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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC
LASER
Người hướng dẫn: THS. TRẦN NGỌC HẢI
Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH VŨ
Số thẻ sinh viên: 101120329
Lớp: 12CDT1
Đà Nẵng, 5/2017
Phạm
Thanh
Vũ
THIẾT
KẾ
CHẾ
TẠO
MÔ
HÌNH
MÁY
KHẮC
LASER
2017
DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC
LASER
Người hướng dẫn: THS. TRẦN NGỌC HẢI
Sinh viên thực hiện: PHẠM THANH VŨ
Số thẻ sinh viên: 101120329
Lớp: 12CDT1
Đà Nẵng, 5/2017
DUT.LRCC

TÓM TẮT
Đồ án Tốt nghiệp cho sinh viên ngành Kỹ thuật cơ điện tử vận dụng những gì
đã được đào tạo trong khóa học 5 năm tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Như
vậy đây vừa là cơ hội vừa là thử thách để sinh viên hoàn thiện hơn kiến thức lý thuyết
cũng như kĩ năng thực hành trong việc chế tạo mô hình. Đào tạo tư duy tích cực, sáng
tạo ra các sản phẩm về cả mặt ý tưởng lẫn thực tiễn nhằm đưa sinh viên đến gần hơn
để hiểu rõ ngành Cơ điện tử, tạo ý thức tốt khi ra trường về ứng dụng kiến thức vào
công việc.
Dựa vào những kiến thức trang bị được cùng với những tài liệu có được em
thực hiện Đồ án Tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế chế tạo mô mình máy khắc laser” dưới
sự hướng dẫn của Thầy Trần Ngọc Hải.
Đề tài này sử dụng các kiến thức về thiết kế máy để thiết kế hệ thống dẫn động
và truyền động kết hợp với kiến thức về điều khiển lập trình,ứng dụng các phần mềm
đồ họa và điểu khiển trên máy tính và sử dụng các phần mềm chuyên ngành cơ khí
như Creo Parameter, Autocad, RDM và các phần mềm điều khiển máy CNC và phần
mềm đồ họa miễn phí.Kết quả mong muốn của đề tài này là máy có thể hoạt động tốt
tạo ra các sản phẩm gia công chính xác và thẫm mĩ cao.
DUT.LRCC

TRƯỜNG ĐẠI HỌCBÁCH KHOA
KHOA CƠKHÍ
CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên: Phạm Thanh Vũ Số thẻ sinh viên: 101120329
Lớp: 12CĐT1 Khoa: Cơ khí Ngành: Cơ điện tử
1. Tên đề tài đồ án:
Thiết kế, chế tạo máy 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 và dữ liệu ban đầu:
- Kích thước gia công 500x300
- Công suất cắt tối đa 0.5W
- Độ chính xác gia công 0.1mm
- Vật liệu gia công : gỗ, decal, giấy , mica.
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
a. Tổng quan các vấn đề liên quan;
b. Thiết kế nguyên lý và tính toán động học máy: Phân tích & thiết kế sơ đồ
nguyên lý máy; lựa chọn hệ truyền động và các tính toán động học máy;
c. Tính toán sức bền và thiết kế kết cấu máy: Hệ thống dẫn hướng và khung chịu
lực, hệ thống dẫn động hiệu chỉnh và bố trí kết cấu máy;
d. Thiết kế hệ thống điều khiển: Tổng quan các thiết bị điều khiển; lập chu trình
điều khiển, thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển; thuật toán và chương trình điều
khiển;
e. Chế tạo máy thiết kế.
4. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
Bản vẽ phương án: 1A0
Bản vẽ kết cấu máy: 4A0
Bản vẽ hệ thống điều khiển: 2A0
5. Họ tên người hướng dẫn: Phần/ Nội dung:
Trần Ngọc Hải
6. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: …12…../…2…./2017
7. Ngày hoàn thành đồ án: …30…../…5…./2017
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017
DUT.LRCC

Trưởng Bộ môn Chế tạo máy Người hướng dẫn
TRẦN NGỌC HẢI
DUT.LRCC

i
LỜI NÓI ĐẦU
Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí 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, điều 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.
Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và
hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên
doanh. Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà
kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi.
Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc
thiết kế của người cán bộ kỹ thuật trong ngành cơ khí sau này.Chúng em đã được nhận
đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc Laser CNC”. Vì lần đầu làm quen với
công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của thầy Trần Ngọc Hải nhưng
cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế
còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc
trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nên chúng em rất mong
được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô. Sau thời gian làm đề tài bằng chính nổ lực
của bản thân và luôn nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy Trần Ngọc Hải trong
việc góp ý thiết kế, thực hiện mô hình hóa chạy thử ngiệm. Vì điều kiện vật liệu, công
nghệ và tài chính nên mô hình đề tài có thể chưa hoàn thiện như mong muốn, cùng với
những sai sót trong quá trình làm thuyết minh đề tài. Vì vậy rất mong nhận được sự
đóng góp của quý thầy cô và các bạn yêu để đề tài có thể hoàn thiện hơn. Xin một lần
nữa gửi tới lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Trần Ngọc Hải cùng các bạn trong khoa, ngành
đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài.
Đà nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Phạm Thanh Vũ
DUT.LRCC

ii
CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi.
Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo
đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một
cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này
chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Sinh viên thực hiện
Phạm Thanh Vũ
DUT.LRCC

iii
MỤC LỤC
TÓM TẮT
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN
Trang
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................................i
CAM ĐOAN................................................................................................................... ii
MỤC LỤC..................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ.........................................................................vi
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 .......................................................................................................2
1.2. Máy cnc là gì ...........................................................................................................3
1.2.1. Khái niệm ..............................................................................................................3
1.2.2. Đặc điểm chung.....................................................................................................4
1.3. Các thành phần cơ bản của máy nc......................................................................4
1.3.1. Chương trinh điều khiển........................................................................................4
1.3.2. Bộ điều khiển.........................................................................................................5
1.3.3. Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác...............................................5
1.4. Thuật toán nội suy trên máy CNC........................................................................5
1.4.1. Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation)......................................5
1.4.2. Phương pháp nội suy cung tròn.............................................................................7
1.4.3. Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation)................................................................9
1.4.4. Nội suy bậc 3 (Cubic)............................................................................................9
Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY KHẮC LASER .................................................10
2.1. Tổng quan bằng gia công bằng tia laser.............................................................10
2.1.1. Cơ chế bó vật liệu................................................................................................10
2.1.2. Các loại laser .......................................................................................................11
2.1.3. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng ...................................................................13
2.2. Ứng dụng của máy khắc laser .............................................................................14
2.2.1. Khắc khuôn mẫu..................................................................................................14
2.2.2. Ngành sản xuất bao bì .........................................................................................15
2.2.3. Ứng dụng trong quảng cáo ..................................................................................16
DUT.LRCC

iv
2.2.4. Ứng dụng săm hình .............................................................................................17
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY ................................................18
3.1. Thiết kế động học toàn máy.................................................................................18
3.1.1. Vùng làm việc......................................................................................................18
3.1.2. Bàn máy...............................................................................................................18
3.1.3. Tải trọng và chọn động cơ...................................................................................18
3.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế..........................................................18
3.2.1. Chon phương án chuyển động của các bộ phận máy..........................................18
3.2.2. Lựa chọn các phương án truyền động .................................................................20
3.3. Thiết kế kết cấu máy ............................................................................................22
3.3.1. Cơ cấu trục X.......................................................................................................22
3.3.2. Cơ cấu trục Y.......................................................................................................24
3.3.3. Cơ cấu trục Z .......................................................................................................25
3.4. Các bộ phận lựa chọn...........................................................................................26
3.4.1. Động cơ ...............................................................................................................26
3.4.2. Con lăn.................................................................................................................26
3.4.3. Chọn Puly ............................................................................................................27
3.4.4. Trụ đồng 3.5mm gá động cơ ...............................................................................28
3.4.5. Góc kê..................................................................................................................28
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC.........................................................29
4.1. Tính toán cụm truyền động trên trục X và Y ....................................................29
4.1.1. Sơ đồ lắp ráp........................................................................................................29
4.1.2. Sơ đồ lực tác dụng lên các trục............................................................................30
4.1.3. Các thông số đầu vào...........................................................................................30
4.1.4. Công suất động cơ ...............................................................................................30
4.1.5. Tốc độ động cơ....................................................................................................30
4.1.6. Tỉ số truyền..........................................................................................................31
4.1.7. Vận tốc di chuyển tối đa của trục X và Y(vận tốc đai) .......................................31
4.1.8. Lực tác dụng lên trục puly...................................................................................31
4.1.9. Tốc độ quay trên trục...........................................................................................31
4.1.10. Mômen xoắn trên trục .......................................................................................31
4.1.11. Lực căng dây T trên 1 nhánh đai.......................................................................31
4.1.12. Lực vòng (tải trọng có ích)................................................................................31
4.1.13. Tính chọn đường kính trục truyền động và ổ lăn ..............................................31
4.1.14. Chọn ổ lăn..........................................................................................................33
4.1.15. Lực tác dụng lên trục con lăn ............................................................................34
DUT.LRCC

v
4.1.16. Tính chọn đường kính trục con lăn ...................................................................34
4.1.17. Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm.............................................35
4.2. Tính toán cụm truyền động trục vít - đai ốc trên trục Z ..................................35
4.2.1. Sơ đồ lắp ráp........................................................................................................35
4.2.2. Các thông số đầu vào...........................................................................................35
4.2.3. Chọn sơ đồ động và vật liệu bộ truyền và ứng suất cho phép.............................35
4.2.4. Chọn biên dạng ren và hệ số Ψh .........................................................................36
4.2.5. Chọn kết cấu đai ốc .............................................................................................36
4.2.6. Xác định đường kính trung bình ren ...................................................................36
4.2.7. Chọn dai ốc..........................................................................................................36
4.2.8. Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm...............................................36
CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .............................................37
5.1. Tổng quan về phương án điều khiển ..................................................................37
5.2. Mạch điều khiển ...................................................................................................37
5.2.1. Board Arduino Uno R3 .......................................................................................37
5.2.2. Modun sheld CNC...............................................................................................43
5.2.3. Driver điều khiển động cơ bước A4988..............................................................44
5.3. Đầu khắc laser.......................................................................................................45
5.4. Sơ đồ mạch ............................................................................................................46
5.5. Phần mềm Inkscape .............................................................................................46
5.6. Phần mềm Universal Gcode Sender (Firmware GRBL) ..................................56
5.6.1. Giao diện phần mềm............................................................................................57
5.6.2. Một số lệnh thiết lập giá trị cho máy CNC..........................................................57
KẾT LUẬN ..................................................................................................................60
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................62
DUT.LRCC

vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thành phần cơ bản của hệ thống NC .......................................................4
Hình 1.2. Ví dụ về gia công.............................................................................................5
Hình 1.3. Nội suy đường thẳng .......................................................................................6
Hình 1.5 Nội suy theo cung tròn .....................................................................................8
Hình 1.6. Nội suy parabol (Parabolic Interpolation).......................................................9
Hình 2.1. Sản phẩm khắc laser ngành khuôn mẫu ........................................................15
Hình 2.2. Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì...........................................................16
Hình 2.3. Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo ...................................................16
Hình 2.4. Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí,mã vạch.......17
Hình 2.5. Săm hình bằng máy CNC laser .....................................................................17
Hình 3.1. Hình Kiểu bàn máy chuyển động..................................................................19
Hình 3.2. Kiểu bàn máy đứng yên.................................................................................19
Hình 3.3. Bộ truyền vít me đai ốc .................................................................................20
Hình 3.4. Trục vít me– đai ốc bi....................................................................................20
Hình 3.5. Truyền động bằng đai răng............................................................................21
Hình 3.6. Đai – puly răng ..............................................................................................21
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý trục X..................................................................................22
Hình 3.8. Mô phỏng trục X ...........................................................................................23
Hình 3.9. Nhôm định hình 40x20..................................................................................23
Hình 3.10. Sơ đồ chuyển động ......................................................................................24
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý trục Y................................................................................24
Hình 3.12. Mô phỏng lắp ráp truc Y .............................................................................25
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý truc Z ...............................................................................25
Hình 3.14. Trục trượt và ổ trượt....................................................................................26
Hình 3.15. Động cơ bước ..............................................................................................26
Hình 3.16. Con lăn.........................................................................................................27
Hình 3.17. Pult GT2 16 răng .........................................................................................27
Hình 3.18. Trụ đồng 35mm ...........................................................................................28
Hình 3.19. Góc kê nhôm................................................................................................28
Hình 4.1. Lắp trục X......................................................................................................29
Hình 4.2. Lắp trục Y......................................................................................................29
Hình 4.3. Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn và trục ..........................................................30
Hình 4.4. Biểu đồ momen uốn trục puly .......................................................................32
DUT.LRCC

vii
Hinh 4.5. Lực tác dụng lên ổ lăn ...................................................................................33
Hình 4.6. Ổ lăn ..............................................................................................................34
Hình 4.7. Mô men uốn trên trục con lăn........................................................................35
Hình 4.8. Sơ đồ lắp ráp trục Z .......................................................................................35
Hình 5.1. Tổng quan hệ thống.......................................................................................37
Hình 5.2. Arduino UNO ................................................................................................38
Hình 5.3. Vi diều khiển .................................................................................................39
Hình 5.4. Các cổng vào ra cua Arduino Uno ................................................................41
Hình 5.5. Modun CNC Shield V3.0 ..............................................................................43
Hình 5.6. Các chân kết nối cua Arduino vơi sheld CNC ..............................................44
Hình 5.7. Laser ..............................................................................................................45
Hình 5.8. Sơ đồ mạch ....................................................................................................46
Hình 5.9. Giao diện làm việc của phần mềm Inkscape .................................................47
Hình 5.10. Giao diện Inskape........................................................................................48
Hình 5.11. Thiết lập Document properties. ...................................................................49
Hình 5.12. Import hình ảnh. ..........................................................................................49
Hình 5.13. Giao diện làm việc.......................................................................................50
Hình 5.14. Load thư viện...............................................................................................51
Hình 5.15. Đặt tên cho file code....................................................................................51
Hình 5.16. Biên dạng đường chạy đầu khắc laser.........................................................52
Hình 5.17 . File G-code được xuất ra từ Inkscape. .......................................................53
Hình 5.17. Thiết lập chế độ khắc hình...........................................................................53
Hình 5.18. B/W conversion aglorithm ..........................................................................54
Hình 5.19. Thiết lập thông số ở chế độ khắc hình.........................................................55
Hình 5.20. File G-code. .................................................................................................56
Hình 5.21. Giao diện phần mềm Universal Gcode Sender (Firmware GRBL). ...........57
Hình 5.22. Giao diện mô phỏng đường chạy dao khi làm việc.....................................60
Hình 5.23. Máy khắc laser hoàn thành..........................................................................61
Hình 5.24. Sản phẩm .....................................................................................................61
DUT.LRCC

Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser
Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải 1
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của các thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến thì đã sản
xuất ra máy khắc laser là một thiết bị tiên tiến giúp ích rất nhiều trong cuộc sống. Ứng
dụng quan trọng của máy khắc laser trong đời sống đặc biệt trong ngành công nghiệp
giúp mọi người có thể tìm hiểu cũng như biết rõ về vai trò của thiết bị này trong đời
sống chúng ta.
Vai trò của máy khắc laser không thể thiếu đó là ứng dụng trong công nghiệp.
Một trong những vai trò không thể thiếu của máy khắc bằng tia laser này đó là có thể
khắc trên mọi vật liệu được dùng trong mọi dịch vụ lĩnh vực công nghiệp như ô tô, cơ
khí, chế biến thực phẩm,...
Với mục tiêu là thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser dùng để khắc tranh lên
gỗ hoặc những vật liệu mềm khác. Ở đây phạm vi nghiên cứu của ứng dụng nằm trong
phạm vi chế tạo và sản xuất nhỏ lẻ, thời gian thực hiện đề tài trong khoảng 3 tháng.
Đối tượng nghiên cứu là máy CNC và hình ảnh cần gia công bao gồm động cơ, thiết
kế các bộ truyền động, kết cấu máy, thiết kế mạch điều khiển.
Phương pháp nghiên cứu đề tài là sử dụng nghiên cứu tài liệu về các kiến thức
về thiết kế máy,điện tử ,lập trình. Tìm kiếm và ứng dụng các tài liệu trên internet.
Cấu trúc đồ án gồm 6 chương:
Chương 1 : Tổng quan về máy CNC
Chương 2 : Giới thiệu về máy khắc laser
Chương 3 : Thiết kế nguyên lý của máy
Chương 4 : Tính toán động lực học
Chương 5 : Thiết kế hệ thống điều khiển
DUT.LRCC

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC
1.1. Lịch sử phát triển
1.1.1. Lịch sử
CNC (Computer Numercal Control) có tiền thân là máy NC (Numercal
Control) 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 Ưhitney, 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.
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.
DUT.LRCC

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 giản 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 :
- Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện;
- Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện.
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.
DUT.LRCC

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. 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
1.3.1. Chương trinh 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 về gia công:
DUT.LRCC

Hình 1.2. Ví dụ về gia công
1.3.2. 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.
1.3.3. Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác
Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng như các mô tơ và các bộ
điều khiển cần thiết để máy hoạt động. Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đồ gá và
các thiết bị phụ khác cần cho việc gia công.
Các máy NC rất đa dạng, từ những máy khoan lỗ, đục lỗ đơn giản đến các trung
tâm gia công thông minh.
1.4. Thuật toán nội suy trên máy CNC
1.4.1. Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation)
a) Khái niệm
Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụng
của dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục.Đầu
phun được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoạn thẳng.
b) Thực hiện
Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng, gồm các thông số yêu cầu:
- Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối;
- Tốc độ di chuyển trên mỗi trục.
DUT.LRCC

c) Khả năng
Về lí thuyết, nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kì, nhưng
lượng dữ liệu cần xử lí rất lớn. Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm
giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình.
Hình 1.3. Nội suy đường thẳng
d) Phương pháp thực hiện
Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E.
Sử dụng phương pháp “Phân tích vi phân số” DDA (Digital Differenttial
Analyse). Xét một dao cần chuyển động từ:PA (điểm khởi xuất) đến PE (điểm kết
thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định. (hình vẽ).
Gọi L: đoạn đường từ PA đến PE.
Vậy trong thời gian T = L/u các đoạn đường thành phần (xE - xA) và (yE - yA)
phải được thực hiện.
DUT.LRCC

Hình 1.4. Phương pháp nội suy dường thẳng
Tọa độ vị trí các điểm trung gian được tính theo hàm thời gian:
dt
T
x
x
x
dt
V
x
)
t
(
x
0
A
E
A
0
x
A 






dt
T
y
y
y
dt
V
y
)
t
(
y
0
A
E
A
0
y
A 






Chia thời gian T thành các khoảng t= T/N đủ nhỏ, phép tích phân cho phép thay bởi
phép cộng số:
n
N
x
x
x
)
t
.
n
(
x
)
t
(
x A
B
A





n
N
y
y
y
)
t
.
n
(
y
)
t
(
y A
B
A




 n = 1, 2, 3,…N.
Với mỗi bước cộng, giá trị về vị trí lại tăng thêm một bước bằng hằng số. Để
đảm bảo độ chính xác của biên dạng nội suy, các bước cộng phải nhỏ hơn suất đơn vị
f của truyền động chạy dao. Thông thường f = 0, 001 mm.
N
y
y
max
hay
N
x
x
max
f A
B
A
B
y
,
x




1.4.2. Phương pháp nội suy cung tròn
a) Khái niệm
Đầu cắt được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo một cung
tròn bởi một câu lệnh (block) đơn giản, thay thế cho rất nhiều câu lệnh nội suy đường
thẳng
b) Thực hiện
Nội suy đường tròn theo 2 trục gồm các thông số yêu cầu:
- Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn;
- Tốc độ di chuyển trên mỗi trục.
DUT.LRCC

c) Khả năng
Nội suy cung tròn hay toàn bộ đường tròn.
d) Phương pháp thực hiện
Phương pháp nội suy DDA cũng được ứng dụng trong nội suy cung tròn.
Hình 1.5 Nội suy theo cung tròn
Nội suy vòng
PA: Điểm khởi xuất.
PE: Điểm đích.
P: Điểm thuộc đường cong.
T: Thời gian từ PA đến PE.
t: Thời gian từ PA đến P.
Từ hình vẽ:
Muốn chạy cắt theo đường cong, những
điểm trung gian trên biên dạng phải được xác định từ bộ nội suy trong mối quan hệ
phụ thuộc vào thời gian chạy cắt.
Theo đó:
x = Rcos; y = Rsin; với  = 2 t/T;
T: thời gian chạy hết toàn vòng.
Ta có:





 

T
t
2
cos
R
x





 

T
t
2
sin
R
y
Lấy tích phân theo thời gian, ta có tốc độ thành phần trên từng trục riêng lẻ:
)
t
(
y
T
2
T
t
2
sin
T
R
2
dt
dx 







 



DUT.LRCC

)
t
(
x
T
2
T
t
2
cos
T
R
2
dt
dy 







 



=> dx = - (2 / T)y(t)dt; dy = - (2 / T)x(t)dt;
Với độ chính xác đủ dùng, phép tích phân trên có thể thay thế bởi phép cộng các gia
số đường dịch chuyển. Do đó:






n
0
i
PA )
t
.
i
(
y
N
2
x
)
t
(
x






n
0
i
PA )
t
.
i
(
x
N
2
y
)
t
(
y
1.4.3. Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation)
Là phương pháp nội suy kết hợp giữa nội suy kết hợp giữa nội suy cung tròn
theo hai trục và nội suy tuyến tính theo trục thứ 3.
Hình 1.6. Nội suy parabol (Parabolic Interpolation)
Dùng điểm không thẳng hàng để xấp xỉ đường cong có biên dạng tự do. Loại
nội suy này thường dùng trong tạo khuôn mẫu khi mà các đường cong biên dạng tự do
(free shape) được yêu cầu thay vì là các đường cong có biên dạng chính xác.
Ta có thể dùng nội suy parabol để tạo các đường cong bậc cao. So với nội suy
đường thẳng, nội suy parabol giảm khoảng 50 lần số các điểm cần lưu trữ.
1.4.4. Nội suy bậc 3 (Cubic)
Là phương pháp xấp xỉ biên dạng bằng đường cong bậc 3, phương pháp này
thường được dùng tạo các bề mặt rất phức tạp như khuôn vỏ xe hơi, máy bay,…
DUT.LRCC

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ MÁY KHẮC LASER
2.1. Tổng quan bằng gia công bằng tia 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.
2.1.1. Cơ chế bó 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.
DUT.LRCC

2.1.2. 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.
a) 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,… 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, …
b) 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.
c) 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
DUT.LRCC

lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một
chất nhị trùng.
d) 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.
e) 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.
DUT.LRCC

2.1.3. Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng
a) 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.
b) 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 sang;
- 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.
c) 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;
DUT.LRCC

- 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.
2.2. Ứng dụng của máy khắc laser
2.2.1. 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:
- 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.
DUT.LRCC

Hình 2.1. Sản phẩm khắc laser ngành khuôn mẫu
2.2.2. 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 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.
DUT.LRCC

Hình 2.2. Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì
2.2.3. Ứng dụng 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...
Hình 2.3. Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo
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.
Khắc mã vạch, mã 2D, Logo, số lô, số seri, thông tin sản phẩm
DUT.LRCC

Hình 2.4. Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí,mã vạch
2.2.4. Ứng dụng săm hình
Hình 2.5. Săm hình bằng máy CNC laser
DUT.LRCC

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY
3.1. Thiết kế động học toàn máy
3.1.1. Vùng làm việc
Vùng làm việc của máy bao gồm các hướng di chuyển theo trục X và trục Y.
- Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 600mm;
- Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 40mm.
3.1.2. Bàn máy
- Kích thước bàn máy: 480 x 700 mm;
- Khổ cắt: 600 x 400 mm.
3.1.3. Tải trọng và chọn 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.
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.
3.2. Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế
3.2.1. Chon phương án chuyển động của các bộ phận máy
a) Phương án 1: 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.
DUT.LRCC

Hình 3.1. Hình Kiểu bàn máy chuyển động
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.
a) Phương án 2: Bàn máy đứng yên
Hình 3.2. Kiểu 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;
DUT.LRCC

- Giá thành chế tạo cho phương án bàn máy đứng yên kinh tế hơn.
Kết luận : Từ các phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng cho bàn máy đứng yên, đầu cắt
laser chuyển động là phương án khả thi nhất khi thiết kế máy cắt khắc laser.
3.2.2. Lựa chọn các phương án truyền động
a) Bộ truyền vít me-đai ốc
.
Hình 3.3. Bộ truyền vít me 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…
Để tăng 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 3.4. Trục vít me– đai ốc bi
DUT.LRCC

Bộ truyền này giảm đi ma sát giữa đai ốc và trục vít, nâng cao độ chính xác
chuyển động. 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.
b) 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 3.5. 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 3.6. Đai – puly răng
DUT.LRCC

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.
Kết luận : Dựa vào các phân tích về ưu nhược điểm trên và 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 truyền động cho trục X và trục Y,
bộ truyền vít me đai ốc đễ truyền động cho trục Z.
3.3. Thiết kế kết cấu máy
3.3.1. Cơ cấu trục X
a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý trục X
Chú thích
1- Con lăn
2- Ổ lăn
3- Trục dẫn động
4- Động cơ
5- Nối trục
6- Đai răng
7- Thanh dẫn hướng
8- Puly
DUT.LRCC

Hình 3.8. Mô phỏng trục X
b) Cơ cấu dẫn hướng
- Sóng lăn
Sử dụng nhôm định hình (kích thước 40x20 mm) để làm khung cũng như thanh
dẫn hướng truyền động cho 2 trục của máy.
Hình 3.9. Nhôm định hình 40x20
Sử dụng kết hợp nhôm định hình, bánh xe dẫn hướng và dây đai tạo nên cơ cấu
dẫn hướng.
Đặc điểm:
- Ma sát nhỏ;
- Thông dụng, dễ kiếm;
- Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản;
- Vận tốc chuyển động nhanh hơn so với bộ truyền vít me.
DUT.LRCC

Sơ đồ nguyên lý chuyển động
Hình 3.10. Sơ đồ chuyển động
Nguyên lý hoạt động:
Khi puly quay tạo momen M lực căng T trên đai răng ,lực cang T làm con lăn
lăn trên thanh trượt. Nếu puly quay hướng ngược lại thì con lăn di chuyển theo hướng
ngược lại.
3.3.2. Cơ cấu trục Y
a) Sơ đồ nguyên lý trục Y
Hình 3.11. Sơ đồ nguyên lý trục Y.
Chú thích :
1- Con lăn
2- Gá con lăn
3- Puly
4- Động cơ
5- Đai răng
6- Thanh dẫn hướng con lăn.
DUT.LRCC

Hình 3.12. Mô phỏng lắp ráp truc Y
Giống như trục X
3.3.3. Cơ cấu trục Z
a) Sơ đồ nguyên lý
Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý truc Z
Chú thích :
1- Động cơ
2- Nối trục
3- Trục vít
4- Laser
5- Con trượt
Sử dụng thanh trượt tròn Ø8 và ổ trươt 8 để làm cơ cấu trượt cho truc Z
DUT.LRCC

Hình 3.14. Trục trượt và ổ trượt
3.4. Các bộ phận lựa chọn
3.4.1. Động cơ
Chọn động cơ bước nema KH42KM2R015D
Thông số động cơ:
- Điện áp hoạt động tối đa 4,42v;
- Dòng điện định mức 1,3A;
- Góc quay nhỏ nhất 1.80
.
-
- Hình 3.15. Động cơ bướcCon lăn
DUT.LRCC

Hình 3.16. Con lăn
Con lăn bao gồm ổ bi 625zz và vành nhựa đường kính ngoài 23mm, bề dày 7mm
3.4.2. Chọn Puly
Hình 3.17. Pult GT2 16 răng
DUT.LRCC

3.4.3. Trụ đồng 3.5mm gá động cơ
Hình 3.18. Trụ đồng 35mm
3.4.4. Góc kê
Hình 3.19. Góc kê nhôm
DUT.LRCC

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC
4.1. Tính toán cụm truyền động trên trục X và Y
Vì cơ cấu trục X và Y giống nhau, tải trọng tác dụng lên trục X cao hơn trục Y
nên ta tính cho trục X , trục Y lấy cùng loại
4.1.1. Sơ đồ lắp ráp
Hình 4.1. Lắp trục X
Hình 4.2. Lắp trục Y
DUT.LRCC

4.1.2. Sơ đồ lực tác dụng lên các trục
Hình 4.3. Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn và trục
4.1.3. Các thông số đầu vào
Khối lượng cả trục Y,trục Z tác dụng lên 4 con lăn F=3 kg, vậy nên mỗi con lăn
chịu 0.75kg nên P=0.75xg=0.75x10=7.5[N]
Các thông số đầu vào:
- Trọng lực tác dụng lên mỗi bánh xe : P= 5[N];
- Góc ôm 𝛼1 = 1330
;
- Thông số puly GT2;
- Số răng: 16 răng;
- Bước răng puly: p=2mm;
- Môđun ăn khớp : m=p/π=2/3.14=0.63;
- Đường kính đỉnh răng : da=mz-2δ=0.63x16-2x0.75=8.58 [ mm ];
- Đường kính đáy răng : df=da-1.8m=8.58-1.8x0.63=7.46 [mm];
- Chiều cao chân răng h=0.9m=0.9x0.63=0.57 [mm];
- Đường kính vòng chia : d=mz=0.63x16=10.08 [mm];
- Chiều rộng nhỏ nhất của rãnh : s= 1.8 [mm] Chiều sâu rãnh : h=2mm;
- Đường kính bánh đai lớn(con lăn ) d2=23 [mm].
Chọn động cơ bước nema 17:
+ Điện áp hoạt động 4,42 [v] ;
+ Dòng điện định mức 1,3A ;
+ Momen cực đại 520mN.m=520 [N.mm].
4.1.4. Công suất động cơ
Ndc=U.I.Cosφ=4,42x1.3x0,97=5,57[W]
4.1.5. Tốc độ động cơ
ω= Nđc/M = 5,57/0.52 = 10,7 (rad/s)
DUT.LRCC

4.1.6. Tỉ số truyền
i= d2/d1=ω2/ω1
tỉ số truyền thực tế : i= d2/(d1.(1-ε)) = 23/(10,08(1-0,01)) = 2,3
=> ω2 = ω1.i =10,7.2,3 = 24,66 rad/s
4.1.7. Vận tốc di chuyển tối đa của trục X và Y(vận tốc đai)
v = ω2.d2/2=24,66.23/2= 283,6 mm/s
4.1.8. Lực tác dụng lên trục puly
Lực căng ban đầu :
F0 = 780NđcKd/(vC∝z) + Fv
Trong đó Fv =qmv2
(định kỳ điều chỉnh lực căng), với qm≈0 nên ta bỏ qua
Suy ra :
F0 = 780.5,57.10-3
.1./(0,2836.0,89.1) = 17,2 [N]
Lực tác dụng lên trục :
Fr = 2F0zSin(𝛼1/2) = 2.17,2.1.sin(133/2) = 32 [N]
4.1.9. Tốc độ quay trên trục
n1 = nđc = 60ω1/2π=60.10,7/2.3,14=102.2 [vòng/phút]
4.1.10. Mômen xoắn trên trục
M=Mđc =520 [N.mm]
4.1.11. Lực căng dây T trên 1 nhánh đai
T= 2M/d1= 2.520/10,08=103,17 [N]
4.1.12. Lực vòng (tải trọng có ích)
Ft = 2T/d1=2.103,17/10,08=20,47 [N]
Do chiều dài đai không đổi nên độ co giãn trên hai nhánh đai bằng nhau
4.1.13. Tính chọn đường kính trục truyền động và ổ lăn
Đường kính trục sơ bộ:
3
N
d C
n

Trong đó : d – là đường kính trục (mm)
C – Hệ số phụ thuộc ứng suất xoắn cho phép đối với đầu trục vào và trục
truyền chung, lấy C = 120
N: công suất truyền trên trục
n: số vòng quay trong 1 phút
DUT.LRCC

3
3
3
5,57.10
1 120 4,55 5
102,2
N
d C
n
d d mm


   
Biểu đồ momen uốn trên trục:
Hình 4.4. Biểu đồ momen uốn trục puly
Các lực đã tính Fr1=Fr2=32 [N]
Suy ra các lục tại gối đỡ
N1=N2=32 [N]
Tính momen xoắn tại tiết diện nguy hiểm:
MFr1=N1x15=32.15=480 [N.mm]
MFr2=N2x15=32.15=480 [N.mm]
Momen xoắn : Mx=520N.mm
Tính đường kính trục
3
4
2 2 2 2
3
0,1(1 ).[
0,75 480 0,75.520 615,79 .
0;[ 70
615,79
4.45
0,1.70
td
td
M
d mm
Voi
M Mu Mx N mm
d mm



 
    
  
  
Chon d=5mm
DUT.LRCC

4.1.14. Chọn ổ lăn
Hinh 4.5. Lực tác dụng lên ổ lăn
Chọn kích thước ổ lăn theo hệ số khả năng làm việc và tải trọng tĩnh:
Hệ sô khả năng làm việc (CT 8.1) -[1]:
C=Q.(n.h)0,3
Cbảng :Hệ sô khả năng làm việc tính theo bảng
Ta có :
n1= 102,2vong/p
h=500giờ
Theo công thức 8-2 –[1] có :
Q=(KvR+mA)KnKt
Trong đó:
R-tải trọng hướng tâm
Kv=1: vòng trong của ổ quay (bảng 8-5-[1])
m=1,5
A=0:tải trọng dọc trục
Kn=1 hệ số nhiệt độ chon nhiệt đô 1000
C (bang8-4-[1])
Kt=1 Hệ số tải trọng .Tải trọng tĩnh không va đập
RA=NA=RB=NB=32 [N]
Vì lực hướng tâm ở gối trục A bằng ở B nên ta tính đối với gối trục A và chọn ổ gối
cho trục này, gối trục B lấy cùng loại.
Q=(KvR+mA)KnKt=(1.32+1,5.0)1.1=32N=3.2daN
C=Q.(nh)0,3=3.2.(102.2.500)0,3
=82.73
Ứng với d= 5.Tra bảng 14P ổ cỡ nhẹ :
DUT.LRCC

Hình 4.6. Ổ lăn
- Kí hiệu 27 ;
- Đường kính ngoài ổ D=16mm,B=5 mm;
- d= 5mm;
- d2=7.55mm;
- D2= L0=12,6mm;
- Dường kính bi: 3.18mm;
- Hệ số khả năng làm việc Cbảng=2000>C=82;
- Tải trọng tĩnh cho phép Q daN=75;
- Số vòng quay giới hạn trong 1 phút: 25000.
4.1.15. Lực tác dụng lên trục con lăn
Fr2 = 2F0zSin(𝛼2/2) = 2.17,2.1.sin(66/2) = 19N [N]
Lực ma sát lăn :
Fmsl=P.μ=7.5.0.1=0.7 N
Lực làm con lăn chuyển động
Fcđ=Fr2.Cos 43=19.Cos43o
=13N>> Fmsl
nên trục X chuyển động tịnh tiến được
4.1.16. Tính chọn đường kính trục con lăn
Biểu đồ momen uốn trên trục:
DUT.LRCC

Hình 4.7. Mô men uốn trên trục con lăn
Mômen tại tiết diện nguy hiểm M=937,5N.mm
3
4
2 2 2 2
3
0,1(1 ).[
0,75 93,75 0,75.0 93.75 .
0;[ 70
93,75
2.4
0,1.70
td
td
M
d mm
Voi
M Mu Mx N mm
d mm



 
    
  
  
Chon d= 5mm
4.1.17. Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm
b = [360/(1,8.1/16)]/( p.z) = = [360/(1,8.1/16)]/( 2.16) = 100 [step/mm]
với p là bước răng, z là số răng của puly
4.2. Tính toán cụm truyền động trục vít - đai ốc trên trục Z
4.2.1. Sơ đồ lắp ráp
Hình 4.8. Sơ đồ lắp ráp trục Z
4.2.2. Các thông số đầu vào
- Khối lượng đầu laser coi như bằng 0;
- Chiều dài làm việc 200mm;
- Công dụng bộ truyền : dùng để di chuyển laser lên xuống để điều chỉnh tiêu cự;
- Điều kiện làm việc : môi trường bình thường.
4.2.3. Chọn sơ đồ động và vật liệu bộ truyền và ứng suất cho phép
Đối với vít ta chọn thép cường hóa C45 (σch=390Mpa).
DUT.LRCC

Đối với đai ốc ta chọn thép như vít.
Ứng suất cho phép:
- Đối với vít : [σk] = [σn] = 390/s=390/3=130MPa;
- Đối với đai ốc : [σk] = 40MPa , [σd]=45MPa;
- Áp suất cho phép trên cặp thép - thép [ p ] = 5MPa.
4.2.4. Chọn biên dạng ren và hệ số Ψh
- Chọn ren hình tam giác , Ψh= 0,541.
4.2.5. Chọn kết cấu đai ốc
- Hệ số chiều cao đai ốc ΨH=1,2
4.2.6. Xác định đường kính trung bình ren
Dường kính trung bình ren xác định theo công thức :
3
5
0.7
[p] 3,14.1,2.5.0,541
H h
F
d mm
  
 
Chọn theo tiêu chuẩn d=5mm.
4.2.7. Chọn dai ốc
- Chiều cao đai ốc 5mm;
- Số mối răng 1;
- Dường kính ngoái D= 8.79mm.
4.2.8. Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm
b = [360/(1,8.1/16)]/( p.z) = = [360/(1,8.1/16)]/( 0.8.1) = 4000 [step/mm]
với p là bước răng, z là số mối ren.
DUT.LRCC

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
5.1. Tổng quan về phương án điều khiển
Hình 5.1. Tổng quan hệ thống
5.2. Mạch điều khiển
5.2.1. Board Arduino Uno R3
a) Giới thiệu
Arduino hiện nay đã được biết đến một cách rộng rãi tại Việt Nam, và trên thế
giới thì nó đã quá phổ biến! Sức mạnh của chúng ngày càng được chứng tỏ theo thời
gian với vô vàn các ứng dụng mở (open source) độc đáo được chia sẻ rộng rãi.Với
Arduino bạn có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng
bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ,... hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản
DUT.LRCC

phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay không người lái,... 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 là R3.
Hình 5.2. Arduino UNO
Bảng 5.1. Một vài thông số của Arduino UNO R3
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8 bit)
Điện áp hoạt động 5V - DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16MHz
Dòng tiêu thụ 30mA
Điện áp và khuyên dùng 7 - 12V - DC
Điện áp vào giới hạn 6 - 20 V - DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30mA
Dòng ra tối đa (5V) 500mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50mA
Bộ nhớ flash 32Kb (ATmega328) với 0.5Kb dùng bởi bootloader
SRAM 2Kb (ATmega328)
EEPROM 1Kb (ATmega328)
DUT.LRCC

b) Vi điều khiển
Hình 5.3. Vi diều khiển
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8 bit 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, …
c) 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 bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB.
Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn 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.
Lưu ý:
- Arduino UNO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào. Do đó bạn phải hết sức
cẩn thận, kiểm tra các cực âm - dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino
DUT.LRCC

UNO. Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino UNO sẽ biến nó thành một
miếng nhựa chặn giấy;
- Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các
thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào. Việc cấp nguồn sai vị trí
có thể làm hỏng board. Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích;
- Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino UNO với điện áp dưới 6V
có thể làm hỏng board;
- Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều
khiển ATmega328;
- Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của Arduino
UNO nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển;
- Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của Arduino UNO sẽ
làm hỏng vi điều khiển;
- Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của Arduino
UNO vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển. Do đó nếu không dùng để
truyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.
d) 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;
- 1Kb cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory):
đây giống như một chiếc ổ cứng mini - nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của
mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên
SRAM.
e) Các cổng vào ra
DUT.LRCC

Hình 5.4. Các cổng vào ra cua 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 cácthiết 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
DUT.LRCC

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.
f) Kết nối USB
USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy
tính. USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được
thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết bị tuân theo chuẩn cắm - là - chạy mà với
tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ
thống).
USB có những đặc trưng sau đây:
- Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối cùng vào một máy tính thông qua một
cổng USB duy nhất (bao gồm các hub USB);
- Những sợi cáp USB riêng lẻ có thể dài tới 5 mét; với những hub, có thể kéo dài
tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp nhau thông qua các hub) tính từ đầu cắm trên máy
tính;
- Với USB 2.0 chuẩn tốc độ cao, đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps.
- Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V và dây chung GND) cùng một cặp gồm hai
sợi dây xoắn để mang dữ liệu;
- Trên sợi nguồn, máy tính có thể cấp nguồn lên tới 500mA ở điện áp 5V một
chiều (DC);
- Những thiết bị tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính
công suất thấp...) được cung cấp điện năng cho hoạt động trực tiếp từ các cổng
USB mà không cần có sự cung cấp nguồn riêng (thậm chí các thiết bị giải trí số
như SmartPhone, PocketPC ngày nay sử dụng các cổng USB để sạc pin). Với
các thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét...) không
sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB như nguồn chính của chúng, lúc này
đường truyền nguồn chỉ có tác dụng như một sự so sánh mức điện thế của tín
hiệu. Hub có thể có nguồn cấp điện riêng để cấp điện thêm cho các thiết bị sử
dụng giao tiếp USB cắm vào nó bởi mỗi cổng USB chỉ cung cấp một công suất
nhất định;
- Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều này có nghĩa các thiết bị có thể
được kết nối (cắm vào) hoặc ngắt kết nối (rút ra) trong mọi thời điểm mà người
sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống;
- Nhiều thiết bị USB có thể được chuyển về trạng thái tạm ngừng hoạt động khi
máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện;
DUT.LRCC

- Khi một máy tính được cấp nguồn, nó truy vấn tất cả thiết bị được kết nối vào
đường truyền và gán mỗi thiết bị một địa chỉ. Quy trình này được gọi là liệt kê -
những thiết bị được liệt kê khi kết nối vào đường truyền. Máy tính cũng tìm ra
từ mỗi thiết bị cách truyền dữ liệu nào mà nó cần để hoạt động.
5.2.2. Modun sheld CNC
Đây là shield được thiết kế cho phép bạn có thể điều khiển một chiếc máy cnc
router hoặc một chiếc máy phay từ một board arduino. Nó chứa 4 khe cắm tương thích
với driver A4988 được kết nối trực tiếp đến Arduino có khả năng điều khiển được 3
trục motor (X, Y và Z) và một trục phụ dùng cho máy 3D. Có thêm dãy connector dễ
dàng kết nối đến các cảm biến đầu cuối và các nút nhấn điều khiển.
Hình 5.5. Modun CNC Shield V3.0
Thông số kỹ thuật:
- Tương thích với thư viện Arduino GRBL 0.8c;
- Hỗ trợ 4 trục. 2 cảm biến đầu cuối cho mỗi trục;
- Kết nối đến Spindle;
- Kết nối đến quạt làm mát;
- Sử dụng tương thích với driver A4988 / DRV8825;
- Có jump set chế độ vi bước cho Step driver;
- Điện áp chạy từ 12V - 36V.
DUT.LRCC

* Kết nối với Arduino:
Hình 5.6. Các chân kết nối cua Arduino vơi sheld CNC
5.2.3. Driver điều khiển động cơ bước A4988
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động 3,3v - 5v;
- Điện áp điều khiển (VMOT) 8v - 35v;
- 5 chế độ điều khiển động cơ bước: full, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16;
- Kích thước 15(W) x 20(L) x 2(H) mm.
Tính năng:
Tuy với kích thước nhỏ gọn nhưng module có thể điều khiển được động cơ
bước cỡ lớn với dòng điện áp điều khiển cho moto (VMOT) là 8v - 35v.Kết hợp với
đó là sự linh hoạt trong việc điều khiển moto với 5 chế độ điều khiển: full step | 1/2
step | 1/4 step | 1/8 step | 1/16 step
DUT.LRCC

5.3. Đầu khắc laser
Dựa trên khả năng về kinh phí và yêu cầu của máy ta chọn đầu laser 500mW
Hình 5.7. Laser
Thông số:
- Bước sóng: 405n;
- Công suất: 500mW;
- Điện áp đầu vào: 12V AC <2A;
- Nhiệt độ hoạt động: + 10 ℃ ~ + 40;
- Chiều dài cáp 40cm;
- Vật liệu áp dụng: da, gỗ, nhựa….
DUT.LRCC

5.4. Sơ đồ mạch
Hình 5.8. Sơ đồ mạch
5.5. Phần mềm Inkscape
Inkscape là phần mềm mã nguồn mở cho xử lý đồ họa vectơ. Mục đích phát
triển của dự án Inkscape là để tạo ra một phần mềm có tính năng xử lý đồ họa vectơ
tốt, đồng thời phù hợp với chuẩn XML, SVG và CSS. Nó là một phần mềm đa nền
tảng, chạy trên Microsoft Windows, Mac OS X và Unix; mặc dù đa số các phát triển
chính là dành cho GNU/Linux.
Inkscape được bắt đầu vào năm 2003, phỏng theo phần mềm xử lý đồ họa vec
tơ Sodipodi. Tuy Inkscape vẫn chưa có được nhiều tính năng như các phần mềm xử lý
đồ họa vec tơ thương mại, nhưng hiện nay nó có thể được dùng trong nhiều ứng dụng.
Inkscape chưa hỗ trợ đầy đủ SVG và CSS. Nó chưa có các hiệu ứng lọc SVG, hoạt
DUT.LRCC

hình,và phông chữ SVG. Inkscape hiện đang được phát triển mạnh, và ngày càng có
nhiều tính năng mới. Inkscape quản lí bản vẽ theo các lớp và cho phép chuyển giữa
các lớp một cách linh hoạt. Chức năng nhân bản đối tượng (clone) rất có ích khi cần
sao chép với số lượng lớn hay tạo ra các họa tiết.Inkscape hiện đang phát triển tính
năng nhận diện hình: đổi từ ảnh bitmap ra các đường nét. Cho phép xuất ra nhiều định
dạng, Inkscape có thể tạo ra các file EPS, EMF, và các định dạng ảnh bitmap (PNG,
JPEG, v.v...). Các đối tượng hình vẽ gồm có một số loại đặc biệt: hình sao, đường
cong Bézier, gradient màu.
Khởi động phần mềm Inkscape, giao diện như sau:
Hình 5.9. Giao diện làm việc của phần mềm Inkscape
Giao diện làm việc của Inkscape bao gồm các thanh chức năng chính như:
 Thanh menu chính: từ menu này, người dùng có thể thực hiện các công việc
như xuất ảnh, nhập ảnh, chuyển đổi ảnh, xuất Gcode,… sẽ đc đề cập cụ thể
sau.
 Thanh công cụ vẽ: gồm các chức năng lấy nét vẽ, vẽ các hình khối cơ bản
như hình vuông, hình tròn, lập phương, ngôi sao,… công cụ chọn nét vẽ như
nét đậm, nét mảnh, chèn ký tự, tô màu,…
 Thanh công cụ chỉnh sửa ảnh: bên trái là thanh công cụ vơi chức năng cơ
bản là mở file đã lưu, lưu file, nhập, xuất file, in ảnh, cắt, dán… bên phải là
thanh công cụ chỉnh sửa ảnh như tạo lưới điểm, bo góc,…
DUT.LRCC

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

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

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

More from Man_Ebook

More from Man_Ebook (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (12)

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