Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CẮT
KHẮC LASER
Người hướng dẫn: ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH MINH
HOÀNG HỮU KÍNH
Đà Nẵng, 05/2017

iii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài : THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CẮT KHẮC LASER
Họ và tên SV : Hoàng Hữu Kính Mã SV:101120350
Họ và tên SV : Nguyễn Thanh Minh Mã SV:101120304
Lớp : 12CDT
GV hướng dẫn : Ths.Nguyễn Đắc Lực
GV duyệt :
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài.
Trong một thời gian khá dài, ngành cơ điện tử đã tập trung nghiên cứu để giải
quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và
hàng khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt
vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này
phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động, đều này đã dẫn tới vấn đề
nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền
sản xuất.
Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật
vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã
tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay
đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất.
Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn MÁY CẮT KHẮC LASER làm
đề tài tốt nghiệp.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:
Trong đề tài này chúng em thiết kế cơ cấu cho máy, tìm hiều các phương pháp
điều khiển để đưa ra phương án tối ưu nhất, nghiên cứu chất lượng sản phẩm và đưa ra
giải pháp phù hợp để đảm bảo năng suất chất lượng sản phẩm, từ đó:
- Tính toán thiết kế các hệ truyền động chính
- Thiết kế và thi công mô hình.
3. Nội dung đề tài đã thực hiện :
- Số trang thuyết minh: 70 trang
- Số bản vẽ: 5 A0
- Mô hình: 1 mô hình máy cắt khắc laser

i
4. Kết quả đã đạt được:
* Phần lý thuyết đã tìm hiểu:
- Tổng quan về tia laser và các ứng dụng của tia laser.
- Các sản phẩm của máy cắt khắc laser và một số máy trên thị trường.
- Giới thiệu một số bộ truyền, lựa chọn phương án thiết kế máy cắt khắc laser.
- Tính toán lựa chọn các thành phần, bộ truyền sử dụng trong máy cắt khắc laser.
- Giới thiệu thành phần và các module chức năng điều khiển động cơ.
- Giới thiệu phần mềm điều khiển từ xa, phần mềm tạo các tập tin và lập trình gia công.
* Đã lựa chọn và thiết kế phần:
- Lựa chọn thiết kế các bộ phận chính.
- Lựa chọn chất liệu làm khung máy và diện tích làm việc.
- Cơ cấu truyền động theo trục X và trục Y.
- Chọn các loại động cơ sử dụng.
- Bộ truyền đai răng – puly.
- Chọn ổ trượt và trục trượt.
- Nghiên cứu các mạch điều khiển.
- Sử dụng các phần mềm chuyên dụng xuất tập tin lập trình gia công.
* Kèm mô hình máy cắt khắc laser.

i
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên : Hoàng Hữu Kính Số thẻ sinh viên : 101120350
Họ và tên sinh viên : Nguyễn Thanh Minh Số thẻ sinh viên : 101120304
Lớp : 12CDT Khóa : 2012 - 2017 Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
1. Tên đề tài tốt nghiệp :
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY CẮT KHẮC LASER
2. Đề tài thuộc diện:  Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu ban đầu:
Tham khảo thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán
- Tổng quan về máy CNC
- Thiết kế kết cấu bộ phận máy
- Chọn lựa cơ cấu hệ thống truyền động
- Nghiên cứu và ứng dụng các module điều khiển
- Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế và điều khiển
5. Các bản vẽ và đồ thị:
- Bản vẽ tổng quát (A0)
- Bản vẽ sơ đồ động (A0)
- Bản vẽ trục x (A0)
- Bản vẽ trục y (A0)
- Bản vẽ hệ thống điều khiển (A0)
6. Họ và tên người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đắc Lực
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 02/02/2017
8. Ngày hoàn thành đồ án : 29/05/2017
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017
Trưởng bộ môn Người hướng dẫn

ii
LỜI CÁM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ khí và bộ môn Cơ
điện tử trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt
cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua để chúng em có
kiến thức hoàn thành được đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lực đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này.
Chúng con xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã ủng hộ, động viên
chúng con trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 12CDT đã tham gia đóng góp ý
kiến trong suốt quá trình thực hiện để nhóm có thể hoàn thành tốt đề tài này.
Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Đắc Lực, nhưng do
công nghệ còn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho
công việc thiết kế còn quá ít nên cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Sau thời
gian 3 tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của
thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong
khoa chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định. Một lần nữa
cho phép chúng em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất.
Nhóm sinh viên thực hiện:
Hoàng Hữu Kính Nguyễn Thanh Minh

ii
CAM ĐOAN
Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
- Khoa Cơ Khí
Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án
hay công trình nào đã có trước đây. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã
được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi nguồn gốc rõ ràng và được
phép công bố.

Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser
SVTT: Hoàng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh GVHD: Nguyễn Đắc Lực 5
MỤC LỤC
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn
Lời cam đoan liêm chính học thuật
Mục lục
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ
Danh sách các cụm từ viết tắt
Trang
MỞ ĐẦU............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC ...................................................2
1.1 Lịch sử phát triển .....................................................................................2
1.1.1 Lịch sử.................................................................................................2
1.1.2. Một số máy NC...................................................................................4
1.1.3. Các thành phần cơ bản của máy NC. ...................................................5
1.2 Máy CNC là gì? ........................................................................................6
1.2.1 Khái niệm.............................................................................................6
1.2.2 Đặc điểm chung ...................................................................................7
1.3 Giới thiệu về máy CNC cắt khắc laser ...................................................7
1.3.1 Cơ chế bóc vật liệu...............................................................................8
1.3.2 Các loại Laser ......................................................................................8
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng.................................................11
1.4 Ứng dụng của máy cắt khắc laser........................................................12

1.4.1 Khắc khuôn mẫu ................................................................................12
1.4.2 Ngành sản xuất bao bì ........................................................................13
1.4.3 Ứng dụng trong ngành quảng cáo.......................................................15
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU BỘ PHẬN MÁY .................................18
2.1 Thông số kỹ thuật chung của máy.........................................................18
2.1.1 Vùng làm việc....................................................................................18
2.1.2 Bàn máy............................................................................................18
2.1.3 Tải trọng, động cơ .............................................................................18
2.1.4 Cơ cấu truyền động ...........................................................................19
2.1.5 Đầu cắt laser......................................................................................20
2.2 Phân tích các phương án thiết kế máy..................................................20
2.2.1 Lựa chọn kiểu bàn máy ......................................................................20
2.2.2 Phương án thiết kế bộ truyền..............................................................21
2.3 Thiết kế máy ..........................................................................................27
2.3.1 Khung máy.........................................................................................27
2.3.2 Cơ cấu dẫn hướng ..............................................................................28
2.3.3 Cụm chuyển động trục X....................................................................34
2.3.4 Cụm chuyển động trục Y....................................................................37
2.3.5 Chọn động cơ bước ...........................................................................39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN..................................42
3.1 Tổng quát về các thành phần của hệ thống.......................................42
3.2 Phần cứng ...........................................................................................43
3.2.1. Giới thiệu về arduino UNO R3..........................................................43
3.2.2. Driver động cơ bước .........................................................................48
3.2.3 Mạch điều khiển Laser .......................................................................53

3.3 Phần mềm ..............................................................................................54
3.3.1. Giới thiệu phần mền Inkscape ...........................................................54
3.3.2. Giới thiệu phần mềm GLBL..............................................................56
3.3.3. Giới thiệu phần mền Teamviewer......................................................54
CHƯƠNG 4: KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH VÀ SỬ DỤNG MÁY..................60
5.2 Khởi động và sử dụng phần mềm Inkscape..........................................60
5.2 Khởi động và sử dụng phần mềm GRBL Controller............................62
5.2.1 Thiết lập thông số cho phần mềm GRBL Controller...........................63
5.2.2 Chạy thử máy.....................................................................................67
KẾT LUẬN......................................................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................70
PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU
Trang
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống NC...............................................5
Hình 1.2 Khắc laser ngành khuôn mẫu ..............................................................13
Hình 1.3 Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì .................................................14
Hình 1.4 Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo..........................................15
Hình 1.5 Ứng dụng máy khắc laser để khắc dấu.................................................16
Hình 1.6 Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí .............16
Hình 1.7 Đột mã hiệu , mã 2D, thông tin... lên động cơ xe, máy móc.................17
Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy.............................................................................18
Hình 2.2 Bộ truyền bulong – đai ốc ...................................................................21
Hình 2.3 Trục vít – đai ốc ..................................................................................22
Hình 2.4 Ghép nối trục vít – đai ốc....................................................................22
Hình 2.5 Mô phỏng phương án trục vít me – đai ốc ...........................................23
Hình 2.6 Trục vít me bi – đai ốc ........................................................................24
Hình 2.7 Trục vít me bi – đai ốc ........................................................................24
Hình 2.8 Truyền động bằng đai răng..................................................................25
Hình 2.9 Đai – pulley răng.................................................................................25
Hình 2.10 Mô phỏng phương án truyền động bằng đai răng...............................26
Hình 2.11 Thép hộp vuông mạ kẽm...................................................................27
Hình 2.12 Khung máy mô phỏng trên solidworks 2013 .....................................28
Hình 2.13 Con trượt tròn SBR...........................................................................30
Hình 2.14 Con trượt tròn SCS ...........................................................................30
Hình 2.15 Gối đỡ ray trượt tròn SK ...................................................................31

Hình 2.16 Gối đỡ ray trượt tròn SHF.................................................................31
Hình 2.17 Ray trượt tròn có đế ..........................................................................32
Hình 2.18 Trục trượt tròn ..................................................................................33
Hình 2.19 Dây đai và Pulley GT2......................................................................33
Hình 2.20 Cụm chuyển động trục X ..................................................................34
Hình 2.21 Cụm chuyển động trục Y ..................................................................37
Hình 2.22 Động cơ bước 42...............................................................................41
Hình 2.23 Động cơ bước 23...............................................................................41
Hình 3.1 Các thành phần chính của hệ điều khiển..............................................42
Hình 3.2 Mạch Arduino UNO R3......................................................................43
Hình 3.3 Chip Atmega trên board Arduino UNO...............................................44
Hình 3.4 Các cổng vào/ra trên board Arduino UNO ..........................................46
Hình 3.5 Môi trường lập trình Arduino IDE ......................................................48
Hình 3.6 Driver điều khiển động cơ TB6560 .....................................................48
Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển driver động cơ bước.........................................50
Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguồn driver ....................................................................51
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển và cách ly driver .............................................51
Hình 3.10 Các công tắc điều chỉnh các chế độ driver .........................................52
Hình 3.11 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ của driver ........................................53
Hình 3.12 Driver điều khiển đầu khắc laser .......................................................53
Hình 3.13 Phần mềm Xử lý đồ họa vector inkscape...........................................55
Hình 3.14 Phần mềm điều khiển máy khắc laser GRBL controller ....................56
Hình 3.15 Giao diện chính của phần mềm TeamViewer 12 ...............................57
Bảng 3.1 Quy tắc điều chỉnh độ mịn trong motor driver ....................................50

LỜI MỞ ĐẦU
Đồ án tốt nghiệp là đồ án cuối cùng của sinh viên trường đại học Bách Khoa
nói chung và của sinh viên ngành Cơ điện tử nói riêng. Đồ án tốt nghiệp là thước đo
cuối cùng của sinh viên Cơ điện tử trước khi trở thành một kỹ sư. Đồ án tốt nghiệp
nghành kỹ thuật Cơ điện tử đòi hỏi sinh viên phải nắm vững về cả lý thuyết và thực
hành.
Trong số rất nhiều các sản phẩm Cơ điện tử ứng dụng vào trong công nghiệp
thì máy công cụ CNC là một trong những lĩnh vực mũi nhọn trong công nghiệp. Được
ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong nhiều ngành nghề, tạo ra các sản phẩm chất lượng mà
tiết kiện thời gian công sức cho người lao động. Một trong những ứng dụng được sử
dụng nhiều nhất là máy công cụ cắt khắc laser CNC.
Vậy, chúng em xin thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật Cơ điện tử với
nội dung nghiên cứu chế tạo máy cắt khắc laser CNC. Đồ án này gồm 4 chương với nội
dung như sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thiết kế kết cấu bộ phân máy
- Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
- Chương 4: Kết nối và sử dụng máy

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.1 Lịch sử
CNC (Computer Numercal Control) có tiền thân từ máy công cụ NC (Numercal
Control). NC là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hoá bởi các con
số, các chữ cái, các kí tự mà bộ sử lý trung tâm có thể hiểu được. Những lệnh này
được điều chế thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ
cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy. Những con số, chữ cái, ký tự trong tập
lệnh dùng để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu
và thao tác trên phôi.
NC được sớm sử dụng trong các mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy
diệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo. Thậm chí sớm
hơn nữa, những chiếc máy đánh chuông tự động được sử dụng ở nhà thờ lớn châu Âu
và một số nhà thờ ở Hoa Kỳ. Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời. Nó dùng các
cuộn giấy đục lỗ săn, dựa vào các lỗ thủng đó để tự động điều khiển các phím ấn.
Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Whitney, đã chuyển
đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa trên kỹ năng của thợ thủ
công nay được làm trên máy . Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời , hệ thống sản xuất
hàng loạt nhanh chóng được nền công nghiệp chấp nhận và đua vào để sản xuất một số
lượng lớn các chi tiết giống hệt nhau. Ở nửa sau của thế kỷ 19,một số lượng lớn các
máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt , máy khoan,
máy cán, máy mài. Cùng với nó, các công nghệ điều khiển bằng thuỷ lực, khí nén,
bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên
dễ dàng hơn.
Năm 1974, không lực Hoa kỳ thấy rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình dạng
của các chi tiết máy bay, như cánh quạt của trực thăng hay các chi tiết của đầu phóng
tên lửa chính là nguyên nhân khiến các nhà sản xuất không giao hàng đúng hẹn. Khi
đó, John Parsons, Parsons Corporion, thành phố Traverse, bang MIchigan đã bắt đầu

nghiên cứu với ý tưởng về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử
dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy. Năm 1949, USAMD giao cho
Parsons một hợp đồng phát triển NC và phương pháp tăng tốc trong sản xuất. Parsons
sau đó đã chuyển thầu lại cho phòng thí nghiệm Servomechanism đại học
Massachusetts Institute ò Technology (MIT). Năm 1952 họ đã thành công với chiếc
máy có đầu cắt chuyển động ba chiều. Rất nhanh sau đố, hầu hết các nhà sản xuất máy
công cụ đều cho ra các máy NC. Năm 1960, tại triển lãm máy công cụ ở Chicago, hơn
100 máy NC đã được trưng bày. Hầu hết các máy đều giống nhau ở nguyên tắc điều
khiển vị trí điểm - điểm. Nguyên lý của máy NC được thiết lập một cách vững chãi.
Từ đây, NC được cải tiến nhanh chóng trong công nghiệp điện tử để phát triển các sản
phẩm mới. Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Sự phát
triển của máy công cụ, các bộ điều khiển khiến cho chúng được sử dụng nhiều hơn.
Cho đến năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tự động theo chương
trình mà các thông tin viết dưới dạng số đã được sử dụng rộng rãi. Cũng vào năm đó,
người ta đưa một máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc
tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy, các máy này được gọi là các máy CNC
(Computer Numerical Control). Và sau đó, các chức năng trợ giúp cho quá trình gia
công ngày càng phát triển. Vào năm 1965 thì hệ thống CAD-CAM-CNC ra đời. Năm
1984 thì đồ hoạ máy tính phát triển, được ựng dụng để mô phỏng quá trình gia công
trên máy công cụ điều khiển số.
Năm 1994, hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm
CAD cho phép mô phỏng được các bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đồng thời
nó cho phép tính toán mô phỏng các bề mặt phức tạp, từ đó tính toán chính xác đường
nội suy với độ mịn, độ sắc nét cao.
Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghệ nano vào hệ điều khiển
máy CNC. Năm 2001 hãng FANUC đã chế tạo hệ điều khiển nano cho máy CNC, mở
ra một trang mới về công nghệ chế tạo máy công cụ.
1.1.2. Một số máy NC.
Với những chiếc máy công cụ trước đây, luôn phải có người đứng bên máy để
điều khiển các hoạt động của máy. Những loại này đã mất dần ưu thế khi máy NC ra

đời, người điều khiển không phải điều khiển các chuyển động của máy nữa. Ở các máy
công cụ truyền thống, chỉ có 20% thời gian hoạt động là để gia công vật liệu. Khi thêm
phần điều khiển điện tử thì thời gian gia công tăng lên 80%, thậm chí cao hơn. Đồng
thời cũng giam bớt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí yêu cầu.
Trước đây, các máy công cụ sản suất sao cho càng đơn giản càng tốt để giảm
giá thành. Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với bộ điều
khiển điện tử ra đời, khiến cho nền công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm tốt hơn
với giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh với những nền công nghiệp nước ngoài.
NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp
nhất. Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy
phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng.
* Máy khoan thẳng đơn trục.
Một trong những máy NC đơn gian nhất là máy khoan đơn trục. Hầu hết các
máy khoan đều được lập trình trên 3 trục:
- Trục X điều khiển bàn máy di chuyển sang trai hoặc sang phải.
- TrucY điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.
- Trục Z điều khiển chuyển động lên xuống của mũi khoan.
* Máy tiện.
Là một trong những chiếc máy có hiệu quả nhất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc
gia công các khối tròn. Máy tiện được lập trình trên 2 trục:
- Truc X điều khiển chuyển động dọc của đầu dao, vào hay ra.
- Trục Z điều khiển chuyển động của mẫu vật tiến vào hay rời khỏi bệ đỡ.
* Máy phay
Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiệp. Các
công năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay
có thể đảm nhiệm. Máy phay thường dùng thường được lập trình trên ba trục:
- Trục X điều khiển bàn máy chuyển động sang trái, phải.
- Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.
- Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao.
* Trung tâm gia công tiện

Trung tâm gia công tiện (Turing Center) ra đời giữa thập niên 60 sau khi nhóm
nghiên cứu chỉ ra rằng 40% các loại gia công kim loại được làm bằng phương pháp
tiện. Chiếc máy NC này có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, hiệu suất cao
hơn so với chiếc máy tiện thông thường. Turing Center cơ bản chỉ thao tác trên hai
trục :
a) Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện
b) Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện
+) Trung tâm cơ khí đa năng.
Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60. Được tích hợp nhiều tính năng
tại cùng một địa điểm. Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mẫu vật có thể thực
hiện chỉ với một lần cài đặt duy nhất. Nhờ vậy mà tốc độ, năng suất máy tăng lên đáng
kể so với những máy điều khiển số thông thường
1.1.3 Các thành phần cơ bản của máy NC
Chương trình Hệ thống điều khiển Máy công cụ
Hình 1.1 : Các thành phần cơ bản của hệ thống NC
a. Chương trình điều khiển
Là những tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì. Các lệnh này được
mã hóa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bị điều khiển có thể nhận dạng được. Chương
trình điều khiển có thể được lưu trữ trên phiếu đục lỗ băng đục lỗ, băng từ. Thí dụ
chương trình gia công:

b. Bộ điều khiển
Là thành phần thứ 2 của hệ thống điều khiển số.
Nó bao gồm các bo mạch điện tử và phần cứng có thể đọc và biên dịch chương
trình điều khiển và truyền đến máy công cụ.
Các thành phần cơ bản của bộ điều khiển:
- Bộ lưu dữ liệu
- Bộ phân phối dữ liệu
- Bộ liên hệ ngược
- Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên.
Cần phải lưu ý là gần như tất cả các máy NC hiện đại được bán là có trang bị bộ
điều khiển gọi là Microcomputer. Vì vậy mà chúng được gọi là máy CNC.
1.2 MÁY CNC LÀ GÌ?
1.2.1 Khái niệm
CNC (Computer numerical control) là một dạng máy NC điều khiển tự động có
sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động
theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra
được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu
1.2.2 Đặc điểm chung
Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số
vẫn được duy trì không đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên các chức năng và
công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho
phép sử dụng ở mức độ tự động hoá cao.

Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy
thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay. Anh ta đọc
bản vẽ chi tiết rồi sư dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế
chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành.
Các máy công cụ NC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp
với việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình.
Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các
chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay. Tính linh hoạt của máy NC
đật được là do:
- Khả năng lặp lai trong các chương trình thực hiện.
- Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao
trên máy công cụ khi yêu cầu.
- Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm
mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí.
- Khả năng đưa các giá trị công nghệ
1.3 GIỚI THIỆU VỀ MÁY CNC CẮT KHẮC LASER
Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là
loại laser hồng ngọc (rắn). Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium,
laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd: YAG, laser hóa, laser khí
kim loại,…
Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường
dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy
tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công
suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia
công các vật liệu mà các phương pháp gai công truyền thống khó hoặc không thể gia
công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số
vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và
gốm.

1.3.1 Cơ chế bóc vật liệu
Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có
chùm tia laser được nung nóng. Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp,
tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi
tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha,
chảy, và/hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của
chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng
chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma
trên bề mặt của vật liệu. Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do
làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết.
Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất
mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập và
được và bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn
nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố
nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng,
tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu
cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm
nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu.
1.3.2 Các loại Laser
Theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính, có thể chia laser thành bốn loại
chính sau: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng.
Laser rắn:
Trong laser rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích
thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc
tổnghợp, tri-nhôm-granat (YAG), Neodim-ytrinhôm-granat Nd… tạp chất tích cực
chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật
liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo.
Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại
laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế,
quân sự, …

Laser bán dẫn:
Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani,
silic, axenit gali,…). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào
khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên,
trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán
dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được
cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn
(hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại
laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác
được.
Laser khí:
Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng
cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser
khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Môi trường hoạt tính của loại laser khí
là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon,
agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt
cacbon, cacbonic, hơi nước, …
So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất
cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ
laser trong chất khí rất cao.
Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu
thuật mắt. Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen. Trong một lần
phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một
chất nhị trùng.
Laser lỏng:
Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính
chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất
màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi
trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích
thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là
môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh

sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân
hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có
thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ
lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn
với năng lượng hàng trăm Jun.
Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con
người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp. Nói
chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của
nó.
Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản,
bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser.
Laser Gamma:
Cơ sở vật lý của laser gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá
trình bức xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia gamma với chất lượng cao. Trong laser
gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân
phóng xạ. Hạt nhân sẽ bức xạ tia gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng lượng
cao xuống các mức năng lượng thấp hơn. Hiện tượng bức xạ tia gamma này gọi là hiện
tượng phân rã gamma. Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các
notron, proton hay tia Gamma.
Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác.
Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức
tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo
nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra
đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước
sóng một vài amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương
pháp cuối cùng của kỹ thuật laser.
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm:
 Không cần dùng buồng chân không.
 Không có vấn đề tích điện trong môi trường.

 Không có phóng xạ Rơn-ghen.
 Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trở, chân không, hoặc
ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.
 Có thể gia công tất cả vật liệu.
 Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi.
 Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh
do nhiệt độ.
 Sự chính xác và khả năng gia công các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến
dạng xung quanh vùng gia công ít.
 Thời gian tồn tại của xung gia công ngắn do đó năng suất cao.
 Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp.
 Chế độ gia công êm hơn các gia công khác.
Nhược điểm:
 Hiệu suất thấp.
 Khó điều chỉnh công suất ra.
 Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử.
 Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
 Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn.
 Giá thành cao.
 Cần phải xác định chính xác điểm gia công.
 Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi.
Phạm vi sử dụng:
 Trong công nghiệp, laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay...
các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phi kim.
 Các các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo
trên vật liệu kim loại và phi kim.
 Gia công các chi tiết cực nhỏ.
 Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim
cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia
công.

 Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ.
 Cân bằng động lực cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ
chính xác cao không có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng,
bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết.
 Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh
khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.
 Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính.
 Gia công các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC). Làm vi
mạch điện tử.
 Tạo mẫu nhanh.
 Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải.
Ngoài ra laser còn được ứng dụng trong y khoa như giải phẫu, điều trị bệnh bong
võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu. Trong cuộc sống hàng ngày thì laser có trong
máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khác nữa.
1.4 ỨNG DỤNG CỦA MÁY CẮT KHẮC LASER
1.4.1 Khắc khuôn mẫu
Công nghệ khắc khuôn mẫu bằng laser mang lại cho nền công nghiệp chế tạo
công cụ, khuôn mẫu khá nhiều lợi ích quan trọng. Một trong những lợi thế đó là khả
năng xử lý vật liệu không tiếp xúc, khả năng tập trung các chùm tia cao giúp tạo ra các
vết khắc bền, không dễ bị hư hỏng hay bong tróc. Trên thực tế, quy trình xử lý không
tiếp xúc giúp làm giảm nguy cơ gây hại và gây biến dạng khuôn mẫu. Bên cạnh đó, do
đặc tính không làm hao mòn vật liệu, công nghệ laser luôn đảm bảo độ khắc chính xác
cao và có khả năng khắc lặp lại cùng hàng loạt các ưu điểm tiêu biểu sau:

Hình 1.2 Khắc laser ngành khuôn mẫu
Có thể khắc trên các vùng làm việc khó tiếp cận và những phôi khắc lồi/ lõm
với độ chính xác cao.
Khắc với tốc độ cực nhanh 1500 mm/ giây - tăng gấp 30 lần so với phương pháp trước
đây.
An toàn với môi trường xung quanh vì tia laser không sản sinh các chất độc hại
như phương pháp khắc axis.
1.4.2 Ngành sản xuất bao bì
Ngày nay, công nghệ laser được sử dụng phần lớn trong ngành sản xuất bao
bì sản phẩm để khắc mã hiệu, hạn sử dụng trực tiếp lên vỏ sản phẩm, thường được
dùng để thay các phương thức khác như in phun mực nhằm mang lại chất lượng cao
hơn cho sản phẩm bao bì. Công nghệ khắc laser còn được ứng dụng rất linh hoạt trên
nhiều loại chất liệu bao bì khác nhau như nhựa, kim loại, thuỷ tinh, giấy... và mang lại
hiệu quả nhất định cho mục đích sử dụng bao bì sản phẩm đó. Sau đây là hàng loạt
công dụng chính mà công nghệ laser có thể giúp ích cho nhu cầu sản xuất bao bì của
bất kỳ doanh nghiệp sản xuất nào.
Công nghệ Laser có thể:
+ Laser làm cho bao bì dễ mở hơn

Hiện nay, bao bì có thể bao gồm một hoặc nhiều lớp chức năng chẳng hạn như
lớp nhựa PET sẽ làm tăng độ cứng và lưu giữ hương thơm cho sản phẩm, lớp PE được
dùng để đóng kín và chống rách bao bì, lớp PP chống bay hơi nước và lớp nhôm
thường dùng để bảo vệ sản phẩm chống tác nhân gây hại từ ánh sáng môi trường xung
quanh.
Do đó, chức năng dễ mở EasyOpen được tạo ra từ công nghệ Laser sẽ làm cho
các lớp hỗ trợ trên bao bì bị suy yếu giúp người sử dụng có thể dễ dàng mở bao bì sản
phẩm ra, tuy nhiên đặc điểm này của bao bì không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản
phẩm bên trong nó.
Hình 1.3 Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì
+ Đục lỗ siêu nhỏ trên bao bì
Ngày nay, việc kéo dài thời gian sử dụng và đảm bảo sự tươi sống của của thực
phẩm là rất quan trọng, vì vậy, việc trao đổi chất khí để thực phẩm tươi ngon được
thực hiện bằng cách đục rất nhiều lỗ siêu nhỏ trên bao bì.
Có thể nói, công nghệ laser đã thực sự mang lại nhiều giải pháp mới cho ngành
sản xuất bao bì thông qua những công dụng chủ yếu trên đây. Nhờ đó, công nghệ
Laser một lần nữa đã khẳng định được vai trò và thành tựu đạt được của mình trong
lĩnh vực mới - ngành sản xuất bao bì, đem lại sự tiện lợi hơn cho nhà sản xuất và sự an
tâm khi sử dụng của phần đông người tiêu dùng hiện nay.
1.4.3 Ứng dụng trong ngành quảng cáo
Ứng dụng trong công nghệ in màu, cắt quảng cáo: Các sản phẩm in, cắt
Decal Quảng cáo được xem là một công cụ không thể thiếu cho người làm quảng

cáo, cho phép ứng dụng vào hàng loạt các sản phẩm như: trang trí dán tường, trang
trí xe, bảng hiệu, POS, POP, in nhãn, phim truyền nhiệt...
Hình 1.4 Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo
Ứng dụng trong công nghệ in màu, cắt quảng cáo: Các sản phẩm in, cắt Decal
Quảng cáo được xem là một công cụ không thể thiếu cho người làm quảng cáo, cho
phép ứng dụng vào hàng loạt các sản phẩm như: trang trí dán tường, trang trí xe,
bảng hiệu, POS, POP, in nhãn, phim truyền nhiệt…
Khắc dấu: Con dấu được làm từ nhiều chất liệu khác nhau hay những con
dấu được cá thể hóa độc đáo theo sở thích của người sử dụng tuy đa dạng và phong
phú nhưng đều có thể được tạo ra đơn giản và nhanh chóng từ những chiếc máy
khắc & cắt laser.

Hình 1.5 Ứng dụng máy khắc laser
+ Trong ngành cơ khí
Khắc mã vạch, mã 2D, Logo, số lô, số seri, thông tin sản phẩm
Hình 1.6 Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí

Hình 1.7 Đột mã hiệu , mã 2D, thông tin...lên động cơ xe, máy móc

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU MÁY
2.1 THÔNG SỐ KĨ THUẬT YÊU CẦU CỦA MÁY
Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy
Tổng quan thì máy cắt khắc laser có các thành phần tương tự như của
một máy CNC. Cụ thể hóa các thành phần đó, lắp ráp lại với nhau, ta có sơ đồ
nguyên lý hệ thống máy như trên.
2.1.1 Vùng làm việc
Vùng làm việc của máy bao gồm các hướng di chuyển theo các trục X - Y:
- Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 500mm.
- Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 500mm.
2.1.2 Bàn máy
- Kích thước bàn máy: 800 x 700 mm.
- Khổ cắt: 500 x 500 mm.
2.1.3 Tải trọng, động cơ
- Đầu cắt laser chỉ bắn tia laser để cắt vật liệu, chứ không có chạm trực
tiếp vào vật liệu, nên về cơ bản tải trọng của bộ truyền kéo là bằng 0.

- Động cơ:
+ Để thuận tiện cho việc điều khiển, đảm bảo các tiêu chí về kỹ thuật và
kinh tế, loại động cơ được chọn để kéo các trục là động cơ bước.
+ Động cơ bước làm việc theo nguyên tắc khi có một xung điện vào sẽ
làm động cơ quay một góc xác định, số lượng xung tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển,
và thường được chọn sao cho sao cho một góc bước động cơ ứng với một đoạn
dịch chuyển nhỏ nhất bằng 1 đơn vị lập trình = 0,01 mm. Như vậy, giá trị dịch
chuyển cho trước được đưa vào dạng số lượng xung và động cơ sẽ thực hiện số
vòng quay tương ứng. Không dừng đến hệ thống đo chuyển vị, không có hệ so
sánh nên làm đơn giản các trang bị điều khiển điện kèm theo. Tuy nhiên, động
cơ bước chỉ truyền được công suất nhỏ, thường phải kèm theo các bộ khuếch
đại lực.
+ Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện
chạy trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần
ứng được cấp xung điều khiển.
2.1.4 Cơ cấu truyền động
Cơ cấu truyền động chính là phần quan trọng nhất của kết cấu máy cắt. Nó
phải có hành trình làm liệc đủ dài để đầu laser có thể dịch chuyển được
trong vùng làm việc, nhưng phải đảm bảo tính chính xác cao trong khi truyền
động. Việc sai số ở bộ truyền có ảnh hưởng rất lớn đến đầu cắt, do đó sẽ làm
lệch đi sản phẩm gia công.
Khoảng cách truyền động ở các trục:
- Trục X: 500 mm.
- Trục Y: 500 mm.
Do khoảng cách truyền là dài, nhưng lại phải đảm bảo độ chính xác cao
khi truyền, nên việc tính toán thiết kế phải kỹ lưỡng. Tải trọng danh định cho
bộ truyền là gần như bằng 0.
Một số loại bộ truyền thường được sử dụng trong thực tế ở máy cắt laser:
- Bộ truyền bulông – đai ốc.
- Truyền động bằng trục vít me.
- Bộ truyền đai răng.

2.1.5 Đầu cắt laser
Năng lượng trong mỗi tia laser phát ra là rất cao. Để đáp ứng được nhu
cầu cắt giấy, vải, decan, khắc lên gỗ và một số loại vật liệu thì công suất của
đầu cắt rơi vào khoảng từ 1 - 3W, bước sóng tia khoảng từ 300nm – 500nm.
Dựa và các thông số trên kết hợp phân tích tính kinh tế của máy mà ta chọn
mua dược loại đầu cắt phù hợp theo đúng yêu cầu.
2.2 PHÂN TÍCH CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÁY
2.2.1 Lựa chọn kiểu bàn máy
a. Bàn máy chuyển động
Là kiểu bàn máy phổ biển trong các loại máy phay CNC. Trong khi
phay, mũi dao va chạm trực tiếp với bề mặt vật liệu, tức các động cơ, bộ
truyền phải chịu thêm tải trọng lực cắt ngoài khối lượng đặt lên. Do vậy mà
kết cấu máy phải cứng vững, bàn máy mang phôi cho dịch chuyển để phân tán
bớt lực cắt, giảm thiểu tác động lên dao. Khi đó, dao đứng yên, bàn máy
chuyển động, độ cững vững cao hơn.
Đặc điểm:
- Khối lượng, diền tích lớn, cồng kềnh
- Kết cấu máy phải to, chắc chắn, đảm bảo độ cứng vững
- Độ rung lắc lớn khi bàn máy chuyển động
b. Bàn máy đứng yên
Là kiểu bàn máy mà khi cắt đầu cắt chịu ít tải trọng hơn, các máy có hành
trình lớn, di chuyển rộng khắp bề mặt. Trong máy cắt khắc laser, so sanh giữa
việc di chuyển bàn máy và đầu cắt laser thì phương án bàn máy đứng yên hiệu
quả hơn rất nhiều
- Đầu cắt là box tia laser chỉ bắn ra tia, khi chuyển động là gần như không tải
đối với cơ cấu truyền, nên việc dịch chuyển nhanh gọn và tiết kiệm năng
lượng.
- Kết cấu máy trở nên đơn giản, ít cồng kềnh hơn do không yêu cầu cao về
độ cứng vững và chịu lực
- Giá thành chế tạo cho phương án bàn máy đứng yên kinh tế hơn.
c. Bàn máy đứng yên

Từ các phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng chọn bàn máy đứng yên, đầu
cắt laser chuyển động là phương án khả thi nhất khi thiết kế máy cắt khắc laser.
2.2.2 Phương án thiết kế bộ truyền
a. Bộ truyền bulong – đai ốc
Là cơ cấu được chế lại cho phù hợp trong các mô hình của sinh viên.
Kết cấu của bộ truyền là sử dụng 1 thanh bulong dài đóng vai trò như trục vít
trong bộ truyền vít – đai ốc. Đai ốc vặn vào bulong. Ta sẽ gắn bộ phận cần
truyền động vào đai ốc và dung động cơ để xoay bulong, nhờ đó mà đai ốc có
thể tịnh tiến dọc trục.
Hình 2.2 Bộ truyền bulong – đai ốc
Ưu điểm:
- Đơn giản dễ chế tạo
- Rẻ tiền, dẽ dàng thay thế, sửa chửa, bảo hành.
- Bulong, đai ốc là loại dễ tìm kiếm trên thị trường, có nhiều sự lựa chọn
trong khâu thiết kế
Nhược điểm:
- Độ chính xác không cao.
- Không có tính tự hãm đặc trưng của một bộ truyền vít – đai ốc.
- Việc chế tạo nối trục giữa động cơ và bulong sẽ phải tự chế và làm thủ
công
- Dễ bị tác động từ môi trường như rỉ, rít, truyền không trơn…
b. Truyền động trục vít – đai ốc

Hình 2.3: Trục vít – đai ốc
Bộ truyền trục vít – đai ốc biến đổi chuyển động quay thành chuyển
động tịnh tiến nhờ sự tiếp xúc, đẩy nhau giữa ren vít và ren đai ốc.
Hình 2.4: Ghép nối trục vít – đai ốc
Đây là cơ cấu rất thông dụng, thường thấy trong các máy tiện, phay,
các máy có tính truyền động tương tự. Động cơ được gắn vào vit me. Khi
động cơ quay làm vít quay theo, do vit me và động cơ là cố định nên đai ốc
sẽ tính tiến dọc theo chiều dài vít me. Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận
cần truyền động (ở đây là trục X, trục Y), làm cho bộ phận đó chuyển động
so với hệ thống thanh trượt.
Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ của động cơ và bước ren của

trục vit. Một vòng quay của động cơ sẽ làm cho đai ốc d chuyển một doạn
bừng bước ren của trục vít. Do vậy khó đảm bảo độ chính xác khi di chuyển
nhanh.
Ưu điểm:
- Tốc độ di chuyển nhanh do gắn đồng trục.
- Độ chính xác cao.
- Là phương án phổ biến trong các máy CNC công nghiệp hiện nay.
Nhược điểm:
- Mỗi đoạn tịnh tiến của đai ốc phụ thuộc vào bước ren nên dù di
chuyển nhanh nhưng đọ chính xác chưa cao, phụ thuộc rất nhiều vào việc
gá đặt, thi công sản phẩm.
- Chi phí thực hiện cao, yêu cầu độ chính xác.
Sơ đồ mô phỏng của phương án này:
Hình 2.5: Mô phỏng phương án trục vít me – đai ốc
Để tang độ chính xác của phương án truyền động, người ta thường
thay bộ truyền trục vít me – đai ốc bằng bộ truyền vít me bi:

Hình 2.6: Trục vít me bi – đai ốc
Bộ truyền này giảm đi ma sát giữa đai ốc và trục vít, nâng cao độ
chính xác chuyển động.
Hình 2.7: Trục vít me bi – đai ốc
Để đảm bảo ma sát lăn hoàn toàn, bi cần phải chuyển động liên tục nhờ
máng 4 để dẫn bi từ rãnh cuối của đai ốc về rãnh đầu.
c. Bộ truyền đai
Bộ truyền đai cũng thường được sử dụng nhiều trong các máy cắt
tương tự. Đối với tính tính xác của chuyển động cần truyền, chống trượt
cũng như các sai sô nên chỉ có đai răng là thích hợp hơn cả cho bộ truyền.

Hình 2.8. Truyền động bằng đai răng
Ưu điểm của bộ truyền:
- Kết cấu đơn giản, giá thành hạ xuống.
- Làm việc êm, không gây ồn nhờ độ mềm dẻo của đai, thích hợp trong việc
truyền động tốc độ cao (mà thực chất máy cắt đang thực hiện thì tốc dộ cũng
không cao lắm do đầu cắt có thể cháy không kịp).
- Truyền động giữa trục cách xa nhau (với khoảng cách làm việc lớn nhất
lên đến 950 mm thì truyền động đai hoàn toàn hợp lý).
- Hiệu suất truyền động cao
- Tiện lợi, dễ dàng cho việc điều khiển.
Một số loại đai và puly thông dụng:
Hình 2.9: Đai – pulley răng

Nhược điểm:
- Có thể gặp vấn đề với kích thước, khuôn khổ lớn.
- Lực tác dụng lên ổ trục lớn và phải căng đai ban đầu.
- Tuổi thọ của đai thường thấp.
- Yêu cầu độ chính xác cao, việc thi công lắp ráp khó khan hơn.
- Chi phí thực hiện tương đối cao.
- Khó khăn trong việc tinh chỉnh độ song song của mặt đai cho việc kéo
trục chính xác nhất.
Hình 2.10: Mô phỏng phương án truyền động bằng đai răng
d. Kết luận phương án truyền động
Dựa trên kết quả phân tích các phương án truyền động ở trên, kết hợp
với các tính toán về khả năng cung cấp cũng như mua được các linh kiện cần
thiết và điều kiện kinh tế, phương án truyền động bằng đai răng được chọn để
thực hiện máy cắt.

2.3 THIẾT KẾ MÁY
2.3.1 Khung máy
Các tiêu chí để thực hiện bộ khung dưới của máy cắt:
- Đảm bảo độ chính xác về kích thước, độ bền cơ học chắc chắn.
- Ray trượt sẽ được gắn trực tiếp vào khung dưới nên phải đảm bảo tính
chính xác thiết kế
- Tương tác tốt các vị trí khi gắn các bộ truyền, mạch, động cơ lên.
- Đảm bảo độ cân bằng, không chông chênh gây ảnh hưởng đến chất lượng
sản phẩm
- Đảm bảo tính thẩm mỹ và kinh tế.
- Thuần tiện cho việc di chuyển cũng như sửa chữa, tháo lắp.
Dựa trên các tiêu chí đó, khung máy được thiết kế trên phần mềm
Solidworks 2013
Dựa trên các thông số cũng như vùng làm việc, ta thực hiện vẽ trên phần
mền solidworks. Máy chỉ dùng cho việc cắt khắc bằng tia laser nên cơ cấu không
cần phải quá cồng kềnh mà chỉ đơn giản là có 1 khung đủ cứng vững để tựa. Ta
dùng thép hộp vuông mạ kẽm 20x20 để làm khung đỡ và thép hộp chữ nhật mạ
kẽm 20x40 làm trục đứng cho khung máy và phần đỡ cho ray trượt
Hình 2.11 Thép hộp vuông mạ kẽm

Hình 2.12 Khung máy mô phỏng trên solidworks 2013
2.3.2 Cơ cấu dẫn hướng
a. Cơ bản về sóng trượt:
Khái niệm: Sóng trượt là một bộ phận của thân máy, dùng để dẫn hướng
cho các bộ phận di động của máy. Ngoài nhiệm vụ bảo đảm khả năng di động
của bộ phận máy, sóng trượt còn có nhiệm vụ truyền lực.
Yêu cầu kỹ thuật:
- Bề mặt sóng trượt cầm phải có độ chịu mòn cao, đối với máy chính xác
thì độ chịu mòn khoảng 0,004 - 0,008 (mm/năm). Để đảm bảo khả năng chịu mài
mòn, thì yêu cầu về độ cứng của sóng trượt tương đối quan trọng.
- Sóng trượt của thân máy, trụ máy, bàn máy cần được gia công
tinh bằng phương pháp cạo hoặc mài hay bằng phương pháp đánh bóng, mài
nghiền.
- Độ phẳng cho phép của sóng trượt 0,02 - 0,03 mm/m.
- Độ bóng bề mặt từ cấp 6 tới cấp 8.
- Độ hở của sóng trượt và các chi tiết lắp với nó được kiểm tra bằng sơn
và bằng thước đo dày 0,04 mm.
Vật liệu làm sóng trượt:
Vật liệu làm sóng trượt có ảnh hưởng rất lớn đến tuổi thọ của sóng
trượt. Do điều kiện làm việc của sóng trượt chủ yếu là chịu mài mòn.

Ta có thể dùng nhôm, chất dẻo để chế tạo những sóng trượt ngắn vì
nó chịu mòn, nhưng nó cũng có nhược điểm lớn là hệ số dẫn nhiệt thấp, khi ma
sát khô làm vật liệu nóng lên dễ gây gãy sóng trượt.
Kết cấu sóng trượt:
Để cho các bàn máy, bàn dao có thể chuyển động theo đường thẳng
nhất định thì tiết diện sóng trượt có thể có các hình dạng sau:
- Sóng trượt thẳng (còn gọi là sóng trượt hình chữ nhật). Sóng trượt lăn
trụ (còn gọi là sóng trượt hình tam giác).
- Sóng trượt chữ V: chủ yếu dùng cho máy bào giường, phay giường
hay các loại máy cỡ lớn với vận tốc lớn.
- Sóng trượt đuôi én: Có thể chịu tải trọng từ 3 mặt, được dùng phổ
biến để di động bàn máy, bàn dao máy tiện, tiện đứng, khoan cần, phay
giường.
- Sóng trượt hình trụ: loại này thường dùng ở những máy có lực cắt nhỏ
hoặc dùng để nâng cần ở máy khoan cần, máy phay giường.
b. Cơ bản về sóng lăn:
Nhằm giảm ma sát chuyển động, người ta tìm cách cải tiến sao cho ma
sát trượt giữa những mặt dẫn hướng của thân máy, bàn máy được thay thế bằng
ma sát lăn.
Vậy sóng lăn là loại cơ cấu dẫn hướng tương tự sóng trượt nhưng ma
sát trượt được thay thế bằng ma sát lăn, nhờ đó nó có khả năng đảm bảo
truyền động êm, độ chính xác cao với những truyền động có vận tốc bé.
Hệ số ma sát giảm khoảng 20 lần (Khắc phục hiện tượng ‘giật cục’ ở
vận tốc thấp)
Tuy nhiên sóng lăn có 1 nhược điểm là giá thành cao, những bề mặt đòi
hỏi gia công chính xác và việc bảo vệ cũng đòi hỏi phức tạp.
Tuỳ theo cách bố trí các chi tiết lăn giữa bộ phận di động và bộ phận
cố định người ta phân thành 2 loại: Sóng lăn hở và sóng lăn kín.
c. Chọn cơ cấu:
Trong mô hình máy cắt khắc laser CNC chúng em quyết định chọn sóng lăn
hình trụ để làm bộ phận dẫn hướng của máy vì:

- Ma sát nhỏ.
- Chuyển động mượt mà.
- Thông dụng, dễ kiếm
- Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản
- Gọn nhẹ, kết cấu đơn giản
- Thừa kế được những mô hình sẵn có.
Hình 2.13 Con trượt tròn SBR
Hình 2.14 Con trượt tròn SCS

d. Gối đỡ trục
Gối đỡ là loại chi tiết quan trọng một sản phẩm có lắp trục. Gối đỡ trục
làm nhiệm vụ đỡ trục của máy và xác định vi trí tương đối của trục trong không
gian nhằm thực hiện một nhiệm vụ động học nào đó. Chi tiết làm việc trong điều
kiện rung lắc thay đổi
Đối với máy này ở đây ta sử dụng gối đỡ ray tròn SK đễ đỡ trục phía
dưới khi có phần dưới của khung làm tựa và gối đỡ ray tròn SHF trong trường
hợp không có tựa phía dưới (dạng treo)
Hình 2.15 Gối đỡ ray trượt tròn SK
Hình 2.16 Gối đỡ ray trượt tròn SHF

e. Ray trượt
Với trục Y vì là gối đỡ cho cả hệ thống nên ta sử dụng ray trượt tròn có đế
Ø16 để đảm bảo độ cứng vững cho toàn bộ kết cấu
Với trục X ta dùng trục tròn Ø16 để làm ray trượt
Hình 2.17 Ray trượt tròn có đế

Hình 2.18 Trục trượt tròn
f. Đai răng:
Đối với sự chuyển động của hai trục X,Y thì yêu cầu không khắc khe để đảm
bảo tính linh hoạt và giảm chi phí thì chúng em quyết định sử dụng bộ truyền đai
răng. Động cơ truyền động vẫn sử dụng động cơ bước giống với động cơ trục Z.
Loại dây đai được sử dụng trong bộ truyền là dây đai GT2 với bước rang là 2mm
và bề rộng là 6mm.
Hình 2.19 Dây đai và Pulley GT2

Dùng Timing Pulley để truyền động với các thông số sau :
Đường kính 16.5 mm
Số răng :16 răng
Chiều dài đường răng : 7.6 mm
2.3.3 Cụm chuyển động trục X:
a. cấu tạo
Hình 2.20 Cụm chuyển động trục X
Cụm chuyển động trục X gồm 2 trục lay ray trượt định hướng cho phần
khung chứa đầu khắc của máy, được dẫn động bằng cách cho động cơ quay lúc
này đai thang quay theo và đưa đầu khắc chuyển động theo phương X
Khó khăn ở đây là việc để 2 trục song song với nhau để đảm bảo kết cấu
chạy mượt, cần phải cân chỉnh một cách hợp lý
2 trục được đỡ trên 2 gối đỡ và được siết cứng cùng với khung trên của
máy
b. Tính toán gần đúng trục
-Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho đầu laser đi theo đúng hướng đã
đặt ra, vì 2 thanh chịu tác dụng lực ngang nhau và có tác dụng như nhau nên khi
tính sức bền ta chỉ cần tính trên một thanh và suy thanh còn lại.
-Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng :động cơ , đầu laser…
-Trọng lượng của toàn bộ hệ thống : P=10 (N)
-Chọn thanh dẫn là bằng vật liệu thép C45 có chiều dài là 700mm.

Áp dụng công thức 7.3 trang 117 ( tài liệu [1]) để tính đường kính trục tại
tiết diện nguy hiểm.
 
3
4
0,1(1 )
td
M
d
 


Trong đó:
Mtd= (Mu
2
+ 0,75 Mx
2
) = 875 N.mm
- Vì ta sử dụng trục đặc nên:
0
  .
- Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền
2
600( / )
b N mm
 
Tra bảng 7.2 (trang 119[1]), có   2
50( / )
N mm
 
. Thay vào công thức
trên, ta có được:
3
875
0,1.50
D  = 5,59mm
=> Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn d=8(mm)
c. Kiểm nghiệm độn bền
-Ta có :
:
3 3
3
8
50,3( )
32 32
d
W mm
 
 
  
=>Ứng suất pháp :
Mu
W
  
1125
50.3
 17,4 (N/mm2
)
Ta có ứng suất cho phépb
  2
50( / )
N mm
 
=>  
 

(Thỏa mãn điều
kiện bền)
d. Tính chọn bộ truyền đai răng.
Xác định modun m theo thực nghiệm công thức 4.58 trang 156 tài liệu [1].
1
3
1
35 r
P C
m
n

 
Với:
- P1: công suất trên bánh chủ động. Chọn P1=1 W= 0,001 KW

- n1: số vòng quay của banh dẫn: n1=n2= 60( vòng/ phút)
- Cr: hệ số tải trọng động, Cr=1,5.
Như vậy ta có: m= 1,02 => ta chọn modun m=1(mm)
Với m=1, tra bảng 4.11 và 4.13 trang 115 tài liệu [1] ta có Zmin= 13
=> ta chọn Z1= 20 (răng)
Tỉ số truyền
1 2
2 1
n Z
i
n Z
 
=1 => Z2= i.Z1= 20 (răng) ( thỏa mãn Z2 max =
115 răng)
Đường kính vòng chia của bánh răng chủ động d1 = m.Z1= 1.20= 20 mm
Đường kính vòng chia của bánh răng bị động d2 = m.Z2 = 1.20= 20 mm
Khoảng cách trục nhỏ nhất là:
amin= 0,5.(d1+d2) + C với C= 2 mm
=> amin= 0,5.(20+20) +2 = 22 mm
Để đảm bảo kích thước theo thiết kế ban đầu ta chọn a= 400(mm).
Số răng trên đai.
Với:
- p là bước đai, với m=1 => p= 3,14.
Tra bảng 4.11 trang 155 tài liệu [1]. Zd = 275(răng)
Số răng ăn khớp trên bánh đai.Vì 2 bánh đai có đường kính và số răng là
như nhau nên ta tính cho 1 đai.
1 1
0
360
Z
Z



Trong đó:
- 1
 là góc ôm bánh đai nhỏ.
0
1
2 1
180 57,3 180
Z Z
a


   
=> Số răng ăn khớp:
 
2
2 1
1 2
2
2 40
d
Z Z
Z Z
a
Z p
p a



   


0
20.180
10
360
Z   (răng)
Thỏa mãn điều kiện về góc ôm.
2.3.4 Cụm chuyển động trục Y
a. Cấu tạo:
Hình 2.21 Cụm chuyển động trục Y
Cụm chuyển động trục Y bao gồm 2 trục cố định được gắn trên khung
máy được gắn với máy bằng mối ghép đai ốc, phần khung máy chuyển động tịnh
tiến trên trục nhờ 4 con trượt tròn SBR.
Để khung trên có thể trượt trên ray trượt ta gắn khung trên với dây đai vài
cho dây đai dần động biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động
tịnh tiến của cơ cấu
b. Tính toán trục gần đúng
Thanh dẫn có tác dụng dẫn hướng cho cụm trục x đi theo đúng hướng đã
đặt ra. Thanh dẫn chịu tác dụng của trọng lượng: 1 đông cơ bước, con lăn, trục x
Trọng lượng của toàn bộ hệ thống: P = 30 (N)
Vì 2 thanh có tác dụng như nhau và chịu tải như nhau nên ta chỉ tính sức
bền vệt liệu trên 1 thanh của chi tiết. Tải trọng trên mỗi thanh bằng nhau và bằng
15(N).

Áp dụng công thức 7.3 trang 117 ( tài liệu [1]) để tính đường kính trục tại
tiết diện nguy hiểm.
 
3
4
0,1(1 )
td
M
d
 


Trong đó: Mtd= (Mu
2
+ 0,75 Mx
2
) = 4125 N.mm
- Vì ta sử dụng trục đặc nên
0
  .
- Với vật liệu trục là thép 45, nên ta có giới hạn bền
2
600( / )
b N mm
  . Tra bảng 7.2 (trang 119[1]), có   2
50( / )
N mm
 
. Thay
vào công thức trên, ta có được:
3
4125
9,38
0,1.50
D mm
 
=> Lấy theo đường kính trục tiêu chuẩn d=12(mm)
b. Kiểm nghiệm độ bền.
- Ta có:
3 3
3
12
W 169,6(mm )
32 32
d
 
 
  
=>Ứng suất pháp : 2
1875
11,1(N/ mm )
169,6
Mu
W
   
Ta có ứng suất cho phép:
  2
50( / )
N mm
 
=>  
 

(Thỏa mãn điều kiện bền)
c. Tính chọn bộ truyền đai răng
Nguyên lí hoạt động và chức năng của bộ truyền giống với cơ cấu di
chuyển theo trục X, vì vậy ta chọn bộ truyền đai thang có bánh đai và đai như bộ
truyền theo trục X.
Với công suất trên bánh chủ động là P = 1(W)
Như vậy ta chọn được bánh đai là GT2 Timing Pulley và dây đai là GT2
Timing Belt. Với các thông số như sau:
- Bước đai p = 3,14mm.
- Chiều dày răng nhỏ nhất S = 1mm.

- Chiều cao răng h = 0,8mm.
- Chiều dày đai H = 1,6mm.
- Khoảng cách từ đáy răng đến đường kính trung bình lớp chịu tải  =
0,4mm.
- Góc profin  = 500
- Bán kính góc lượn của răng R1= R2= 0,2 mm.
- Đường kính vòng ngoài bánh răng.19,2 (mm)
- Đường kính đáy bánh răng17,4 (mm)
- Chiều dày răng 8 (mm)
- Đường kính lỗ bánh đai 5(mm)
- Đường kính mayơ 10(mm)
- Chiều rộng nhỏ nhất rãnh S = 1 mm.
- Chiều sâu rãnh h = 1,3 mm
- Góc profin rãnh  = 500
.
- Bán kính góc lượng R1= R2 = 0,3 mm
2.3.5 Tính chọn động cơ bước
Việc chọn động cơ cho máy phụ thuộc vào nhiều yếu tố khách quan
khác nhau, từ việc điều khiển dễ dang hay không cho đến hiệu năng, cống suất
làm việc có đảm bảo được hay không.
Đối với động cơ bước:
- Đặc tính chuyển động của động cơ bước là rời rạc (trái ngược với đặc
tính chuyểnđộng quay liên tục và trơn như các loại động cơ khác).
- Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) thì rôto
(phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định gọi là bước góc.
So với động cơ Servo thì động cơ bước có những ưu điểm như:
- Điều khiển định vị chính xác; không yêu cầu sự điều chỉnh; giá thành rẻ;
có thể làm việc trong vòng mở; có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số
nên trong mạch điều khiển không cần mạch biến đổi số – tương tự (DAC); cấp
mômen cao tại tốc độ thấp và mômen thấp tại tốc độ cao; chi phí bảo dưỡng
thấp (do không có chổi than), rất khỏe trong mọi môi trường.

- Tuy nhiên nhược điểm của chúng là ồn, tiêu thụ dòng bất kể có hay
không có tải, kích thước bị giới hạn và có thể bị cản trở hoặc mất định vị vị trí
(mất bước) khi không có vòng điều khiển.
- Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau:
Tốc độ hoạt động (bước/giây).
Mômen xoắn.
Mômen quán tính.
Góc bước yêu cầu.
Thời gian để tăng tốc (ms).
Thời gian để giảm tốc (ms).
Kiểu truyền động được sử dụng.
Kích thước và trọng lượng.
=> Vậy bước động cơ càng nhỏ thì độ chính xác trong điều khiển càng cao.
Trên thị trường hiện nay có bán rất nhiều loại động cơ bước của nhiều
hãng khác nhau, kể cả hàng cũ và hàng mới. Tuy nhiên có một điểm chung ở
động cơ bước là công suất không lớn, nếu có công suất lớn thì kích thước rất
cồng kềnh và giá thành đắt. Phổ biến trên thị trường hiện nay là động cơ bước có
công suất khoảng 50W. Ngoài ra thông số này còn có thể điều chỉnh khi lắp ráp
ngoài thực tế. Do tải trọng tính toán của may là gần như bằng 0 nên công suất
của động cơ bước ta cần cũng không lớn. Dựa trên các phân tích về máy cũng
như khả năng của động có, loại động cơ bước STEPMOTOR 42 là thích hợp
cho truyền động trục Y của máy, trục X chọn loại động cơ bước STEPMOTOR
23.

Tên hàng Thông số kỹ thuật
STEPMORTOR 42
- Điện Áp: 5.6 - 20V. Dòng tiêu thụ: 2.5A
- Momen xoắn: 2.2Kg/CM
- Bước Góc: 1.8°
- Đường Kính Trục: 8mm
- Trọng lượng: 1225g
Brown Line: A +. Red Line: A -. Blue Line: B +. Orange
Line: B -
Hình 2.22 Động cơ bước 42
Tên hàng Thông số kỹ thuật
STEPMORTOR 23
- Điện Áp: 5.6 - 20V. Dòng tiêu thụ: 1.4A
- Momen xoắn: 1.2Kg/CM
- Bước Góc: 1.8°
- Đường Kính Trục: 5mm
- Trọng lượng: 525g
Brown Line: A +. Red Line: A -. Blue Line: B +. Orange
Line: B -
Hình 2.23 Động cơ bước 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1 TỔNG QUÁT VỀ CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG
Hình 3.1 Các thành phần chính của hệ điều khiển

3.2 PHẦN CỨNG
* Các thành phần tạo nên hệ điều khiển bao gồm:
1. Một máy tính có các phần mềm cần thiết tạo nên tập tin lập trình
CNC ( Gcode), máy tính cần có cổng USB để kết nối với driver chính
2. Một driver điều khiển hai động cơ bước sử dụng chip TB6560 theo
lệnh của máy tính và nhận cảnh báo từ các công tắc hành trình khi đầu cắt
chạm đến giới hạn của miền làm việc.
3. Hai động cơ bước gắn ở hai trục X và Y, giúp đầu cắt chuyển động.
4. Một driver điều khiển sự tắt bật của đầu cắt laser và cung cấp dòng
điện cho quạt làm mát đầu cắt.
5. Đầu cắt laser có nhiệm vụ phát tia laser, cắt, khắc lên vật liệu.
6. Hai nguồn điện cung cấp cho hai driver: một driver chính và một driver
laser.
7. Một máy tính bảng hoặc một điện thoại cảm ứng cài sẵn phần mềm
Teamviewer
3.2.1. Giới thiệu về Arduino UNO R3
Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta
thường nói tới chính là dòng Arduino UNO. Hiện dòng mạch này đã phát triển
tới thế hệ thứ 3 (R3). Bạn sẽ bắt đầu đến với Arduino qua thứ này. Bạn có thể
dùng Arduino Nano cũng được nhưng mình khuyên bạn nên dùng cái này.
Hình 3.2 Mạch Arduino UNO R3

Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ khoảng 30mA
Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC
Điện áp vào giới hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash
32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bởi
bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
* Vi điều khiển
Hình 3.3 Chip Atmega8 trên board Arduino UNO

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như
điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một
trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… hay những ứng dụng
khác .
* Năng lượng
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V.
Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu ta không có sẵn
nguồn từ cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên sẽ làm hỏng
Arduino UNO.
Các chân năng lượng
 GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn
dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
 5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.
 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA.
 Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực
dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
 IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể
được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó luôn là 5V. Mặc dù vậy bạn không được lấy
nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn.
 RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương
với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
* Bộ nhớ
Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:
 32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong
bộ nhớ Flash của vi điều khiển. Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ
được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ
nhớ này đâu.

 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn
khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây. Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần
nhiều bộ nhớ RAM. Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở
thành thứ mà bạn phải bận tâm. Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất.
* Các cổng vào/ra
Hình 3.4 Các cổng vào/ra trên board Arduino UNO
Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu. Chúng
chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA.
Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển
ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối).
Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:
 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận
(receive – RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác
thông qua 2 chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối
Serial không dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân
này nếu không cần thiết
 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với
độ phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28
-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm
analogWrite(). Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở

chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân
khác.
 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài
các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng
giao thức SPI với các thiết bị khác.
 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi
bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân
số 13. Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210
-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên
board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog.
Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân
analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp
I2C/TWI với các thiết bị khác.
* Lập trình cho Arduino
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng.
Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và
Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số
khác thì gọi là C hay C/C++. Riêng mình thì gọi nó là “ngôn ngữ Arduino”, và
đội ngũ phát triển Arduino cũng gọi như vậy. Ngôn ngữ Arduino bắt nguồn từ
C/C++ phổ biến hiện nay do đó rất dễ học, dễ hiểu. Nếu học tốt chương trình Tin
học 11 thì việc lập trình Arduino sẽ rất dễ thở đối với bạn.
Để lập trình cũng như gửi lệnh và nhận tín hiệu từ mạch Arduino, nhóm
phát triển dự án này đã cũng cấp đến cho người dùng một môi trường lập trình
Arduino được gọi là Arduino IDE (IntergratedDevelopment Environment) như
hình dưới đây.

Hình 3.5 Môi trường lập trình Arduino IDE
3.2.2. Driver động cơ bước
Hình 3.6 Driver điều khiển động cơ TB6560

Các chế độ điều chỉnh của module TB6560:
Module TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển động cơ bước
lưỡng cực.
Module TB6560 có khả năng điều khiển các chế độ:
* Điều chỉnh dòng:
Chế độ này cho phép sử dụng 4 công tắc để chọn dòng tối đa điều
khiển động cơ bước (SW1, SW2, SW3, S1), dòng điện có giá trị điều chỉnh từ
0.3A đến 3A
* Điều chỉnh độ tinh – Excitation:
Đây là chế độ đặt vi bước cho mạch driver. Bao gồm 4 mức: full
step,half step, vi bước (1/8 và 1/6 step), các chế độ này được thiết lập bởi phần
cứng
Ví dụ: Với motor 1,8 độ, khi ta chỉnh full step thì tương ứng 1 xung
ngoài vào chân điều khiển, động cơ sẽ quay 1,8 độ, 200 xung thì động cơ sẽ
quay 1 vòng. Khi thiết lập 1/2, 1/8, 1/16 thì 1 xung vào sẽ quay tương ứng 1/2,
1/8, 1/16 của 1,8 độ.
* Điều chỉnh độ mịn – Decay :
Chế độ này dùng để hạn dòng cho motor : khi cấp điện cho cuộn dây
motor qua cầu H bên trong IC thì sẽ có dòng điện chạy qua, ví dụ quy định dòng
là 1A thì khi đến dòng 1A IC nó ngưng không cấp điện nữa, dòng điện tụt
xuống, nó lại cấp tiếp... cứ vậy. Chu kỳ cấp rồi ngưng phụ thuộc vào dao động
nội bên trong IC, dao động này thay đổi bằng cách thay đổi giá trị tụ C5,
trong mạch dùng tụ 330pF, dao động là 130khz, thay tụ 100pF thì dao động
là 400khz, tần số càng cao thì IC kiểm tra sự thay đổi dòng càng nhanh, hình
dung đại khái thì càng nhanh càng mịn.
Chế độ decay gồm 4 mức 0%, 25%, 50%, 100%
Với motor nhỏ hay quay chậm thì ta nên chọn giá trị 0%, motor to hay
quay nhanh thì 100%. Tùy chọn 25%, 50% với các loại động cơ trung bình.
Giá trị Decay trong module được điều chỉnh bằng 2 phím bấm S5 và S6
theo bảng logic dưới đây:

Decay
S5 S6
0% 0 0
25% 1 0
50% 0 1
100% 1 1
Bảng 3.1 Quy tắc điều chỉnh độ mịn trong motor driver
* Sơ đồ khối và chức năng các khối
- Sơ đồ khối:
Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển driver động cơ bước
- Chức năng các khối:
+ Khối nguồn
Module TB6560 sử dụng nguồn 24V-DC cấp cho động cơ bước hoạt
động.
 Chip MC34063A/SO, LM7805: tạo ra điện áp 5V-DC từ nguồn ngoài
24V cung cấp cho các chip điều khiển
 Chip B0505LS-1W: tách riêng các đường nguồn công suất và điều
khiển, đảm bảo an toàn cho máy tính.

Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguồn
+ Khối cách ly quang:
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển và cách ly
 Có nhiệm vụ cách ly tín hiệu điều khiển với khối driver động cơ, ngăn
cản dòng ngược từ động cơ đánh thẳng vào máy tính gây hư hỏng
 Khối cách ly này sử dụng các loại opto 6N137, K817P, dòng từ chân điều
khiển có điện áp nhỏ sẽ chạy vào chân kích hoạt quang học, các tín hiệu điều
khiển đi vào chân của IC TB6560 được nối phía được kích hoạt, tách biệt hẳn 2
đường mạch.
+ Khối tín hiệu điều khiển
Gồm 6 chân : EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+ . EN-, EN+: Tín hiệu
cho phép/không cho phép modul hoạt động, ta nối EN+với điện áp 5V DK, bỏ

trống EN-. CW-,CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ. Ở đây ta
nối CW+vào chân điều khiển từ LPT, CW- nối đất GND DK
+ Khối thiết lập chế độ
Hình 3.10 Các công tắc điều chỉnh các chế độ
Chế độ này gồm các công tắc cho phép người dùng thiết lập các chế
độ tùy chọn như: Chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ tinh, điều
chỉnh độ mịn.
+ Khối Driver động cơ và động cơ
 Khối này sử dụng IC TB6560 điều khiển hoạt động cử động cơ bước.
 Tín hiệu điều khiển hướng và bước của động cơ được nối và chạy
vào chân CW/CCW (21) và CLK (3) của TB6560
TB6560 sẽ xử lý các tín hiệu và chạy ra các chân OUT_AM (13),
OUT_AP(16), OUT_BM (9) , OUT_BP (12), các chân này lần lượt được nối
với các chân domino B+, B-. A+, A- cho phép kết nối với 4 đầu dây của động
cơ bước.

Hình 3.11: Sơ đồ mạch điều khiển động cơ
3.2.3. Mạch điều khiển Laser:
Hình 3.12: Driver điều khiển đầu khắc laser

Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf

Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf

Similar to Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf (20)

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt khắc laser.pdf