ĐẠI HỌC QUỐC GIA HCM
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ-THIẾT KẾ MÁY

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY PHAY GỖ CNC 3D PHAY GỖ TRE

SVTH: Lưu Phát Tài
Lớp: CK14KTK
MSSV: 1413361
GVHD: GS. TS Nguyễn Thanh Nam

Tháng 05/2019


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp, gặp nhiều khó khăn về cả tài
liệu, tính toán và thiết kế nhờ có sự giúp đỡ quan tâm và hướng dẫn nhiệt tình của thầy
hướng dẫn, sự động viên, giúp đỡ từ bạn bè và người thân, em mới có thể hoàn thành
được luận văn tốt nghiệp này đúng thời hạn.
Vì vậy lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành của em đến thầy của hướng
dẫn của mình là thầy GS. TS Nguyễn Thanh Nam, sau đó em cũng muốn cảm ơn chân
thành tới tất cả các thầy cô đã dạy em từ trước đến nay trong đó có các thầy cô đại cương,
thầy cô Bộ môn Khoa cơ khí và khoa Kỹ thuật cơ khí-Thiết kế máy nói riêng đã trang bị
cho em các kiến thức chuyên môn và kĩ năng cần thiết để hoàn thành luận văn này và cả
sau khi đi làm thực tế.
Sau cùng em xin cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã động viên và giúp đỡ em trong
suốt quá trình làm đề tài luận văn này.
Sinh viên thực hiện
Lưu Phát Tài

MỤC LỤC
1


MỞ ĐẦU............................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 :NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 3D PHAY GỖ TRE............3
1.1.

Giới thiệu sơ lược về máy CNC phay gỗ..................................................................3

1.2.

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

1.3.

Hệ thống điều khiển máy CNC...............................................................................13

1.4.

Nghiên cứu ngoài nước và nghiên cứu trong nước.................................................17

1.5.

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

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY CNC 3D PHAY
GỖ THEO MÔĐUN.........................................................................................................23
2.1.


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

2.1.1. Tính lực cắt và các thông số cắt.......................................................................23
2.2.

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

2.2.1. Phương án truyền động trong máy CNC..........................................................28
2.3.

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

2.3.1. Thiết kế sản phẩm theo hướng môđun hóa.......................................................33
2.4.

Thiết kế theo môđun...............................................................................................39

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH CHỨC NĂNG VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 54
3.1.

Phân tích chức năng cho máy.................................................................................54

3.2.

Các phương án thiết kế...........................................................................................55

3.3.

Đánh giá và chọn phương án..................................................................................61


CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THEO MÔĐUN CHO MÁY CNC 3D PHAY GỖ
.......................................................................................................................................... 65
4.1.

Phân môđun cho máy CNC 3D phay gỗ.................................................................65

4.1.1. Phân tích yêu cầu sản phẩm.............................................................................65
4.1.2. Phân tích sản phẩm...........................................................................................66
2


CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CHO MÁY................82
5.1.

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

5.1.1. Lực cắt dùng trong phay...................................................................................82
5.1.2. Tính toán chọn động cơ....................................................................................83
5.2.

Tính toán truyền động vít me – đai ốc....................................................................84

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ VÀ ĐIỀU KHIỂN...........87
6.1.

Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí...........................................................................87

6.1.1. Cụm trục Z.......................................................................................................87
6.1.1.1. Chọn vít - đai ốc bi....................................................................................87
6.1.1.2. Ray trượt vuông.........................................................................................90

6.1.1.3. Tính khớp nối............................................................................................93
6.1.1.4. Tính ổ lăn..................................................................................................94
6.1.2. Cụm trục X.......................................................................................................97
6.1.2.1. Vít - đai ốc bi.............................................................................................97
6.1.2.2. Ray trượt vuông.........................................................................................99
6.1.2.3. Tính khớp nối..........................................................................................102
6.1.2.4. Tính ổ lăn................................................................................................103
6.1.3. Cụm trục Y.....................................................................................................105
6.1.3.1. Vít - đai ốc bi...........................................................................................105
6.1.3.2. Ray trượt vuông.......................................................................................108
6.1.3.3. Tính khớp nối..........................................................................................111
6.1.3.4. Tính ổ lăn.................................................................................................112
6.1.4. Khung máy, bàn máy......................................................................................115
6.1.4.1. Bàn máy...................................................................................................115
3


6.1.4.2. Khung máy..............................................................................................116
6.2.

Động cơ khắc cho cụm trục chính.........................................................................118

6.3.

Vấu kẹp gá đặt phôi gia công................................................................................119

6.4.

Điều khiển.............................................................................................................120


6.4.1. Động cơ STEP................................................................................................121
6.4.2. Driver điều khiển động cơ..............................................................................124
6.4.3. Mạch điều khiển.............................................................................................127
6.4.4. Biến tần (Inverter)..........................................................................................131
6.4.5. Các bộ phận còn lại trong mạch điều khiển....................................................133
6.4.5.1. Công tắc hành trình và nút tắt khẩn cấp...................................................133
6.4.5.2. Nguồn nuôi mạch điều khiển và quạt tản nhiệt........................................135
6.5.

Phần mềm điều khiển............................................................................................136

KẾT LUẬN....................................................................................................................154
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................159

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1: Các loại máy CNC.............................................................................................3
Hình 1. 2: Các trục máy CNC phay gỗ [2]..........................................................................4
4


Hình 1. 3: Sản phẩm với hình dạng phức tạp......................................................................6
Hình 1. 4: Cấu tạo của trục spindle.....................................................................................9
Hình 1. 5: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router...............................................9
Hình 1. 6: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông...............................................................10
Hình 1. 7: Vít me đai ốc bi................................................................................................10
Hình 1. 8: Vít me đai ốc thường........................................................................................11
Hình 1. 9: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC [4]....................................................13
Hình 1. 10: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần mềm
[4]..................................................................................................................................... 14
Hình 1. 11: Điều khiển chu trình hở [4]............................................................................15

Hình 1. 12: Điều khiển chu trình nửa kín [4]....................................................................16
Hình 1. 13: Điều khiển chu trình kín [4]...........................................................................16
Hình 1. 14: Điều khiển chu trình hỗn hợp [4]...................................................................17
Hình 1. 15: Các dòng máy CNC của BKMech.................................................................20
Hình 2. 1: Các trường hợp phay khác nhau của phay mặt.................................................24
Hình 2. 2: Quá trình cắt gọt vuông góc dưới góc nhìn 3 chiều và góc nhìn 2 chiều..........25
Hình 2. 3: Các lực cắt gọt trong kim loại..........................................................................26
Hình 2. 4: Mô hình liên hệ giữa các lực cắt......................................................................27
Hình 2. 5: Chuyển động phay của dao phay ngón.............................................................28
Hình 2. 6: Truyền động vít - đai ốc bi bi...........................................................................30
Hình 2. 7: Sơ đồ để xác định khe hở hướng tâm...............................................................31
Hình 2. 8: Sơ đồ để xác định khả năng tải........................................................................31
Hình 2. 9: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất....................................................................33
Hình 2. 10: Quá trình thiết kế trình tự [9].........................................................................35
Hình 2. 11: Quy trình phát triển đồng thời/tích hợp [9]....................................................36
Hình 2. 12: Quy trình phát triển sản phẩm chung [9]........................................................36
5


Hình 2. 13: Ngôi nhà chất lượng [9].................................................................................40
Hình 2. 14: Ví dụ cho các đối tượng chức năng [9]..........................................................41
Hình 2. 15: Ví dụ cho các yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm [9]..........................................42
Hình 2. 16: Sơ đồ chức năng - kết cấu [9].........................................................................43
Hình 2. 17: Sơ đồ chức năng [9].......................................................................................44
Hình 2. 18: Sơ đồ cấu trúc của danh mục cấp độ hệ thống...............................................45
Hình 2. 19: Ví dụ tác động của SLS và GFR....................................................................46
Hình 2. 20: Công thức và ma trận chỉ số tương tự [9].......................................................47
Hình 3. 1: Sơ đồ chức năng chung của máy......................................................................54
Hình 3. 2: Sơ đồ chức năng con của các chức năng chung...............................................54
Hình 3. 3: Sơ đồ sắp xếp các chức năng con của máy.......................................................55

Hình 3. 4: Ray trượt vuông và ray trượt tròn....................................................................57
Hình 3. 5: Phương án 1.....................................................................................................58
Hình 3. 6: Phương án 2.....................................................................................................59
Hình 3. 7: Sơ đồ động.......................................................................................................63
Hình 3. 8: Sơ đồ liên hệ chức năng kết cấu.......................................................................64
Hình 4. 1: Sơ đồ phân tích kết cấu của máy phay gỗ CNC 3D.........................................66
Hình 4. 2: Sơ đồ dòng chức năng tổng thể của máy phay gỗ CNC 3D.............................67
Hình 4. 3: Sơ đồ dòng chảy chức năng cho các bộ phận của máy phay gỗ CNC 3D........67
Hình 4. 4: Sơ đồ đặc tính kỹ thuật hệ thống SLS..............................................................68
Hình 4. 5: Môđun chức năng của máy..............................................................................79
Hình 4. 6: Môđun kết cấu của máy...................................................................................79
Hình 4. 7: Môđun tổng hợp của máy.................................................................................80
Hình 6. 1: Sơ đồ động thể hiện các cụm trục X, Y, Z........................................................87
Hình 6. 2: Kích thước rãnh chữ T...................................................................................116
Hình 6. 3: Động cơ Spindle GDZ65F-800......................................................................118
6


Hình 6. 4: Gối đỡ dạng bước...........................................................................................119
Hình 6. 5: Kẹp dây dạng bước........................................................................................119
Hình 6. 6: Sơ đồ giải thuật điều khiển máy phay gỗ CNC 3D........................................121
Hình 6. 7: Driver TB6600...............................................................................................125
Hình 6. 8: Bộ biến đổi nguồn DC S400-24.....................................................................126
Hình 6. 9: Sơ đồ đấu dây Driver TB6600 và động cơ STEP...........................................127
Hình 6. 10: Mạch điều khiển ST-V2...............................................................................128
Hình 6. 11: Sơ đồ mạch điều khiển ST-V2......................................................................129
Hình 6. 12: Sơ đồ đấu dây giữa Driver TB6600 và mạch điều khiển ST-V2..................130
Hình 6. 13: Biến tần BEST.............................................................................................132
Hình 6. 14: Sơ đồ đấu dây biến tần vào mạch điều khiển...............................................133
Hình 6. 15: Công tắc hành trình WLCA2.......................................................................134

Hình 6. 16: Sơ đồ đấu dây công tắc hành trình và nút tắt khẩn cấp vào mạch điều khiển
........................................................................................................................................ 134
Hình 6. 17: Sơ đồ đấu dây nguồn nuôi và quạt...............................................................135
Hình 6. 18: Giao diện phần mềm Mach3........................................................................137
Hình 6. 19: Các chức năng của phần mềm MACH3.......................................................138
Hình 6. 20: Giao diện thêm dữ liệu bằng tay của phần mềm MACH3............................139
Hình 6. 21: Giao diện sử dụng dao cắt............................................................................140
Hình 6. 22: Các ngõ xuất nhập của MACH3..................................................................141
Hình 6. 23: Cài đặt cổng cho động cơ STEP...................................................................141
Hình 6. 24: Cài đặt các ngõ tín hiệu................................................................................142
Hình 6. 25: Giao diện của Load Wizards........................................................................143
Hình 6. 26: Giao diện phay pocket tròn..........................................................................144
Hình 6. 27: Giao diện phay cung tròn.............................................................................145
Hình 6. 28: Giao diện phay đường tròn...........................................................................146
7


Hình 6. 29: Giao diện phay then và bánh răng................................................................147
Hình 6. 30: Cụm trục khắc chính....................................................................................148
Hình 6. 31: Lắp ráp cụm trục Z.......................................................................................148
Hình 6. 32: Lắp ráp cụm trục X......................................................................................149
Hình 6. 33: Lắp ráp cụm trục Y.......................................................................................150
Hình 6. 34:Lắp ráp các chi tiết vào bàn máy T và thân máy............................................150
Hình 6. 35: Kết cấu tổng thể của máy phay gỗ CNC 3D.................................................151
Hình 6. 36: Mô phỏng chuyển đọng trục Z từ trên đi xuống...........................................151
Hình 6. 37: Mô phỏng chuyển động của trục X đi từ trái sang phải................................152
Hình 6. 38: Mô phỏng chuyển động trục Y đi từ xa lại gần............................................152
Hình 6. 39: Mô phỏng chuyển động đồng thời 3 trục X, Y, Z.........................................153

DANH MỤC BẢ

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

8


Bảng 4. 1: Mối quan hệ giữa các bộ phận chi tiết về đặc điểm cấu trúc vật lý và chức
năng.................................................................................................................................. 70
Bảng 4. 2: Bảng quan hệ giữa đặc tính kỹ thuật cấp độ hệ thống và yêu cầu chức năng
chung................................................................................................................................ 74
Bảng 4. 3: Ma trận tương đồng chức năng........................................................................76
Bảng 4. 4: Ma trận tương đồng kết cấu.............................................................................76
Bảng 4. 5: Ma trận tổng hợp.............................................................................................77
Bảng 4. 6: Bảng phân cụm để mua sắm và chế tạo.

8

Bảng 5. 1: Tốc độ ăn vật liệu (m/phút) cho quá trình phay tốt f=0,3mm và phay trung
bình với f=0,8mm..............................................................................................................83
Bảng 5. 2: Bảng thông số kích thước sơ bộ của vít me – đai ốc.

8

Bảng 6. 1: Bảng chọn cấp chính xác vít - đai ốc bi...........................................................88
Bảng 6. 2: Thông số kích thước của vít me trục Z............................................................90
Bảng 6. 3: Bảng thông số hình học của ray trượt trục Z....................................................93
Bảng 6. 4: Tổng hợp chi tiết của cụm trục Z.....................................................................96
Bảng 6. 5: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục X.......................................................99
Bảng 6. 6: Thông số ray trượt trục X..............................................................................102
Bảng 6. 7: Tổng hợp chi tiết của cụm trục X..................................................................105
Bảng 6. 8: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục Y.....................................................114

Bảng 6. 9: Thông số kích thước ray trượt vuông trục Y...................................................114
Bảng 6. 10: Tổng hợp các chi tiết của cụm trục Y...........................................................114
Bảng 6. 11: Thông số kích thước gối đỡ bước SSB-150-35............................................119
Bảng 6. 12: Thông số kích thước của kẹp dây bước SSSC-12-150.................................120

9


MỞ ĐẦU
ĐẶT VẤN ĐỀ
Thế giới, đặc biệt là trong thập kỷ vừa qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển
mạnh mẽ của các nghành công nghệ kĩ thuật nói chung và ngành sản xuất lâm nghiệp nói
riêng. Đặc biệt là về sản xuất đồ gỗ, sản xuất đồ nội thất, chỉ riêng trong năm 2012, việc
sản xuất đồ gỗ toàn cầu tăng hơn 60% so với 10 năm trước đây. Vào năm 2010, lần đầu
tiên trong lịch sử, thị phần sản xuất của các nước thu nhập thấp và trung bình chiếm hơn
nữa tổng lượng đồ gỗ thế giới, ở mức 59% trong khi các nước thu nhập cao chiếm 41%
tổng lượng. Nguyên nhân chủ yếu là do các nước đang phát triển, các nhà cùng cấp trong
nước gia tăng sản xuất nhanh chóng nhằm đáp ứng các nhu cầu ngày càng tăng trong thị
trường nội địa. Ngoài ra còn có sự đầu tư từ các thị trường kinh tế phát triển, nhưng chủ
yếu là do các nước tập trung vào đầu tư các nhà máy sản xuất mới nhằm mục đích thúc
đẩy xuất khẩu.
Tại Việt Nam, trong vòng 10 năm trở lại đây, nghành công nghiệp sản xuất chế
biến gỗ tại Việt Nam đã có bước phát triển nhảy vọt. Từ năm 2007, kim ngạch xuất khẩu
chỉ có 2,3 tỉ USD thì đến năm 2017 đã tăng lên hơn 8 tỉ USD, gấp 2,7 lần. Trong đó ngành
chế biến gỗ và lâm sản xuất khẩu đã trở thành nghành hàng xuất khẩu, đóng góp quan
trọng đối với nền kinh tế của đất nước (giá trị xuất siêu đạt 73% giá trị xuất siêu toàn
quốc). Nhờ vậy, Việt Nam đã trở thành nước đứng thứ 5 trên thế giới, đứng thứ 2 châu Á
và lớn nhất Đông Nam Á về xuất khẩu gỗ. Do vậy ta mới thấy được nhu cầu khai thác gỗ
là lớn và quan trọng đến mức nào nhưng nguồn gỗ tự nhiên là có hạn và ngày càng cạn
kiệt, vì vậy nhu cầu tìm ra một sản phẩm thay thế là vô cùng cấp bách do đó sản xuất ván

gỗ nhân tạo là hướng ưu tiên hiện nay để giải quyết vấn đề nguyên liệu chế biến các sản
phẩm gỗ.
Trong lúc nhu cầu cấp thiết và quan trọng như vậy, nổi lên một loại ván gỗ nhân
tạo với các ưu thế là rẻ, bền, đẹp không kém với các loại ván gỗ thông thường nhưng
được làm từ nguyên liệu phổ biến ở Việt Nam, lại ít được quan tâm đó là ván gỗ tre. Với
tổng lượng khai thác tre lồ ô và chế biến hàng năm khoảng 106,600 tấn, trong đó tỷ lệ phế
thải chung của các phân xưởng chế biến vào khoảng 30%. Tính ra, tổng lượng dăm tre
10


phế thải hàng năm vào khoảng 40 tấn, và lượng dăm tre có thể đưa vào sử dụng ngay
chiếm gần 90% như vậy việc sản xuất và chế tạo các sản phẩm ván gỗ tre là hoàn toàn
hợp lý và phù hợp.
Nhưng để nâng cao quá trình cạnh tranh và xuất khẩu so với các nước hiện nay
trên thế giới, ta không thể chỉ xuất các sản phẩm thô về ván gỗ tre mà còn phải đa dạng
mẫu mã và loại sản phẩm, các kích thước và hình dạng khác nhau từ những chiếc ghế, tủ,
bàn học,… đến các đồ nội thất gia đình với hoa văn sang trọng và đẹp mắt. Để làm được
điều đó, với việc làm thủ công toàn bộ thì khó có thể thực hiện được nhưng với trình độ
khoa học công nghệ ngày càng phát triển cùng với xu hướng tự động hóa trong sản xuất
thì hiện nay người ta chủ yếu tập trung vào gia công các sản phẩm gỗ trên máy móc tự
động,trong đó phổ biến là máy phay CNC 3D. Với khả năng làm việc chính xác và linh
động, máy có thể tạo ra các sản phẩm cùng hình dạng và kích thước phức tạp nhất với
thời gian tối ưu nhất trong khi làm thủ công khó có thể thực hiện được. Do đó, máy CNC
3D phay gỗ có thể đạt được năng suất cao và vẫn đảm bảo các yêu cầu kĩ thuật trong quá
trình sản xuất. Vì vậy, trong luận văn tốt nghiệp này ta sẽ tập trung vào tính toán và thiết
kế máy CNC 3D phay gỗ tre phục vụ quá trình sản xuất. [ CITATION Placeholder1 \l
1033 ]

11



CHƯƠNG 1 :NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 3D PHAY GỖ TRE
1.1. Giới thiệu sơ lược về máy CNC phay gỗ
CNC với tên gọi đầy đủ là Computer Numerical Control, máy CNC là máy mà
chuyển động của nó được điều khiển bởi máy tính thông qua quá trình điều khiển CNC
(hệ thống điều khiển số của máy tính). Một số loại máy CNC thường thấy là máy phay,
máy in 3D, máy cắt laze,…vv.

Hình 1. 1: Các loại máy CNC
Do máy CNC được điều khiển bởi máy tính, nên để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh thì
máy phải hiểu được chính xác các hướng dẫn được tạo bởi máy tính. Vì thế, để có thể chế
tạo sản phẩm thực trên máy CNC, ta cần phải chế tạo sản phẩm số hay nói chính xác hơn
là tạo ra mô hình sản phẩm ảo trên máy tính. Mô hình sản phẩm ảo có thể được tạo từ
CAD (Computer Aided Control), phải được xác định đường chạy của máy sao cho tạo ra
được sản phẩm như ý qua hệ thống CAM (Computer Aided Manufacturing). [ CITATION
Edw16 \l 1033 ]
Máy CNC được phân loại theo hệ thống điều khiển của nó:


Theo hệ điều khiển điểm-điểm: Hay còn được gọi là điều khiển theo vị trí
dùng để gia công các lỗ bằng phương pháp khoan, khoét, doa,…Ví dụ có



các máy: máy khoan, máy khoét, máy hàn điểm,…
Theo hệ điều khiển đường thẳng: Máy chuyển động thực hiện chạy dao trên
một đường nào đó. Ví dụ máy tiện.
12





Theo hệ điều khiển biên dạng (contour): cho phép chạy dao trên nhiều trục
cùng lúc. Ví dụ ta có các máy 2D, 3D, 4D, 5D, 2D1/2. [ CITATION
Edw16 \l 1033 ]

Các máy CNC thông thường có 3 trục là các trục x, y, z tương tự như trong hệ tọa
độ Decac.

Hình 1. 2: Các trục máy CNC phay gỗ[ CITATION Edw16 \l 1033 ]
Với trục Z là trục mang trục gia công chính, trục có nhiệm vụ di chuyển lên xuống
để tạo hình sản phẩm với Z dương khi đi lên và Z âm khi đi xuống.
Trục X có nhiệm vụ di chuyển ngang qua lại, đồng thời hỗ trợ trục Z trong quá
trình hoạt động của máy. Khi đứng trước máy trục X sẽ tăng dần giá trị độ lớn khi đi sang
phải và giảm dần khi đi sang trái.
Trục Y trong máy CNC thông thường thì được cố định. Khi đứng trước máy, trục Y
giá trị dương khi tiến ra xa ta, có giá trị âm khi tiến lại gần. [ CITATION Edw16 \l 1033 ]
Các bộ phận chính của máy CNC thông thường bao gồm:[ CITATION Ngu \l
1033 ]


Bộ phận thay dao tự động (ATC): Hiện có rất nhiều thiết kế trên các máy CNC,bộ
phận thay dao sau khi xác lập sẽ tự động phân độ dao cắt đã lập trình theo thứ tự
thích hợp. Bộ phận ATC sẽ đưa dao ra khỏi trục chính một cách chính xác, giảm
khả năng dừng làm giảm thời gian dừng máy và làm tăng năng suất.
13





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



cao nhất.
Bàn xe dao: Được các nhà sản xuất tạo ra phù hợp cho các loại máy khác nhau, có
lợi nhất về mặt công suất cũng như tạo ra thuận tiện trong mặt cắt gọt mà không
ảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công. Độ cứng vững của bàn xe dao sẽ làm



công suất của quá trình cắt gọt được tăng lên.
Trục chính: Là bộ phận có tính quyết định trong máy công cụ. Một trục ổn định sẽ
hợp nhất sự điều khiển của động cơ – quyết định độ cứng vững của hệ thống, hệ
thống bôi trơn, nguồn điện cung cấp, đảm bảo độ chính xác và có thể đoán trước
năng suất của máy. Như vậy, quá trình thiết kế trục và tối ưu tốc độ quay của trục



chính sẽ mang lại quá trình cắt gọt được tốt nhất và độ chính xác cao nhất cho máy.
Nguồn: Có tác dụng cung cấp năng lượng hoạt động cho các bộ phận chuyển động
của máy. Bằng cách sử dụng nguồn cố định giúp chắc chắn quá trình giao tiếp sẽ
chính xác giữa bộ phận điều khiển và động cơ và sự tự điều chỉnh của các thành



phần trong hệ thống.
Hệ điều khiển: Là thành phần trung tâm của cấu tạo máy CNC, nhiệm vụ là điều

khiển quá trình chuyển động, vị trí của các thành phần chuyển động trên máy, sao



cho đạt được chính xác thời gian cắt, tốc độ và chiều sâu cắt.
Động cơ – Bộ điều khiển – Encoder: Tạo ra sự đồng bộ giữa hệ điều khiển và động
cơ trong hệ thống các bộ phận chuyển động khác nhau. Tuy nhiên để có sự đồng bộ
tốt các bộ phận này phải được thiết kế và xây dựng từ những bộ điều khiển điện,
động cơ điện kèm theo hệ thống Encoder phản hồi cho quá trình điều khiển.
Việc sử dụng máy CNC để tự động hóa sản xuất đem lại cho người dùng một số

các lợi ích cụ thể như: sự chính xác trong cắt gọt, sự phức tạp của kết cấu sản phẩm, khả
năng mô phỏng trên các phần mềm, thời gian gia công ngắn nên năng suất cao hơn và hơn
hết là an toàn. [ CITATION Edw16 \l 1033 ]


Sự chính xác: máy CNC chạy chính xác như những gì nó được hướng dẫn từ máy
tính. Nếu như ta muốn máy đi chính xác 10 mm thì máy sẽ đi chính xác 10 mm ,
còn nếu ta muốn máy khoan một lỗ sâu 5 mm thì máy sẽ khoan chính xác một lỗ
14


sâu 5mm. Nhờ vào hệ thống điều khiển số nên máy sẽ có độ tin cậy cao và có thể
lặp đi lặp lại bao nhiêu lần cũng được không giống như khi ta làm thủ công bằng


tay.
Sự phức tạp: Nhiều thiết kế với hình dáng phức tạp rất khó mà có thể hoàn thành
bằng tay. Nhưng máy CNC có thể cắt và khắc nhờ vào hệ thống di chuyển tiện lợi
theo 3 phương, điều mà có thể là bất khả thi đối với các dụng cụ điều khiển bằng

tay thông thường.

Hình 1. 3: Sản phẩm với hình dạng phức tạp


Khả năng mô phỏng của máy: Nhờ có sự hỗ trợ của các phần mềm CAM ta có thể
dễ dàng mô phỏng và xem xét trước đường chạy dao của máy sẽ như thế nào khi ta
dùng trong thực tế. Ngoài ra ta cũng có thể kiểm tra đường chạy thực của máy khi
không có phôi bằng cách gửi file hướng dẫn vào trong máy CNC để quan sát và
nắm bắt được chuyển động thực tế của máy, chắc rằng không có vấn đề gì về



không gian cắt và đảm bảo không có lỗi phát sinh trong quá trình chạy.
Khả năng an toàn: Bất kì một máy tự động, máy công cụ nào cũng tiềm ẩn các
nguy hiểm vốn có. Vì vậy sự an toàn cẩn trọng là cần thiết để tránh những tổn
thương không cần thiết. Vì vậy mặc dù chuyển động của máy CNC đã được mô
phỏng, kiểm tra nhưng máy vẫn cần có thêm khuyến nghị khoảng cách an toàn và
công tắc khẩn cấp phòng tránh xảy ra các rủi ro bất ngờ.
Để máy CNC có thể chạy và cắt chính xác, máy cần được xác định nơi và tốc độ

chạy một cách rõ ràng cụ thể trong không gian 3 chiều. Những hướng dẫn về sự chuyển
động, hay còn gọi là đường chạy dao được gọi là G-code. G-code được tạo ra trong các
15


chương trình CAM và sau đó được chuyển qua máy thông qua kết nối vật lý thường là
cổng USB.
Ứng dụng của máy CNC thì vô cùng đa dạng từ việc được dùng trong các ngành
cơ khí điện máy, ngành mỹ nghệ, nghành điện tử, đến việc dùng trong quảng cáo,…Các

nguyên liệu chính thường được dùng trong máy CNC là: sắt, nhôm, MDF, gỗ,…
Máy CNC phay gỗ là máy CNC thường được dùng đề gia công các vật liệu có độ cứng
vừa phải như gỗ, plastic và một vài vật liệu khác, không giống với máy CNC thông
thường dùng để gia công kim loại cứng. Máy CNC phay gỗ dùng một trục xoay nhỏ
tượng tự như mũi khoan để cắt vật liệu với số vòng quay cao khoảng 25 000 vòng / phút,
một số loại còn có trục chính có mã lực lên tới 20 hp. Còn máy CNC thông thường do
phải gia công vật liệu cứng, nhằm đảm bảo độ chính xác khi gia công nên chỉ gia công
với tốc độ thấp khoảng 3000 vòng/phút cho phay và chỉ vài trăm vòng cho việc khoan.
Máy CNC phay gỗ thường được dùng để ứng dụng gia công gỗ hay plastic để làm đồ
trang trí nội thất.
1.2. Kết cấu cơ khí của một máy phay CNC 3D phay gỗ
Một máy CNC thông dụng thường có các bộ phận chính như: thân máy, chân máy,
bàn máy, cụm trục chính, các bộ phận truyền động, spindle và dụng cụ cắt.
Thân máy và chân máy
Thân máy và chân máy là bộ phận được chế tạo bằng vật liệu có độ bền cao, thông
thường người ta chọn gang để chế tạo thân máy và chân máy vì có độ bền cao gấp 10 lần
thép và đều được kiểm tra kĩ sau khi đúc nhằm đảm bảo không có khuyết tật đúc trên
máy.
Thân máy chứa hệ thống động cơ điều khiển chuyển động của các cụm trục chính,
hệ thống trục khắc và nhiều hệ thống khác nữa.
Yêu cầu của thân máy bao gồm:
 Phải có độ cứng vững cao.
 Phải có các thiết bị chống rung động.
 Phải có độ ổn định nhiệt trong quá trình làm việc.

16


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

Bàn máy
Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công. Bàn máy có 2 loại chính là bàn máy
đứng yên và bàn máy di động. Với bàn máy động, nhờ có sự di chuyển động linh hoạt và
chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khả
năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp. Nhưng đối với bàn máy CNC
3D dùng để khắc gỗ thì bàn máy thường đứng yên mà chỉ có trục mang hay còn gọi là giá
đỡ trục Z di chuyển theo phương trục Y của máy và trục Z di chuyển theo phương X. Yêu
cầu của bàn máy là phải có độ ổn định, cứng vững. [ CITATION Ngu \l 1033 ]
Cụm trục chính
Là nơi gá đặt dụng cụ (nằm trên cụm trục Z), nhờ có chuyển động quay với tốc độ
cao của trục chính nên sinh ra được lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công.
Nguồn động lực điều khiển của trục chính là các động cơ, thường dùng là động cơ
Servo hay động cơ bước và được lặp trình theo chế độ vòng lặp kín bằng công nghệ số để
tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.
Các loại trục chính thông dụng là trục phay, trục chính spindle, trục chính router:
Trục phay thường được dùng cho việc gia công nặng với độ chuẩn xác cao vì thế
nên thường được dùng để gia công kim loại cứng với tốc độ vừa phải.
Trục router là dụng cụ gia công bằng điện dùng để cắt và tạo hình các vật liệu như
là gỗ, plastic, MDF hay một số kim loại khác. Trục router thông thường có 2 loại là loại
cầm tay và loại cắt tốc độ cao dùng trong máy CNC. Gia công bằng trục router là phương
pháp gia công thuận lợi và dễ dàng mua được vì chúng được sử dụng rộng rãi, do chỉ cần
cắm điện vào là có thể sử dụng được ngay trục router. Tốc độ của trục router có thể dễ
dàng điều khiển thông qua một bộ phận kiểm soát tốc độ router truyền thống nhưng trong
đa số trường hợp trục sẽ mất đi momen xoắn khi tốc độ giảm.
Trục spindle và trục router khá giống nhau nhưng trục spindle là loại trục đắt hơn
trục router, và thường phải điều khiển tốc dộ bằng bộ biến tần VFD (Variable Frequency
17


Drive). Trục spindle có cấu tạo bao gồm phần thân nơi chứa motor, vòng chặn và trục

xoay, ngoài ra trục spindle còn có cổ, vòng kẹp, đai ốc kẹp, dụng cụ cắt. [ CITATION
Edw16 \l 1033 ]

Hình 1. 4: Cấu tạo của trục spindle
Trục spindle có thể duy trì momen xoắn tối đa ngay cả khi đang hoạt động với số
vòng quay RPM thấp, đây là một điểm lợi thế so với trục router truyền thống. Ngoài ra
trong cấu trúc của trục còn có cả vòng chắn giúp trục tránh rung lắc trong quá trình làm
việc với tốc độ cao tránh gây ra sai số dụng cụ. Trục spindle cắt êm hơn, mượt hơn và
chính xác hơn rất nhiều so với router. Một trong những lí do khiến spindle làm việc êm
hơn router là do hệ thống làm nguội của nó, trục spindle thì được làm nguội bằng nước
còn trục router thì được làm nguội bằng gió nên khi làm nguội quạt gió quay gây ra tiếng
ồn. [ CITATION Edw16 \l 1033 ]

Hình 1. 5: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router
18


Các bộ phận truyền chuyển động
Để truyền chuyển động cho các cụm trục của máy người ta thường dùng: Băng dẫn
hướng, trục vít me đai ốc, đai.
Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các
chuyển động theo trục X, Y và chuyển động dọc theo trục Z cua trục chính. Yêu cầu thanh
trượt phải thẳng, có khả năng cứng vững tốt, không có hiện tượng dính trơn khi trượt.
[ CITATION Ngu \l 1033 ]

Hình 1. 6: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông
Trục vít me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số, người ta thường sử dụng hai
dạng vít me cơ bản là: vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi. Vít me đai ốc thường: là loại
vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt còn vít me đai ốc bi là loại vít me và đai ốc bi có
dạng tiếp xúc lăn. [ CITATION Ngu \l 1033 ]


Hình 1. 7: Vít me đai ốc bi
19


Hình 1. 8: Vít me đai ốc thường
Dụng cụ cắt
Do máy CNC là máy phay gỗ, hoạt động gia công trên máy sẽ diễn ra với tốc độ
cao nên ta chọn phương án chuyển động của dao cắt là phương án gia công tốc độ cao
(High Speed Machining-HSM).
Cho đến nay trên thế giới vân chưa có một định nghĩa thống nhất cho thuật ngữ gia
công tốc độ cao. Theo lý thuyết của Salomons đưa ra vào năm 1931 thì “Gia công tốc độ
cao là gia công với vận tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến
10 lần”. Về sau này có thêm một số định nghĩa khác về gia công tốc độ cao HSM như gia
công với tốc độ trục chính cao (High spindle speed machining), gia công với bước tiến
lớn (High Feed Machining), gia công năng suất cao (High productive machining). Tuy
nhiên, các cách hiểu này chỉ mang tính tương đối vì một tốc độ của trục chính được xem
là nhanh đối với loại vật liệu này có thể bị xem là chậm với một loại vật liệu khác.
Ngày nay khi nói về khái niệm HSM người ta định nghĩa rằng “Gia công tốc độ
cao là phương pháp gia công sử dụng tốc độ trục chính cao với lượng dịch dao ngang nhỏ
và chiều sâu cắt nhỏ”.
Ưu điểm và ứng dụng của gia công tốc độ cao so với gia công truyền là:





Tốc độ cắt gọt lớn
Lực cắt thấp
Chất lượng bề mặt gia công tốt

Gia công được vật liệu có độ cứng cao
20


 Gia công được chi tiết thành rất mỏng
 Không cần làm mát
Nhờ những ưu điểm này mà HSM được ứng dụng ngày càng phổ biến trong hầu
hết các lĩnh vực có liên quan đến gia công cơ khí.
Máy cắt HSM phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:








Trục chính có công suất lớn và số vòng quay cao: >20000 vòng/phút.
Tốc độ xử lí dữ liệu nhanh: 50-2000 blocks/s.
Tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh: >50 MB.
Có khả năng nội suy đường NURBS.
Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của trục chính cao.
Có tùy chọn làm mát xuyên qua trục chính.
Có khả năng đọc trước câu lệnh trong chương trình gia công.

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

Về hình học, dụng cụ cắt HSM thường được thiết kế để gia công với chiều sâu cắt
nhỏ. Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện gia công (cắt
vật liệu nào, thô hay tinh, phay thẳng hay phay rãnh,…). Nhưng quan trọng là kích thước
các lưỡi cắt phải chính xác để bảo đảm tính cân bằng, hạn chế rung động trong quá trình
cắt. Một số loại còn được thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc dung dịch làm nguội.
Về vật liệu, hai tính chất cơ bản của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt là độ bền và độ
cứng ở nhiệt độ cao. Thép gió không thỏa mãn được hai yêu cầu này nên hầu như không
được sử dụng trong gia công HSM, thay vào đó là những loại vật liệu siêu cứng như CBN
(Cubic boron nitride), PCD (polycrystalline diamond). Đặc điểm của những loại vật liệu
này là độ cứng càng cao thì càng giòn, chính vì vậy, công nghệ phủ bề mặt được sử dụng
rất rộng rãi trong chế tạo dụng cụ cắt cho HSM. Sự kết hợp giữa vật liệu nền và lớp phủ
đã cho ra đời rất nhiều loại dụng cụ cắt với những đặc tính riêng đáp ứng tối đa yêu cầu
cắt gọt. Các hợp chất thường được dùng làm lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống
dính lưỡi cắt), TiAlN (chịu nhiệt cao , cách nhiệt tốt)… Hai phương pháp phù hợp được
21


sử dụng là lắng đọng vật chất bay hơi (Physiscal Vapor Deposition-PVD) với chiều dày
lớp phủ 2-5 m và lắng đọng hóa học (Chemical Vapor Deposition-CVD) với chiều dày
lớp phủ 5-10 m. [ CITATION Ngu \l 1033 ]
1.3. Hệ thống điều khiển máy CNC
Trong máy CNC, bộ điều khiển của máy có nhiệm vụ nhận các mã lệnh chỉ dẫn của người
dùng lập trình dưới dạng G-code, sau đó thông dịch và chuyển thành các xung điều hướng
dẫn các động cơ chuyển động trong quá trình gia công. Hệ thống CNC bao gồm 3 bộ
phận:
 Hệ NC (Numerical Control) làm nhiệm vụ tương tác với người vận hành và
tiến hành việc điều khiển vị trí.
 Hệ điều khiển các động cơ.
 Hệ các driver.
Nhưng theo một nghĩa hẹp thì chỉ có hệ NC được gọi là hệ điều khiển của CNC


Hình 1. 9: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC[ CITATION DXP \l 1033 ]
Dựa vào hình trên, ta nhận thấy hệ điều khiển của CNC hay hệ NC bao gồm bộ
phận giao tiếp giữa người và máy (MMI-Man-Machine-Interface), phần lõi điều khiển số
(NCK- Numerical Control Kernel) và bộ điều khiển logic khả lập trình PLC
(Programmable Logic Control).
MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các lệnh
của máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn thảo
chương trình gia công.

22


NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thông dịch chương trình gia công và tiến hành
nội suy điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thông dịch. Cuối
cùng NCK điều khiển các động cơ chuyển động để gia công chi tiết.
Bộ điều khiển PLC điều khiển tốc độ trục chính, thay chi tiết gia công và nhập
hoặc xuất các tín hiệu xử lý. Nó đóng vai trò điều khiển các hoạt động của máy (ngoại trừ
điều khiển động cơ servo).

Hình 1. 10: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần
mềm[ CITATION DXP \l 1033 ]
Với diễn tả như trên hình, ta thấy máy CNC có phần cứng bao gồm hệ điều khiển CNC,
hệ thống các động cơ dẫn động và bản thân máy công cụ. Và phần mềm CNC bao gồm
MMI có chức năng hỗ trợ soạn thảo chương trình, giao diện người sử dụng và hiểu thị các
thông tin trạng thái, NCK có chức năng thi hành công việc thông dịch chương trình, nội
suy và điều khiển, PLC có chức năng thực hiện các chương trình logic tuần tự.
Trong hệ thống CNC, mô-đun xử lý các chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm
bộ xử lý trung tâm, hệ thống RAM và ROM để lưu các ứng dụng của người dùng (cho
MMI), chương trình gia công (cho NCK) và các chương trình PLC (cho PLC).

Nếu phân loại phương pháp hệ thống điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta
chia hệ thống điều khiển thành 4 loại:[ CITATION DXP \l 1033 ]
23


 Điều khiển chu trình hở: dữ liệu chương trình gia công được nhập đưa vào bộ điều
khiển máy (MCU – Machine control unit), thông tin sẽ được giải mã và lưu trữ.
Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự
và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo.
Lượng dịch chuyển của động cơ hay bàn máy phụ thuộc vào số xung điện động cơ
nhận được. Hệ thống điều khiển này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp,
không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển đúng theo lệnh
đã được yêu cầu hay không. Độ chính xác chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của
động cơ bước, vít me và hệ thống truyền động.

Hình 1. 11: Điều khiển chu trình hở[ CITATION DXP \l 1033 ]
 Điều khiển theo chu trình nửa kín: Với loại điều khiển này, thiết bị kiểm tra được
lắp vào trục của động cơ servo để kiểm tra góc quay nhằm xác định độ di chuyển
của bàn máy ứng với góc quay và bước của vít me. Nên độ chính xác của bàn máy
phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của trục vít me.

Hình 1. 12: Điều khiển chu trình nửa kín[ CITATION DXP \l 1033 ]
24