trượt được dễ dàng.
2.4 Mạch nguồn:
Trong mô hình máy CNC một bộ phận quan trọng khác cần được thiết kế, chế
tạo một cách cẩn thận đó là các mạch điện tử. Đầu tiên phải nói đến mạch nguồn, nó
có nhiệm vụ chuyển điện lưới xoay chiều 220V thành điện một chiều với điện áp thấp
để cung cấp năng lượng cho các mạch điện và thiết bị điện khác hoạt động.
Mạch nguồn thường có 2 loại: mạch nguồn dùng biến áp thường và mạch
nguồn xung. Mạch nguồn biến áp thường khơng đủ dịng, đáp ứng rất chậm, sụt áp lại
lớn. Mạch nguồn xung thì nhỏ gọn hơn, đảm bảo đủ dịng và đáp ứng nhanh. Vì vậy,
sử dụng mạch nguồn xung là thích hợp nhất.

Thơng số kĩ thuật của mạch nguồn:
- Đầu vào: AC 110V-240V, 50/60 Hz
- Đầu ra: DC 24V, 8A
Nguyên lý làm việc:
17


Khi cấp dịng điện 220V AC/50Hz thì đầu tiên bộ lọc và chỉnh lưu (gồm có cầu
điốt, cuộn dây và các tụ hóa dung lượng lớn) sẽ chuyển đổi dịng AC thành dịng DC.
Sau đó dịng DC được bộ tạo tần số-sử dụng MOSFET hoặc transistor lưỡng cực tạo ra
dòng điện có tần số rất cao lên đến 20÷200kHz và đưa vào cuộn dây sơ cấp của biến
áp xung hạ áp. Khi đó trong cuộn thứ cấp của biến áp xung sẽ xuất hiện dịng điện có
tần số cao nhưng điện áp thấp hơn so với cuộn sơ cấp (output khoảng 24V). Cuối
cùng dòng điện này được đưa qua bộ sửa dòng để chuyển thành dòng một chiều và loại
bỏ hoàn toàn dao động (sử dụng điốt Zener, cuộn dây và tụ điện). Đồng thời mạch
nguồn cịn có bộ hồi tiếp để đảm bảo mức điện áp đầu ra luôn là 24V.

Hình 2. 12 Các chân in – out của nguồn
2.5 Phần mềm điều khiển :
Một phần không thể thiếu dành cho mơ hình máy phay gỗ điều khiển số chính
là hệ điều khiển. Hệ điều khiển có nhiệm vụ chuyển các dòng lệnh mã G thành các
xung cho các dộng cơ, sau khi đã qua bộ nội suy bằng phần mềm.
Phần mềm sử dụng cho mơ hình máy phay gỗ điều khiển số phải có khả năng
giao tiếp với mạch điều khiển trước hết là thu nhận và xử lý tín hiệu từ cảm biến. Đồng
thời phần mềm đó phải nhận diện được G-code, sau đó tiến hành nội suy. Với yêu cầu
của máy phay gỗ điều khiển số có thể khắc các hình dạng phức tạp thì cơng việc nội
suy vơ cùng khó khăn. Như vậy, việc sử dụng phần mềm điều khiển chuyên nghiệp
của một hãng sản xuất uy tín là giải pháp tối ưu.
Phần mềm khá thông dụng dành cho máy phay gỗ điều khiển số tự chế là phần
mềm Mach3 (Hình 4.9) của hãng Art soft, bên cạnh đó cịn có 1 vài phần mềm khác

như Kcam của Kellyware…Tuy nhiên, các tính năng của Kcam cịn đơn giản, giao
diện khơng được đẹp, trong khi Mach3 thiết kế chuyên nghiệp, tích hợp nhiều tính
năng gần giống với máy khắc laser thật hơn, mơ phỏng q trình làm việc rất rõ ràng.
Việc khai báo, thiết lập các thơng số cũng như điều khiển hệ thống dễ dàng.
Tóm lại, nhóm quyết định sử dụng Mach3 để điều khiển máy phay gỗ cnc điều khiển
số.

18


Hình 2. 13 Giao diện phần mềm Mach 3
2.6 Chọn spindle trục chính :
Khi thiết kế máy, ta tiến hành xác định công suất động cơ spindle, để tạo cơ sở
cho việc tính tốn động lực học của các chi tiết máy và bộ phận máy trong máy.
Thường khó xác định chính xác cơng suất động cơ điện của một máy khi thiết kế mới.
Lý do là vì:
- Chưa thể tính chính xác được lực cắt và lực chạy dao của các q trình cắt
gọt khác nhau khi gia cơng chi tiết trên máy, đặc biệt là trong quá trình khởi
động và đảo chiều.
- Chưa hiểu rõ các điều kiện sử dụng máy.
- Khó xác định chính xác các tổn thất về ma sát trong các khâu truyền động,
nhất là khi làm việc ở vận tốc cao. Vì vậy trong thực tế, việc xác định công
suất động cơ thường dựa vào kinh nghiệm hoặc so sánh với công suất máy
hiện có.
 Cơng suất cắt Nc được tính trên cơ sở lực cắt tới hạn [6]

Nc 

-

Pz .V
[kW]
61200

(2.1)

Trong đó :
v=

. .

=

.

.

= 754 (m/ph) vận tốc cắt.

lực cắt tới hạn (N) , Bảng 1-4 [6]
Pz  c.t x .s zy .Z .B z .D n
 Với:

(2.2)

(2.3)

c = 140: Hệ số xét đến vật liệu gia cơng và điều kiện khi tính vận tốc cắt .
t = 4 : chiều sâu cắt (mm).
19

sz =0,05 : Lượng chạy dao răng (mm/r).
Z = 1: số răng.
B = 10: chiều rộng phay (mm).
D = 10 : Đường kính dao (mm).
n = -0,83
𝑃 = 140. 4 , . 0,05 , . 1.10 . 10
,

,

= 93,36 (𝑁)

.

Từ (1) : 𝑁 =
= 1,15 (𝐾𝑤)
Công suất cắt Nc thường chiếm khoảng 70  80% công suất động cơ điện, nên
tính gần đúng cơng suất động cơ điện theo cơng thức sau:
,
𝑁đ =
=
= 1,4 𝐾𝑤
,

Vậy nên ta chọn động cơ điện spindle 1,5 kW > 1,4 kW .
- Hệ số ma sát giữa các bộ phận chuyển động trong cấu trúc máy như vít me bi và
mặt bích của nó là 0,02 và giữa các bộ phận trên máy chuyển động trên ray trượt là
0,03[5].

- Lực cắt tối đa trên trục chính: 𝑃 = 93,36 (N)
- Hệ số của ma sát μ = 0,03
Bảng 2. 1 Bảng thơng số tính tốn
Thơng số
Đường kính dao (D)
Số vịng quay (n)
Vận tốc cắt : v 

 .D.n
1000

Chiều sâu cắt (t)
Tốc độ chạy dao max (Sm)

Giá trị
10 mm
24000 v/ph
754 m/s

Cống suất spindle

4 mm
1200 mm/min
1500 W

Lực cắt

93,36 N

20

Chọn Spindle 1.5W > 1.4W

Hình 2. 14 Spindle trục chính

SPINDLE 1.5 kW
Tốc độ
Cơng suất
Đường kính
Tổng độ dài

24000rpm (vịng/phút)
1.5 kW
80 mm
188 mm

Điện áp sử dụng (v) 220v (điện áp đầu ra biến tần) hoặc 3 phase
220v
Dòng tiêu thụ
Tần số hoạt động
Vòng bi sử dụng

5A
400 Hz
c7002
21


Đầu kẹp dao

Độ chính xác
Giải nhiệt
Trọng lượng

Bảng 2. 2 Thơng số spindle
ER11 – A
0.02mm
Nước làm mát
3kg

2.7 Dụng cụ khắc (dao V Shaped Flat Bottom Cutters (Dao khắc 3D)):

Hình 2. 15 Dao khắc
+ Vật liệu: Hợp kim cứng YG10X (thép cacbua vonfram).
+ Ứng dụng dao khắc: Khắc 3D, cắt, phay….
+ Vật liệu phù hợp của dao khắc: Gỗ, acrylic, PVC, two-color board, MDF,
nhựa…
+ Ưu điểm của dao khắc: Làm việc nhanh chóng, mịn, sức mạnh lớn, dễ sử dụng
và sử dụng lâu dài.

22


CHƯƠNG 3: HỒN THIỆN PHẦN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA MÁY
3.1. Tính tốn kiểm bền phần cơ khí:
Khi có phương án tối ưu để làm máy thì chúng ta phải dựng lên mơ hình 3D của
máy và tiến hành kiểm bền các chi tiết lắp ráp thành sản phẩm. Có như vậy thì ta mới
thì ta mới tránh được các trường hợp khi lắp ráp máy và vận hành máy không bị hư
hỏng các chi tiết của máy do không đủ độ bền, như vậy ta mới giảm thiểu được chi phí
phát sinh khơng có trong tính tốn.Vì vậy kiểm bền các chi tiết của máy là một phần

không thể thiếu được.

Mơ hình của máy xây dựng bằng solidwork
Theo kết quả tính tốn từ Chương 2:
Ta có lực tác động vào các trục:
- Trục Y : Pty  125.37 N
- Trục X : Ptx  103.62 N
- Trục Z : Ptz  100.95N
Lực cắt lớn nhất tác dụng vào trục chính Pz = 93,36 N
Chọn hệ số an tồn bằng 3 ta được Pz ≈ 300N
Sử dụng phần mềm Solidwork để hỗ trợ kiểm bền và từ các thông số trên ta có:
3.1.1 Kiểm bền đế khung máy và vai trục Y:
- Fix 4 phía dưới của 4 chân đế.
- Đặt lực vào mặt trên của khung đế và lực tác động trục Y :
 Lực đặt trên khung đế máy là trọng lượng của trục X và trục Y tính theo hình
2.6 và trọng lượng bàn máy P = 1066 + 300 = 1366 N
23


 Lực tác động trục Y : Pty  125.37 N
Sau đó tiến hành kiểm bền ta được kết quả:
Ứng suất : - Cơng thức tính ứng suất:

𝜎 =

𝐹
[10]
𝐴

Trong đó:  z : Ứng suất phát sinh khi chịu lực tác dụng (N/mm2), (MPa)

Fz: Lực tác dụng (N)
A: Diện tích bề mặt chịu lực (mm2)
Có nhiều ứng Ứng suất phát sinh trên vật liệu chỉ có 3 loại:
- ứng suất kéo, nén
- ứng suất uốn
- ứng suất cắt
Ở đây ta lấy ứng suất tương đương của vật liệu sinh ra khi có lực tác động để so
sánh với ứng suất cho phép của vật liệu. Từ đó mới có thể đánh giá được vật liệu có
đạt được yêu cầu làm việc hay khơng, nếu khơng được thì ta tìm phương án thay thế
hợp lý và tránh được trường hợp phát sinh chi phí khơng có trong phương án thực hiện
sản phẩm.

Hình 3. 1 Kết quả kiểm tra ứng suất khung đế máy và vai trục Y
Từ kết quả trên ta thấy ứng suất tương đương lớn nhất trên chi tiết là 5,05MPa
nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cho phép tối đa của vật liệu là 250MPa.Vì vậy chi tiết
đủ bền, đạt yêu cầu của máy khi hoạt động.

24