Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC mini 4 trục sử dụng chương trình Mach3

66 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC MINI 4 TRỤC 
SỬ DỤNG CHƯơNG TRÌNH MACH3
Đinh Văn Hiển 
Khoa Điện – Cơ 
Email: hiendv@dhhp.edu.vn
Ngày nhận bài: 31/7/2019
Ngày PB đánh giá: 06/8/2019
Ngày duyệt đăng: 16/8/2019
TÓM TẮT
Máy CNC dùng trong sản xuất có thể tự động gia công với độ ổn định, chính xác cao và linh hoạt khi 
thay đổi sản phẩm đáp ứngyêu cầu cao về năng suất và chất lượng sản phẩm trong sản xuất hiện đại. 
Nên ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất ở nhiều lĩnh vực. Máy phay CNC mini là dòng 
máy CNC cỡ nhỏ, dùng khắc những vật kích thước nhỏ như đồ trang sức, đồ lưu niệmTrong bài báo 
này, tác giả trình bày một sốkết quả của việc nghiên cứuthiết kế, chế tạovà chạy thử máy phay CNC 
mini 4 trụcsử dụng chương trình Mach3. Kết quả máy hoạt động tốt trên rất nhiều vật liệu như gỗ, mica, 
nhựa, mạch in Máy có thể ứng dụng trong sản xuất hay đào tạo lập trình, vận hành máy phay CNC.
Từ khóa: Chế tạo, CNC, máy phay, Mach3, tự động gia công, thiết kế.
RESEARCH ON DESIGNING AND MANUFACTURING 4-AXIS MINI CNC MILLING 
MACHINE USING MACH3 SOFTWARE
ABSTRACT
CNC machines used in manufacturing can automatically process with high stability, accuracy and 
flexiblity when changing products to meet high requirements of productivity and product quality 
in modern production. Therefore, it is increasingly being widely applied in manufacturing in many 
fields. Mini CNC milling machine is a small series of CNC machines which are used to engrave small 
objects such as jewelry, souvenirs, etc. In this paper, the author presents some results of the research 
on designing, manufacturing and testing the 4-axis mini CNC milling machine using Mach3 software. 
The machine works well on a variety of materials such as wood, mica, plastic, printed circuits, etc. The 
machine can be used in manufacturing or programming training, and operating CNC milling machines.
Keywords:Manufacturing, CNC, milling machines, Mach3, automatic processing, design.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Máy CNC (computer numerical control) 
là một dạng máy công nghiệp. Hoạt động 
theo nguyên lý điều khiển tự động có sự trợ 
giúp 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 mẫu vật với hình 
dạng và kích thước yêu cầu [1]. 
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao 
và giảm được tối đa thời gian phụ, đo 
mức độ tự động được nâng cao [2]. Tùy 
theo mức độ tự động, máy CNC có thể 
thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động 
khác nhau, có thể thay dao tự động, hiệu 
chỉnh sai số, tự động kiểm tra kích thước 
chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai 
lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết. 
67Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019
Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo 
khi dùng máy CNC nhanh vì chỉ cần thay 
đổi chương trình điều khiển mà không 
cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm 
các đồ gá chuyên dùng [3].
Ngày nay máy CNC đang dần thay thế 
các máy gia công truyền thống và đóng vai 
trò không thể thiếu trong hoạt động sản 
xuất với rất nhiều chủng loại, kích thước 
khác nhau. Máy CNC được ứng dụng 
trong gia công cơ khí, điêu khắc tranh gỗ, 
khắc họa tiết, hoa văn trên các sản phẩm 
quà tặng Các sản phẩm từ máy CNC 
mang tính thẩm mỹ cao, chất lượng tốt.
Hình 1. Sản phầm bằng đá, gỗ sau khi được khắc trên máy CNC 
(Nguồn: Internet)
Giá thành nhập ngoại các máy CNC 
3 trục, 4 trục vẫn rất cao, hơn nữa khi máy 
có sự cố thì việc thay thế, hiệu chỉnh khá 
phức tạp, tốn kém. Với người dùng cá nhân 
hoặc các cơ sở sản xuất gia công nhỏ, cơ sở 
đào tạo lập trình và vận hành máy CNC 
như các trường đại học, cao đẳng, trung 
học chuyên nghiệp thì cần tối ưu chi 
phí khi đầu tư máy. Bởi vậy việc nghiên 
cứu thiết kế, chế tạo máy phay CNC mini 
3 trục, 4 trục hoạt động hiệu quả, giá thành 
thấp có thể phục vụ những yêu cầu nêu trên 
là cần thiết, giúp tối ưu chi phí, chủ động 
hơn trong việc chế tạo, sử dụng máy. 
Trong bài báo này tác giả trình bày kết 
quả nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy 
phay CNC mini 4 trục.
Hình 2. Máy CNC mini 3 trục, 4 trục [6] 
68 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
2. THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY CNC 
MINI 4 TRỤC
2.1. Nguyên lý hoạt động của máy
Nguyên lí hoạt động của máy CNC 4 
trục như hình 3. Máy có cấu tạo gồm một 
trục chính có tốc độ quay cao được gắn 
dụng cụ cắt như dao: phay, khoan, khoét. 
Khi làm việc trục chính sẽ tịnh tiến theo 
trục Z, phôi được gá cố định trên bàn máy 
và tịnh tiến theo trục X, Y kết hợp với trục 
Z để tạo hình sản phẩm. Trục A có khả 
năng giữ và quay tròn phôi khi gia công 
bề mặt trụ tròn.
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC mini 4 trục [2] 
2.2. Thiết kế động học cho máy
Trên cơ sở tìm hiểu và so sánh các phương 
án máy CNC 4 trục. Tác giả xác định phương 
án thiết kế động học như hình 4. 
Hình 4. Sơ đồ động học của máy phay CNC mini 4 trục thiết kế 
69Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019
Máy CNC mini 4 trục thiết kế sẽ có 
cấu tạo gồm một bàn gá sản phẩm, một 
trục chính (spindle) quay ở tốc độ cao gắn 
các loại dao cụ để thực hiện gia công, hành 
trình dao lên xuống được thực hiện bởi 
cụm trục Z, các cụm trục X, Y thực hiện 
chuyển động tịnh tiến, trục A quay tròn để 
gia công theo biên dạng. Khi cấp điện 
cho các động cơ gắn vào các trục và thông 
qua bộ truyền vitme trục Y sẽ di chuyển 
kéo theo trục X và Z di chuyển theo. Động 
cơ gắn vào trục X khi được khởi động sẽ 
dẫn động kéo cho Z di chuyển đến một 
vị trí xác định. Khi động cơ gắn trên trục 
Z được khởi động sẽ kéo theo sự dịch 
chuyển lên xuống của động cơ trục chính 
(spindle) gắn dao cụ gia công tạo ra chiều 
sâu cắt nhất định. Động cơ ở cụm trục A 
khi hoạt động sẽ làm cho phôi quay tròn 
và tạo nên những đường cắt 4D. 
2.3. Thiết kế cụm trục Z
Kết cấu cụm trục Z như hình 5, có 
chức năng đưa dụng cụ cắt tịnh tiến theo 
trục Z trong quá trình gia công. Hành trình 
trục Z là 80mm, bao gồm: hai tấm đỡ trên 
và dưới để lắp thanh dẫn hướng và vít me 
cho trục Z.
1 2 3
45
7
8
9
10 11
6
1 - TÊm lãt
2 - §éng c¬ b­íc
3 - æ ®ì trôc
4 - Gi¸ kÑp ®éng c¬ phay
5 - TÊm ®ì
6 - TÊm dÉn ®éng c¬ phay
7 - Trôc vÝt me
8 - Trôc dÉn h­íng
9 - TÊm dÉn côm trôc Z
10 - æ tr­ît
11 - æ ®ì trôc vÝt me
Hình 5. Kết cấu cụm trục Z 
2.3. Thiết kế cụm trục X
Kết cấu cụm trục X như hình 6 có chức 
năng điều khiển bàn máy tịnh tiến theo 
trục X. Hành trình trục X là 300mm. 
70 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
1 2 3 4 5 6
1 - §éng c¬ dÉn ®éng trôc X
2 - Khíp nèi trôc
3 - Trôc vÝt me
4 - Trôc dÉn h­íng
5 - æ ®ì trôc vÝt me
6 - æ ®ì trôc dÉn h­íng
7 - V¸ch bªn m¸y
7
Hình 6. Kết cấu cụm trục X (nguồn: Tác giả)
2.4. Thiết kế cụm trục Y
Kết cấu cụm trục Y như hình 7, có 
chức năng điều khiển bàn máy tịnh tiến 
theo trục Y. Hành trình trục Y là 400mm. 
1 2 3 4
8
5
6
1 - §éng c¬ dÉn ®éng trôc Y
2 - TÊm tú ®éng c¬
3 - TÊm ®ì c¹nh bªn bµn m¸y
4 - Bµn m¸y
5 - æ ®ì trôc
6 - Trôc dÉn h­íng
7 - Trôc vÝt me
8 - æ dÉn h­íng
7
Hình 7. Kết cấu cụm trục Y 
2.4. Thiết kế cụm trục A
Kết cấu cụm trục A như hình 8. Cụm 
trục A được lắp trên bàn máy, có chức 
năng tạo chuyển động quay tròn khi máy 
gia công các chi tiết dạng trụ.
71Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019
1 - Trôc
2 - Côm æ bi
3 - TÊm ®Õ ®ì
4 - M©m cÆp chi tiÕt
5 - B¸nh dÉn
6 - §éng c¬ b­íc
7 - B¸nh bÞ dÉn
8 - §ai r¨ng
8
1 2 3 4
5
6
7
Hình 8. Kết cấu cụm trục A 
2.5. Kết cấu máy phay CNC mini 4 trục 
Trên cơ sở đã lựa chọn, thiết kế kết cấu các cụm trục X, Y, Z và A tác giả xây dựng 
được bản vẽ kết cấu toàn máy phay CNC mini 4 trục như hình 9.
1 - Th©n m¸y
2 - Trôc dÉn côm trôc Y
3 - æ kÑp trôc dÉn
4 - §éng c¬ b­íc
5 - Khíp nèi
6 - TrôcvÝt me côm trôc Z
7 - Trôc dÉn côm trôc Z
8 - Con tr­ît
9 - Trôc vÝt me côm trôc X
10 - æ ®ì trôc
11 - ô g¸ ®éng c¬ phay
12 - §éng c¬ phay
13 - Bµn m¸y
14 - §Õ m¸y
15 - Trôc dÉn h­íng
16 - Trôc vÝt me côm trôc Y
17 - VÝt cè ®Þnh tÊm bµn m¸y
18 - M©m cÆp
19 - æ ®ì trôc A
20 - §Õ g¸
21 - B¸nh dÉn
22 - Trôc A
23 - æ bi ®ì
1 2 3 4 6 8 95
10
11
12
7
15
17
20
21
22
1819
14
16
13
23
Hình 9. Kết cấu máy phay CNC mini 4 trục 
72 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY 
pHAY CNC MINI 4 TRỤC
3.1. Lựa chọn phần mềm điều khiển cho máy
Trong thực tế có rất nhiều phần mềm 
có thể điều khiển cho máy phay CNC như 
phần mềm: Fanuc, NCstudio, Mach3 
Tác giả chọn phần mềm điều khiển máy là 
Mach3 vì chức năng của nó đa dạng, giao 
diện đẹp, dễ khai báo các thông số của 
hệ thống và dễ sử dụng. Lập trình theo 
hướng mở rộng liện kết với các Script VB. 
Cho phép trực tiếp nhập khẩu DXF, BMP, 
JPG, và các file HPGL qua LazyCam, 
Visual Gcode hiển thị; Import trực tiếp các 
file dxf, bmp và jpg thông qua phần mềm 
LazyCam theo [4]. Mô phỏng quá trình 
làm việc rất rõ ràng và tiết kiệm được chi 
phí đáng kể khi chế tạo máy.
Hình 10. Giao diện trang màn hình khi dùng Mach3 điều khiển máy
 (Nguồn: Tác giả)
Theo [5] phần mềm đó điều khiển theo 
dạng vòng hở nên khi ứng dụng Mach3 
điều khiển cho máy phay CNC mini 4 trục 
tác giả phải thiết kế theo dạng vòng hở để 
thuận lợi khi thiết lập hoạt động của máy.
Hình 11. Điều khiển dạng vòng hở [4] 
3.2. Sơ đồ cấu trúc điều kiển của máy
Sơ đồ cấu trúc điều khiển của máy như 
hình vẽ 12. Trong đó:
- Phần mềm Mach3 và máy tính: Có 
vai trò như bộ điều khiển CNC, điều 
khiển toàn hệ thống. Mạch CNC BOB 
MACH3 USB V2.0 sử dụng được với 
phần mềm Mach3 trên máy tính thông qua 
giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết 
lập đơn giản.
73Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019
- Động cơ bước và driver động cơ 
bước: Dẫn động các bàn máy để hình 
thành chuyển động của đầu gia công.
- Công tắc hành trình: Giới hạn hành 
trình cho các bàn máy nhằm ngăn ngừa 
bàn máy va chạm với các gối đỡ.
Máy Tính
BOB Mach3
USB V2.2
Driver
X
Driver
Y
Driver
Z
Driver
A
Step
Motor
X
Step
Motor
Y
Step
Motor
Z
Step
Motor
A
Home Limit Home Limit Home Limit
ESTOP
X++
X- -
Y++
Y- -
A++
A- -
Hình 12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển của máy 
3.3. Sơ đồ mạch điều kiển của máy
Sơ đồ mạch điều khiển của máy như hình 
vẽ 13. Các drive TB6600 điều khiển động cơ 
bước được đấu dương chung để đỡ tốn tài 
nguyên của USB, các chân âm còn lại đấu 
tương ứng vào BOB mach3. Drive sử dụng 
nguồn 24V. Các công tắc hành trình của các 
trục được nối chung và vào từng chân tương 
ứng trên mach3: IN1, IN2, IN5.
§iÒu khiÓn tèc ®é
®éng c¬ phay
BËt ®éng c¬ phay
Trôc X
Trôc Y
Trôc Z
Trôc A
L N
48V - 7,5A
24V - 15A
GND
+48V
L
N
GND
+24V
L
N
USB
12-24V
GND
GND
IN1
IN2
IN3
IN4
IN5
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
5V
GND
EN
XD
XP
EN
YD
YP
EN
ZD
ZP
EN
AD
AP
PWM+ PWM-
EN-
EN+
DIR-
DIR+
PUL-
PUL+
GND
VCC
B-
B+
A-
A+
Drive TB6600
StepMotor
EN
COM
PWM+
PWM-
Motor+
Motor-
GND
VCC
Drive Spindle
X - Limit
Y Home
Z Home
Y - Limit
Z- Limit
Limit Ovrd
EStop
GND
X++
X--
Y++
Y--
Z++
Z--
A++
MACH3
Motor DC
EN-
EN+
DIR-
DIR+
PUL-
PUL+
GND
VCC
B-
B+
A-
A+
Drive TB6600
StepMotor
EN-
EN+
DIR-
DIR+
PUL-
PUL+
GND
VCC
B-
B+
A-
A+
Drive TB6600
StepMotor
EN-
EN+
DIR-
DIR+
PUL-
PUL+
GND
VCC
B-
B+
A-
A+
Drive TB6600
StepMotor
X Home
A--
X Y Z 4 x1 B A x10
1 2 3
Hình 13. Sơ đồ cấu trúc điều khiển của máy 
74 TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
4. CHẾ TạO VÀ THỬ NGHIỆM MÁY
Máy phay CNC mini 4 trục được tiến 
hành chế tạo các chi tiết, lắp ráp và cài 
đặt hoạt động tại xưởng thực hành trường 
Đại học Hải Phòng. Kết quả được máy như 
hình 14. Qua một thời gian sử dụng máy 
hoạt động tốt, gia công khắc được chi tiết 
dạng phẳng, trụ tròn. 
Hình 14. phôi được gá đặt trên máy để gia công 
Bảng 1: Thông số kỹ thuật của máy 
Đặc tính kỹ thuật Thông số
Kích thước máy 700 x 500 x 1200 mm
Kích thước bàn máy 600 x 400 mm
Kích thước lớn nhất khi gia công phôi tấm 400 x 300 x 80 mm
Đường kính lớn nhất khi gia công phôi trụ 60 mm
Động cơ trục chính phay, khắc Công suất: 300(W)
Động cơ làm mát bằng không khí
Điện áp làm việc: 12VDC – 48VDC
Công suất: 300W
Cường độ dòng điện tối đa: 6A
Tốc độ quay: 3000-12000 vòng/ phút
Momen xoắn: 0.4Nm
Độ chính xác: 0.01mm- 0.06mm
Động cơ bước dẫn động trục vít me Kích thước: 56×78 mm
Bước góc: 1,80
Điện áp: 24 V
Momen xoắn: 3.5 Nm
Nhiệt độ hoạt động: 0°C đến 50°C 
Ổ chứa dao 01
Khả năng gia công Phay, khắc biên dạng 2D, 3D, 4D khắc chữ, 
khoan, gia công trên phôi dạng tấm phẳng, phôi 
dạng tròn. 
(Nguồn: Tác giả)
75Tạp chí khoa học, Số , tháng 09 năm 2019
Gia công thử nghiệm 3 mẫu nhựa phíp đo theo phương X, Y: máy CNC 4 trục đạt độ 
chính xác 0,05 mm 
Hình 15. Sản phẩm gia công trên máy phay CNC mini 4 trục
5. KẾT LUẬN
Tác giả đã trình bày một số kết quả 
nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay 
CNC mini 4 trục. Máy đã được chế tạo và 
chạy thử đạt kết quả tốt:
- Máy dễ vận hành, thuận lợi trong di 
chuyển, dễ bảo trì và bảo dưỡng
- Gia công khắc được các chi tiết hoa 
văn, họa tiết, logo trên các vật liệu như 
nhôm, kim loại màu, gỗ, nhựa,
- Gia công được phôi dạng phẳng, 
dạng trụ tròn.
- Có thể ứng dụng trong sản xuất và 
phục vụ tốt cho việc giảng dạy hướng dẫn 
lập trình, vận hành máy CNC.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Trần Văn Địch, 2004, Giáo trình Công nghệ 
CNC, NXB khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
2. Nguyễn Ngọc Đào, 2004, Giáo trình CAD-
CAM-CNC, NXB Trường đại học sư phạm kỹ 
thuật Tp.HCM.
3. TS Bùi Quý Lực, 2006, Hệ thống điều khiển 
số trong công nghiệp, NXB khoa học và kỹ thuật 
Hà Nội.
4. Đặng Minh Phụng, Lê Hiếu Giang, Nguyễn 
Văn Lâm, Nguyễn Trường Hải, Lê Tấn Cường, 
2015, ‘Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay 
CNC 4 trục sử dụng chương trình Mach3 ứng dụng 
trong gia công nhôm và kim loại màu’, Kỷ yếu hội 
nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí 
– Lần thứ IV, NXB Đại học quốc gia TP. Hồ Chí 
Minh, trang 112- 120.
5. Website:  
(Thông tin Mach3).
6. Website: https://www.alibaba.com/