Hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cnc khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu

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

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC
LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU

MÃ SỐ: SV2019-20

SKC 0 0 6 8 3 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ
MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU
SV2019-20

Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật

TP Hồ Chí Minh, 6/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN
BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU
SV2019-20
Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật
SV thực hiện:

Đỗ Văn Hồng
Lê Sỉ Đang
Trần Quang Khang

Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 151433B CKM
Ngành học: Công nghệ chế tạo máy

Nam, Nữ: Nam
Năm thứ: 4

Sinh viên chịu trách nhiệm chính: Đỗ Văn Hồng
Người hướng dẫn: Giảng viên Nguyễn Phi Trung.

Giảng Viên Đặng Minh Phụng.

TP Hồ Chí Minh, 6/2019

Luan van

/Số năm đào tạo: 4


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .................................................................................................... 10
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI .......................................................................... 10
1.1. Lý do chọn đề tài: ..................................................................................................... 10
1.2. Ý nghĩa và mục tiêu đề tài: ...................................................................................... 10
1.3 Phương pháp nghiên cứu: ......................................................................................... 11
1.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài: ........................................................................ 12
1.4.1 K40 Version Laser Co2 40W CNC Laser Engraving Machine:......................... 12
1.4.2 MÁY LASER 6040-60W ...................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI .................................. 15
2.1 Khái niệm .................................................................................................................. 15
2.1.1 Tổng quan về tia laser: ....................................................................................... 15
2.1.2 Đặc điểm của Laser: ........................................................................................... 16
2.2 Khái quát về thiết kế máy CNC laser ........................................................................ 17
2.2.1 Cấu tạo, thiết kế máy CNC laser: ....................................................................... 17
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy: ........................................................................... 17
2.2.3 Ứng dụng của máy CNC laser:........................................................................... 18
2.3 Hệ thống vỏ máy ....................................................................................................... 18
2.4 Hệ thống điều khiển: ................................................................................................. 19
2.5 Hệ thống chuyển động X – Y: .................................................................................. 20
2.6 Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser: ............................................................... 21

2.7 Ứng dụng của tia laser trong gia công cắt gọt: ......................................................... 21
2.8 Công nghệ cắt gọt bằng tia laser ............................................................................... 23
2.8.1 Đặc điểm của quá trình cắt gọt bằng chùm tia laser: ........................................ 25
2.8.2 Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia laser ..................................................... 27
2.9 Vật liệu dùng trong cắt – khắc laser:......................................................................... 28
2.9.1. Nghành và vật liệu cắt bằng laser ..................................................................... 28
2.9.2. CNC LASER ....................................................................................................... 28
2.9.3. Thực nghiệm với cắt – khắc bằng laser khí CO2 đối với một số loại nhựa. ...... 29
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ MÁY CNC LASER CO2
KHẮC TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU. ......................................................... 35
1

Luan van


3.1 Lựa chọn phương án.................................................................................................. 35
3.1.1 Phương án 1:Máy khắc laser bằng dầu diode: .................................................. 35
3.1.2 Phương án 2: Máy khắc laser CO2:................................................................... 36
3.1.3 Phân tích và chọn phương án: ............................................................................ 37
3.2 Truyền động trên mặt phẳng Oxy ............................................................................. 37
3.3 Các loại bộ truyền đai ............................................................................................... 37
3.3.1 Đai dẹt................................................................................................................. 37
3.3.2 Đai thang ............................................................................................................ 37
3.3.3 Đai hình lược ...................................................................................................... 38
3.3.4 Đai răng .............................................................................................................. 38
3.4 Lựa chọn bộ điều khiển ............................................................................................ 38
3.4.1 Hệ thống các relay – timer – contactor:............................................................. 38
3.4.2 PLC ..................................................................................................................... 38
3.4.3 Vi điều khiển ....................................................................................................... 39
3.5 Lựa chọn động cơ ...................................................................................................... 40

3.5.1 Động cơ bước ..................................................................................................... 40
3.5.2 Động cơ DC servo .............................................................................................. 40
3.6 Nguyên lý hoạt động của máy CNC laser CO2: ....................................................... 41
3.6.1 Nguyên lý hoạt động ống phóng laser CO2: ...................................................... 41
3.6.2 Đặc trưng và nguyên lý máy cắt - khắc CNC laser CO2 ................................... 41
CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ .......................................................... 45
4.1 Tính tốn và lựa chọn động cơ bước:........................................................................ 45
4.1.1 Xác định độ phân giải cần thiết của tải: ............................................................ 46
4.1.2 Xác định biên dạng chuyển động: ...................................................................... 46
4.1.3 Xác định momen xoắn cần thiết: ........................................................................ 46
4.1.4 Lựa chọn và xác định động cơ bước cũng như hệ thống điều khiển: ................. 47
4.2. Lựa chọn đai, pulley và ray dẫn hướng:................................................................... 48
4.2.1 Lựa chọn đai và pulley: ...................................................................................... 48
4.2.2: Lựa chọn ray trượt dẫn hướng: ......................................................................... 49
4.3. Tính tốn lựa chọn đai ốc, trục vít cho bàn nâng: .................................................... 50
4.3.1 Tính đường kính trung bình của ren: ................................................................. 50
4.3.2 Chọn các thơng số của vít và đai ốc:.................................................................. 50
2

Luan van


4.4. Thiết kế, mơ hình hóa cơ khí: .................................................................................. 50
4.4.1. Khung máy: ........................................................................................................ 50
4.4.2 Mơ phỏng, phân tích ứng suất, chuyển vị:.......................................................... 51
4.4.3 Phần làm việc chính: .......................................................................................... 52
4.4.4 Bàn nâng. ............................................................................................................ 52
4.4.5 Khung lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận chính: .................................................. 53
4.4.6 Một số hình ảnh thực tế gia công của máy. ........................................................ 54
CHƯƠNG 5: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............ 56

5.1 Các linh kiện điện tử : ............................................................................................... 56
5.1.1 Máy bơm oxi: ...................................................................................................... 56
5.1.2. Rơ le trung gian 5VDC: ..................................................................................... 56
5.1.3. Bộ lọc nhiễu 1 pha: ............................................................................................ 56
5.1.4. Bộ nguồn cao áp 40W ........................................................................................ 57
5.1.5 Ống phóng laser: ................................................................................................ 59
5.2. Các linh kiện cần thiết cho hệ thống điều khiển: ..................................................... 60
5.2.1 Board kết nối....................................................................................................... 60
5.2.2: Driver ................................................................................................................ 62
Bảng 5.1 So sánh driver A4988 và DRV8825. .................................................................. 63
5.2.3 Cơng tắc hành trình: ........................................................................................... 63
CHƯƠNG 6: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT LẬP THỒNG SỐ KHẮC
LASER ............................................................................................................................... 66
6.1 Phần mềm điều khiển ................................................................................................ 66
6.1.1 Danh sách các phần mềm cần thiết máy khắc laser ........................................... 66
6.1.2 Phần mềm Laser GRBL ...................................................................................... 66
6.1.3 Phần mềm benbox ............................................................................................... 67
6.1.4 Phần mềm Laser marking software .................................................................... 68
6.1.5 Phần mềm PhotoGrav......................................................................................... 69
6.2 Cài đặt thông số trên phần mềm benbox. .................................................................. 70
6.2.1 Nạp firmware ...................................................................................................... 70
6.2.2 Cài đặt thông số .................................................................................................. 72
6.3 Một số thông số tham khảo trong việc khắc, cắt laser .............................................. 75
6.3.1 Khắc đậm nhạt .................................................................................................... 75
3

Luan van


6.3.2 Khắc trên vỏ dưa hấu ......................................................................................... 76

6.3.3 Khắc hình đơn giản, logo trên MDF, gỗ ............................................................ 76
6.4 Vận hành máy khắc laser .......................................................................................... 76
CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ, THỬ NGHIỆM, CÁCH KHẮC PHỤC CÁC LỖI KHI
KHẮC LASER .................................................................................................................. 78
7.1 Tổng quan về máy ..................................................................................................... 78
7.2 Một số sản phẩm hoàn thành..................................................................................... 79
7.3 Các lỗi khi khắc laser và cách khắc phục.................................................................. 81
7.3.1 Tia laser không ra khỏi đầu khắc, không tới được bề mặt khắc ........................ 81
7.3.2 Hình khắc bị méo ................................................................................................ 85
7.3.3 Khắc vỏ dưa hấu bị sâu, bị tro về mặt. ............................................................... 85
7.3.4 Sản phẩm khắc gỗ xấu, cháy bề mặt ................................................................... 86
CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 86
8.1 Kết luận: .................................................................................................................... 87
8.2 Hướng phát triển đề tài: ............................................................................................ 87
8.3 Khuyến nghị .............................................................................................................. 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 89

4

Luan van


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT
CNC: Computer Numerical Control
CAD: Computer Aided Design
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
MDF: Medium Density Fiberboard
LED: Light Emitting Diode
USB: Universal Serial Bus
ABS: Acrylonitrile Butadiene Styrene

PLA: Polylactic Axit

5

Luan van


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 5.1: So sánh driver A4988 và DRV8825

Trang 35

Bảng 6.1: Các phần mềm khắc laser và chức năng của mỗi phần mềm

Trang 38

6

Luan van


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Sản phẩm khắc laser mẫu ................................................................................... 10
Hình 1. 2 Máy laser K40 thực tế nhập từ Trung Quốc ....................................................... 12
Hình 1. 3 Máy laser 6040-60W từ Trung Quốc ................................................................. 13
Hình 2. 1 Cắt laser trên thép tấm ........................................................................................ 15
Hình 2. 2 Vỏ máy mẫu ....................................................................................................... 18
Hình 2. 3 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển ....................................................................... 19
Hình 2. 4 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia cơng laser khí CO2 .............................. 20
Hình 2. 5 Hình ảnh về một máy cắt laser 2 trục trong thực tế ........................................... 21

Hình 2. 6 Gia cơng cắt laser trên mica trong ...................................................................... 22
Hình 2. 7 Đầu phát laser ..................................................................................................... 23
Hình 2. 8 tia laser qua thấu kính hội tụ............................................................................... 25
Hình 2. 9 Cắt, Khắc laser trên ABS.................................................................................... 29
Hình 2. 10 Cắt, khắc laser trên nhựa acrylic ...................................................................... 29
Hình 2. 11 Cắt, khắc laser trên nhựa Bakelit ...................................................................... 30
Hình 2. 12 Cắt khắc laser trên nhựa Flour Polyme ............................................................ 30
Hình 2. 13 Khắc laser trên nhựa FR4/FR2 ......................................................................... 31
Hình 2. 14 Khắc laser trên nhựa sợi thủy tinh .................................................................... 31
Hình 2. 15 Khắc laser trên polycacbonat............................................................................ 32
Hình 2. 16 Khắc laser trên polyeste.................................................................................... 32
Hình 2. 17 Khắc, cắt laser trên polyetylen ......................................................................... 33
Hình 2. 18 Khắc, cắt laser trên Polyamid ........................................................................... 33
Hình 2. 19 Khắc, cắt laser trên polymethylen .................................................................... 33
Hình 2. 20 Khắc, cắt laser trên ống PVC .......................................................................... 34
Hình 2. 21 Khắc laser trên cao su ....................................................................................... 34
Hình 3. 1 Máy khắc laser mini đầu laser diode .................................................................. 35
Hình 3. 2 Máy khắc, cắt laser cỡ lớn trong cơng nghiệp .................................................... 36
Hình 3. 3 Adruino Uno R3 ................................................................................................. 39
Hình 3. 4 Động cơ bước ..................................................................................................... 40
Hình 3. 5 Động cơ DC servo .............................................................................................. 40
Hình 3. 6 Cấu tạo ống phóng Laser CO2 ........................................................................... 41
Hình 3. 7 Mơ phỏng ngun lý laser CO2 ......................................................................... 42
Hình 3. 8 Sơ đồ nối nguồn vào ống phóng laser CO2 ........................................................ 43
Hình 4. 1 Phân tích các lực khi chuyển động ..................................................................... 45
Hình 4. 2 Thơng số động cơ bước ...................................................................................... 47
Hình 4. 3 Thơng số ray trượt dẫn hướng ............................................................................ 49
Hình 4. 4 Khung máy thiết kế trên Inventor 2018.............................................................. 51
7

Luan van


Hình 4. 5 Phân tích ứng suất của khung trên Inventor 2018 .............................................. 51
Hình 4. 6 Phân tích chuyển vị của khung trên Inventor 2018 ............................................ 52
Hình 4. 7 Phần làm việc chính 2 trục Y, 1 trục X .............................................................. 52
Hình 4. 8 Bàn nâng thiết kế trên Inventor 2018 ................................................................. 53
Hình 4. 9 Lắp ráp đầy đủ các bộ phận vào khung máy trên Inventor 2018 ....................... 53
Hình 5. 1 Máy bơm oxi ACO-001 ...................................................................................... 56
Hình 5. 2 Rơ Le trung gian ................................................................................................. 56
Hình 5. 3 Bộ Lọc nhiễu ...................................................................................................... 57
Hình 5. 4 Nguồn cao áp và ký hiệu các đầu nối điện ......................................................... 58
Hình 5. 5 Giải thích các ký hiệu trên nguồn laser CO2..................................................... 59
Hình 5. 6 Ống phóng laser CO2 ......................................................................................... 59
Hình 5. 7 Board mạch điều khiển ....................................................................................... 61
Hình 5. 8 Driver A4988 ...................................................................................................... 62
Hình 5. 9 Driver DRV8825 ................................................................................................ 62
Hình 5. 10 Cơng tắc hành trình .......................................................................................... 64
Hình 5. 11 Sơ đồ điện ......................................................................................................... 65
Hình 6. 1 Giao diện phần mềm Laser GRBL ..................................................................... 67
Hình 6. 2 Giao diện phần mềm benbox .............................................................................. 68
Hình 6. 3 Giao diện phần mềm Laser marking .................................................................. 69
Hình 6. 4 Giao diện phần mềm PhotoGrav ........................................................................ 70
Hình 6. 5 Thiết lập thông số khắc đậm nhạt tham khảo ..................................................... 75
Hình 6. 6 Thiết lập thơng số khắc trên vỏ dưa hấu............................................................. 76
Hình 6. 7 Thiết lập thơng số khắc hình cơ bản ................................................................... 76
Hình 6. 8 Khắc logo HCMUTE .......................................................................................... 77
Hình 7. 1 Khung máy khắc laser CO2 hồn chỉnh thiết kế trên Inventor 2018 ................. 78
Hình 7. 2 Hình ảnh thực tế máy sau khi hồn thành .......................................................... 79
Hình 7. 3 Khắc logo và chữ trên dưa hấu ........................................................................... 80

Hình 7. 4 Khắc trên gỗ ....................................................................................................... 80
Hình 7. 5 Khắc trên MDF ................................................................................................... 81
Hình 7. 6 Đầu gá gương phản xạ vị trí thứ 3 ...................................................................... 82
Hình 7. 7 So sánh sự khác nhau 2 chùm tia laser đúng và sai ............................................ 83
Hình 7. 8 Kiểm tra tia laser ................................................................................................ 83
Hình 7. 9 Cách kiểm tra tia laser ........................................................................................ 84
Hình 7. 10 Hình khắc logo bị lỗi trượt bước ...................................................................... 85
Hình 7. 11 Cơng suất lớn khiên tia laser ăn sâu vào trái dưa ............................................. 86
Hình 7. 12 Công suất quá lớn khiến tia đốt cháy đen bề mặt ............................................. 86
8

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa
hấu
- SV thực hiện: Đỗ Văn Hoàng
Mã số SV: 15143159
Lê Sỉ Đang
Mã số SV: 15143128
Trần Quang Khang
Mã số SV: 15143183
- Lớp: 151433B
Khoa: CKM
Năm thứ: 4 Số năm đào tạo: 4
- Người hướng dẫn: Thầy Nguyễn Phi Trung

2. Mục tiêu đề tài: Giúp chúng em hiểu sâu hơn về hệ thống tự động, nguyên lý hoạt
động cũng như cấu tạo hoạt động của máy khắc laser, đặc biệt laser CO2. Nắm được tình
hình sản xuất, ứng dụng rộng rãi của máy.
3. Tính mới và sáng tạo: Trong cùng cơng suất 40W máy có phần làm việc lớn hơn, rộng
hơn, có khả năng khắc trên dưa hấu (hoặc các loại trái cây) nhờ vào chiều cao nâng hạ của
bàn nâng.
4. Kết quả nghiên cứu: Đã hoàn thành máy khắc laser CO2 trên bề mặt gỗ và vỏ dưa
hấu, tạo ra sản phẩm khắc đẹp mắt và nhanh chóng.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài: Tạo ra mẫu thực tế phục vụ cho việc học tập và giảng dạy của
bộ môn công nghệ chế tạo máy.
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài
Ngày tháng năm 2019
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):

Xác nhận của Trường
(kí tên và đóng dấu)

Ngày
tháng
năm 2019
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)

9

Luan van


CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, công nghệ laser ngày càng trở nên phổ biến trên thế giới vì tính ứng dụng
cao của nó trong nhiều ngành nghề và lĩnh vực khác nhau như: y học, quân sự, cơ khí,…
Đặc biệt trong cơ khí, việc chế tạo ra những chiếc máy giúp giảm sức lao động, tăng độ
chính xác trong chế tạo, gia công các chi tiết. Và sử dụng công nghệ laser trong cắt, khắc
đang được ứng dụng rộng rãi.
Máy cắt, khắc CNC laser có khả năng tạo ra nhiều sản phẩm độc đáo, ví dụ như:
khắc các bức tranh lên bề mặt gỗ, mica; khắc họa tiết lên hoa quả để trưng ngày tết (dưa
hấu); cắt, khắc các mảnh ghép 2D để làm mơ hình đồ chơi theo bản vẽ,…

Hình 1. 1 Sản phẩm khắc laser mẫu
Vì ứng dụng rất nhiều và hữu ích như thế trong cuộc sống, nên máy khắc, cắt laser
CNC ngày càng được sử dụng nhiều, phát triển mạnh và đa dạng với nhiều mẫu mã, công
suất khác nhau tùy theo nhu cầu sử dụng.
Căn cứ vào các lợi ích và nhu cầu thiết thực trên, nhóm chúng em quyết định thực
hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa
hấu”. Với đề tài này chúng em hy vọng sẽ tạo ra nhiều sản phẩm đẹp và giảm sức lao động
thủ công của con người với năng suất ổn định.
1.2. Ý nghĩa và mục tiêu đề tài:
- Ý nghĩa khoa học:
Tạo tiền đề cho người nghiên cứu áp dụng các kiến thức, kỹ năng đã học và thực tập
vào đời sống thực tiễn.

10

Luan van


Tạo ra nhiều sản phẩm đẹp, mới mẻ; góp phần đóng góp vào tiến trình “cơng nghiệp
hóa, hiện đại hóa đất nước”.
- Ý nghĩa thực tiễn
Giúp việc tạo ra các sản phẩm trưng bày, mơ hình đẹp, nhanh, đáp ứng được nhu
cầu khách hàng. Ngoài việc khắc trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu thì máy có thể khắc,
cắt được trên các bề mặt phi kim như mica, giấy ép, ví da,…
- Mục tiêu nghiên cứu đề tài:
Tìm hiểu chức năng, nguyên lý, cơ cấu điều khiển và mô hình của máy CNC khắc
laser. Thiết kế, chế tạo các kết cấu và ngun lí của máy dựa trên mơ hình có trên
thị trường để phù hợp hơn với thực tiễn, ứng dụng được vào sản xuất.
Mơ hình hóa thiết kế 3D bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018.
Tính tốn và hồn chỉnh thiết kế cho máy khắc laser.
Gia cơng, lắp ráp và kiểm nghiệm các hệ thống của máy và hoàn chỉnh máy, đưa
vào chạy thực nghiệm.
- Đối tượng nghiên cứu.
Khắc laser quy mô phân xưởng.
Các kiểu máy khắc laser cơ bản và máy khắc laser có bàn nâng điều chỉnh tiêu cự tự
động.
Nguyên lý là nguồn cao áp kích tia laser trong ống phóng, ống phóng bắn tia laser
qua 3 kính phản xạ chiếu xuống kính hội tụ, từ đó tia được hội tụ tại 1 điểm chiếu
xuống bề mặt cần khắc. Hoặc nguồn kích qua đầu phóng laser diode chiếu xuống bề
mặt cần khắc.
- Máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu.
Phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế, tính tốn, thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt

gỗ và vỏ dưa hấu kích thước vừa và nhỏ.
Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018 trong thiết kế.
1.3 Phương pháp nghiên cứu:
- Cơ sở phương pháp luận:
Phương pháp nghiên cứu là những nguyên tắc và cách thức hoạt động khoa học
nhằm đạt đến chân lý khách quan dựa trên cơ sở của sự chứng minh khoa học. Theo định
nghĩa này cần phải có những nguyên tắc cụ thể và dựa theo đó các vấn đề được giải quyết.
Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của nguồn phóng laser, động cơ bước, các mạch
điều khiển. Từ đó có sự bao qt đúng đắn trong việc tính tốn, thiết kế và chế tạo máy
CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu.
11

Luan van


- Các phương pháp nghiên cứu cụ thể:
Để thực hiện đề tài này, chúng em sử dụng một số phương pháp sau:
+ Phương pháp nghiên cứu tài liệu: tham khảo các nguồn tài liệu sách, giáo trình, tài liệu
tham khảo, các bài viết từ nguồn tin cậy trên Internet, các cơng trình nghiên cứu… nhằm
xác định được ngun lý, cơ cấu hoạt động của máy.
+ Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu, xem xét trên các máy thực tế sẵn có
từ đó phân tích ưu nhược điểm, tiến hành thiết kế lại cho tốt. Nghiên cứu hệ thống điều
khiển thực tế để đối chiếu lắp ráp vào máy với giá thành rẻ nhất.
+ Phương pháp phân tích tổng hợp: Sau khi đã tham khảo, nghiên cứu tài liệu, quá trình
nghiên cứu thực nghiệm cho ra các số liệu cần thiết đầu tiên và những hình dung ban đầu.
Phát thảo nên mơ hình và phương pháp truyền động trên giấy, phân tích các yếu tố cần thiết
tác động vào để đạt được yêu cầu sơ bộ ban đầu đặt ra.
Tổng hộp lại các yếu tố đã phân tích loại bỏ các yếu tố thừa không cần thiết và lựa chọn
được cơ cấu truyền tối ưu nhất trong quá trình làm việc.
+ Phương pháp mơ hình hóa:

Xây dựng mơ hình 3D bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018.
Gia công, chế tạo ra phẩm là mục tiêu chính của đề tài, là cơ hội để áp dụng các kiến thức
đã học và thực tập, là thách thức với những kiến thức mới mà thực tiễn đòi hỏi đặt ra.
+ Phương pháp kiểm nghiệm:
Sản phẩm gia công chế tạo xong sẽ được kiểm nghiệm và khắc phục sai hỏng mà lý thuyết
không lường hết được.
1.4 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài:
1.4.1 K40 Version Laser Co2 40W CNC Laser Engraving Machine:

Hình 1. 2 Máy laser K40 thực tế nhập từ Trung Quốc
12

Luan van


- Mô tả về máy:
+ Xuất xứ: Trung quốc
+ Model: K2030
- Công dụng:
Dùng để khắc cắt các vật liệu phi kim như: sừng, gỗ, nhựa, tre nứa, thủy tinh, pha lê, da,
cao su,… để làm món quà nhỏ như làm mơ hình, khắc chân dung, phù hiệu, khắc bao bì,
con dấu,…
- Thông số kỹ thuật:
Thông số kỹ thuật máy laser 2030:
Cơng suất bóng laser: 40W
Điện áp: AC220 ± 10% / 50Hz
Phạm vi làm việc: 200mmx300mm
Tốc độ khắc: 350mm / s
Khắc sâu: 0-10mm (Tùy thuộc vật liệu)
Nhiệt độ hoạt động: -5 ℃ -65 ℃

Làm mát: Bằng nước
Giao thức kết nối: giao diện USB
Mơi trường hệ thống: Windows XP/7/8.
1.4.2 MÁY LASER 6040-60W

Hình 1. 3 Máy laser 6040-60W từ Trung Quốc
13

Luan van


- Mô tả về máy:
Xuất xứ: Trung Quốc
Model: K4060
- Công dụng:
Dùng cắt khắc vật liệu phi kim như: Sừng, Gỗ, Nhựa, Tre Nứa, Thủy Tinh, Pha lê, Đá cẩm
thạch, MDF, Da, Cao su...
Chủ yếu được sử dụng cho những món q nhỏ. Chẳng hạn như: Làm mơ hình, khắc chân
dung, phù hiệu, phù hiệu, quà tặng, khắc bao bì, con dấu.
+ Bao bì và in ấn cơng nghiệp: khắc in tấm cao su, tấm nhựa, tấm đôi, dao cắt cắt board.
+ Ngành may mặc và da: Cắt, khắc hoa văn trên quần áo, đồ lót, đồ nội thất, găng tay, túi
xách, giày dép, mũ, đồ chơi và xe hơi trên da, da tổng hợp, da, vải, lông thú...
+ Ngành công nghiệp mơ hình: sản xuất xây dựng tàu cát bảng và máy bay mơ hình ABS
cắt board, cắt đa đĩa.
+ Xác định ngành công nghiệp sản phẩm: thiết bị ghi trên nhãn mác và các sản phẩm bảo
mật khác
+ Các ngành công nghiệp khác: như đá cẩm thạch, đá granit và vật liệu xây dựng trang trí
khác trên vết khắc, cắt giấy, thiệp chúc mừng và hàng thủ công giấy khác.
- Thơng số kỹ thuật:
Cơng suất bóng laser: 50W / 60W /80W

Điện áp: AC220 ± 10% / 50Hz
Phạm vi làm việc: 400mmx600mmx250mm
Tốc độ khắc: 400mm / s
Khắc sâu: 0-10mm (Tùy thuộc vật liệu)
Nhiệt độ hoạt động: -5 ℃ -65 ℃
Làm mát: Bằng nước và gió
Giao thức kết nối: giao diện USB
Môi trường hệ thống: Windows XP/7/8

14

Luan van


CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
2.1 Khái niệm
2.1.1 Tổng quan về tia laser:
Tia Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ
kích thích".
Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải
thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao
động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser. Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được
tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phịng thí nghiệm
Hughes Laboratory ở Malibu, California. Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp
thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Robert
N. Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Laser bán dẫn đầu tiên
với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970, Zhores
Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phịng thí nghiệm Bell đã độc lập
phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phịng, sử dụng cấu trúc đa kết nối,

tu sửa.
Gia cơng bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc vật
liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia cơng. Gia cơng cắt gọt laser
khơng cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho tốc độ cắt cao và với
dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và khơng mịn.

Hình 2. 1 Cắt laser trên thép tấm
15

Luan van


2.1.2 Đặc điểm của Laser:
a) Công suất ( Cường độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với
nguồn năng lượng điện từ có cùng nguồn.
b) Độ đơn sắc cao . Độ đơn sắc được đặc trưng bởi tỷ số µ = ∆λ / λo
S = ∆ ω / ωo
Trong đó

∆λ - Chiều rộng quang phổ; µ - Mức độ đơn sắc
ωo - Tần số ứng với độ dài bước sóng λo

Laser Rubin-Hồng Ngọc : ∆λ = 0,69 µm
Với

D = 1 cm Đường kính chùm tia bức xạ thì góc phân kỳ
𝜃0.5 = 0,85.10-4 rad ≈ 14

Laser CO2
Với

: λ = 10,6 µm
D = 1,2.10-3 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì
𝜃0.5 = 0,85.10-4 rad ≈ 3'20''

Trong thực tế góc phân kỳ có lớn hơn do ảnh hưởng của độ đồng nhất về sự
phân bố biên độ và các pha trong vùng bức xạ.
Ví dụ - kích thước vùng bức xạ của tinh thể hồng ngọc khoảng 100 µm; kích thước
vùng bức xạ của hổn hợp hồng ngọc khoảng 850 µm.
c) Tính đồng loạt cao :
Thời gian kết hợp đối với tia ánh sáng th−ờng là
Thời gian kết hợp đối với tia laser là

: 10-8 s
: 10-2 - 10-1s

d) Kích thước chùm tia nhỏ, có hướng tập trung và có tính hội tụ cao
e) Tần số ổn định;
f) Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 giây

16

Luan van


g) Bước sóng ngắn và có dãi sóng bức xạ lớn từ tia cực tím đến hồng ngoại nên
khả năng ứng dụng rộng. Chiều dài bước sóng trong khoảng ( 0,1 - 70 µm). Trong
thực tế ng−ời ta quan tâm nguồn có chiều dài bước song trong khoảng 0,4 - 10,6
µm. Vì trong khoảng này nguồn laser đã đạt được một số thông số yêu cầu :
nguồn nhiệt lượng, công suất xung và công suất khi máy phát làm việc liên tục

có ý nghĩa cho q trình gia cơng kim loại.
2.2 Khái quát về thiết kế máy CNC laser
2.2.1 Cấu tạo, thiết kế máy CNC laser:
Máy gia công laser là thiết bị gia công được thiết kế điều khiển bằng phần mềm thơng qua
thuật tốn nội suy và xử lý hình ảnh.
Cấu tạo máy CNC Laser bao gồm 2 phần :
-

Cơ khí : + Hệ thống vỏ máy
+ Hệ thống bàn máy gia công
+ Hệ thống chuyển động

-

Điện tử :+ Hệ thống điều khiển của máy

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của máy:
Máy cắt CNC Laser sử dụng công nghệ Laser CO2 , một chùm tia năng lượng cao
được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết gia cơng nhờ hệ thống
thấu kính. Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một cùng vật liệu nóng chảy cục bộ,
thường có đường kính nhỏ hơn 0.5mm.
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia cơng bởi một dịng khí có áp lực
cao, đồng trục với chùm tia Laser. Đối với một số loại vật liệu thì dịng khí này làm tăng
tốc q trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.
Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo một
quỹ đạo vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di chuyển chùm
17

Luan van

tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hay chuyển động cơ khí theo hai phương X-Y
trên bàn máy CNC, máy được thiết kế cả hai loại chuyển động này. Khi đó, chùm tia Laser
này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương cịn lại
để tạo ra hình dạng vết cắt.
2.2.3 Ứng dụng của máy CNC laser:
Máy gia công laser được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt là lĩnh vực cơ khí
chính xác, những chi tiết gia cơng địi hỏi phải có độ chính xác cao như các chốt pin,…
Ngồi ra, máy gia cơng cịn được ứng dụng nhiều trong lỉnh vực hội họa như khắc tranh
nghệ thuật, cắt chi tiết trang trí trong gia đình…
2.3 Hệ thống vỏ máy
Vỏ máy là nền tảng của một máy trung tâm, nó cần nặng hơn, chắc chắn hơn và tốt hơn.
Giá của nó có thể cao hơn, nhưng sự chịu lực và độ bền sẽ làm giảm rung động. Q trình
rung động sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác gia cơng. Với một máy có kết cấu vững chắc, nó
sẽ hấp thụ những dao động này, đảm bảo máy sẽ thực hiện với cơng suất và độ chính xác
cao nhất.
Cấu tạo của vỏ máy khá đơn giản,nhưng cần yêu cầu tính chịu tải cao,cần phải đảm bảo
được độ vững chắc khi máy hoạt động.

Hình 2. 2 Vỏ máy mẫu
18

Luan van


Cấu tạo gồm ba phần chính:
-

Khung máy

-

Vỏ tấm

-

Nắp quan sát ( Nắp lật )

Ngồi ra nó cịn một số bộ phận khác như : Nắp lật sau, Các nút bấm, màn hình LED,bảng
điều khiển, cổng nối USB.
2.4 Hệ thống điều khiển:
Mơ hình hóa hệ thống điều khiển
Từ u cầu thiết kế hệ thống gia công, hệ thống điều khiển được thiết kế một cách tổng
quan qua sơ đồ khối máy. Sơ đồ nêu rõ các khối đầu vào, khối điều khiển trung tâm, các cơ
cấu chấp hành, cùng các bộ phận hiển thị, giao tiếp với người sử dụng.

Hình 2. 3 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển
19

Luan van


Bộ xử lý trung tâm:
Là một thiết bị có khả năng nhận và lập trình xử lý được các tín hiệu vào theo yêu cầu đầu
vào của hệ thống này, đồng thời xuất được các tín hiệu theo yêu cầu.
2.5 Hệ thống chuyển động X – Y:
- Hệ thống chuyển động X-Y là một cơ cấu của máy CNC laser thiết kế. Chức năng của nó
là để chuyền chuyển động theo hai trục x và y cho ống laser chuyển động tương đối so với
bàn máy để tạo ra biên dạng cắt mong muốn.

Hình 2. 4 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia cơng laser khí CO2
Trong đó:
1. Ống laser CO2
2. Tấm đỡ ống laser
3. Thanh trượt
4. Động cơ bước
5. Nhơm định hình
6. Đầu cắt laser
7. Tấm đỡ đầu laser và động cơ
8. Gương phản xạ thứ hai
9. Đai răng
10. Con lăn
11. Gương phản xạ thứ nhất
12. Ke vuông
20

Luan van


2.6 Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser:
Hệ thống gia công bằng chùm tia laser bao gồm 3 bộ phận chính: Đầu phát laser, bộ phận
cung cấp điện và điều khiển. Bàn gá (Có thể điều khiển CNC). Đầu phát laser để tạo ra tia
laser là bộ phận quan trọng nhất. Ngày nay hệ thống gia công laser thường gắn với bộ điều
khiển CNC và cho phép gia công chi tiết một cách tự động, liên tục và năng suất cao. Máy
điều khiển CNC cho pháp gia công laser 2D, 2.5D, 3D,…dưới sự hỗ trợ bởi máy tính và
các thiết bị số. Có nhiều loại laser được sử dụng để gia cơng như laser gama, laser khí, laser
rắn, laser lỏng, laser bán dẫn phụ thuộc vào mục đích sử dụng để chọn thiết kế cũng như
sản xuất phù hợp với máy gia cơng.

Hình 2. 5 Hình ảnh về một máy cắt laser 2 trục trong thực tế

2.7 Ứng dụng của tia laser trong gia công cắt gọt:
Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20. Tia
sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác. Tia từ laser thường có độ
phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao). Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi giới
hạn nhiễu xạ. Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng. Laser được
dùng trong gia công như khoan (Khoan đập, khoan cắt), khắc laser được dùng rất phổ biến
chiếm 20% thị phần ứng dụng của tất cả các ứng dụng laser, sửa đá mài bằng laser,… Công
nghệ hàn laser đã được sử dụng phổ biến trong mọi ngành công nghiệp xuất phát từ yêu
21

Luan van


cầu hàn những vết hoặc điểm rất nhỏ trên linh kiện điện tử, nữ trang, khuôn mẫu… đến
việc tự động hóa hàn khung vỏ ơ tơ. Máy cắt laser được tạo thành từ hai phần chính: nguồn
laser và chuyển động. Tùy theo ứng dụng mà sử dụng các nguồn laser khí hoặc tinh thể.
Hiện nay 2 loại laser chủ yếu sử dụng là laser CO2 và laser sợi (YAG, Fiber …). Laser
CO2 có cơng suất từ vài watt đến hàng nghìn watt. Cơng suất thấp được dùng để cắt các
vật liệu phi kim trong khi các hệ công suất lớn thường dùng để cắt kim loại. Đa số trang bị
kiểu chạy bàn trong khi các robot chủ yếu được dùng tự động trong cơng nghiệp ơ tơ.

Hình 2. 6 Gia công cắt laser trên mica trong

22

Luan van