Máy cắt khắc lasser công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA: CƠ KHÍ
---------------------------------------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU
THIẾT KẾ MÁY CNC LASER MINI

GVHD: Ths.Lê Văn Nghĩa
Thành viên nhóm:


Hà Nội–Năm 2023


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG.....................................................7
1.1

Giới thiệu chung..........................................................................................7

1.1.1 Đặt vấn đề...............................................................................................7
1.1.2 Giới thiệu về máy CNC...........................................................................8
1.2

Giới thiệu về máy cắt khắc laser..................................................................9

1.2.1 Giới thiệu chung về máy khắc cắt laser...................................................9
1.2.2 Lịch sử ra đời máy cắt laser và công nghệ cắt laser..............................10
1.2.3 Sự phát triển máy cắt, khắc laser...........................................................11

1.2.4 Một số máy CNC.................................................................................12
1.2.5 Những ứng dụng của máy cắt khắc laser...............................................14
1.3

Mục tiêu đề tài...........................................................................................15

1.4

Phương pháp nghiên cứu...........................................................................16

1.5

Ý nghĩa thực tiễn.......................................................................................16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG.......................................17
2.1

Tranh khắc bằng laser................................................................................17

2.1.1 Nguyên lý quá trình khắc Laser.......................................................17
2.1.2 Tổng quan về laser.............................................................................17
2.1.3 Các chế độ hoạt động.........................................................................18
2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm.............................18
2.2

Cấu tạo của máy cnc laser.........................................................................20

2.2.1 Cấu tạo chung.......................................................................................20
2.2.2 Các phương pháp truyền động được dùng cho máy CNC.....................21
2.2.3 Loại động cơ sử dung trong máy cnc....................................................23

2.2.4 Băng dẫn hướng....................................................................................25
2.2.5 Đầu khắc laser.......................................................................................25


2.3

Ngun lý hoạt động của máy CNC..........................................................27

CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ......................................................28
3.1

Lựa chọn đầu khắc laser............................................................................28

3.2

Tính tốn trục X........................................................................................29

3.2.1 Tính chọn bộ vít me đai ốc bi................................................................29
3.2.2 Chọn gối đỡ...........................................................................................32
3.2.3 Chọn động cơ trục X.............................................................................33
3.2.4 Chọn khớp nối.......................................................................................35
3.2.5 Chọn gối đỡ trục và trục trơn dẫn hướng..............................................36
3.3

Tính tốn trục Y........................................................................................37

3.3.1 Tính tốn vít me bi................................................................................37
3.3.2 Tính tốn lựa chọn động cơ...................................................................39
3.4

Thiết kế cơ khí...........................................................................................40

3.4.1 Phần mềm SolidWorks..........................................................................40
3.4.2 Thiết kế khung.........................................................................................41
3.4.2 Các chi tiết khác của máy......................................................................43
3.5

Thiết kế hệ thống điện...............................................................................45

3.5.1 Driver 8825...........................................................................................45
3.5.2 Vi điều khiển.........................................................................................47
3.5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in.....................................................49
3.6

Phần mềm điều khiển................................................................................52

3.6.1 GRBL....................................................................................................52
3.6.2 Lưu đồ thuật toán..................................................................................53
3.6.3 Phần mềm Benbox................................................................................54
3.6.4 Các bước làm việc với phần mềm Benbox............................................54
KẾT LUẬN.............................................................................................................58


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Mơ hình sản xuất tổ hợp CIM.............................................................................9
Hình 1.2: Máy cắt khắc laser cơng nghiệp........................................................................10
Hình 1.3: Tia laser tạo ra từ hồng ngọc.............................................................................11
Hình 1.4: Máy khắc laser CNC D3040 S1........................................................................12
Hình 1.5: Máy CNC 3810.................................................................................................13
Hình 1.6: Máy CNC laser mini LaserPecker 3..................................................................14

Hình 1.7: Các sản phẩm được tạo ra từ máy cắt laser CNC..............................................15
Hình 2.1: Nguyên lý cắt laser............................................................................................17
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của bộ phát laser.....................................................................17
Hình 2.3: Biên dạng vết cắt với từng vị trí tiêu điểm........................................................19
Hình 2.4: Sản phẩm cắt khi khơng áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) và có luồng khí bổ trợ
(dưới)................................................................................................................................ 20
Hình 2.5: Bộ vít me đai ốc thường....................................................................................21
Hình 2.6: Bộ vít me đai ốc bi............................................................................................22
Hình 2.7: Bộ truyền đai.....................................................................................................22
Hình 2.8: Động cơ bước....................................................................................................23
Hình 2.9: Động cơ servo...................................................................................................24
Hình 2.10: Thanh ray vng và thanh ray trịn.................................................................25
Hình 2.11: Laser diode......................................................................................................26
Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc chức năng của máy CNC laser................................................27
Hình 3.1: Mơ-đun Laser FB03-3000.................................................................................28
Hình 3.2: Sơ đồ truyền động trục X..................................................................................29
Hình 3.3: Đồ thị xác định ứng xuất lớn nhất.....................................................................32
Hình 3.4: Gối đỡ Liner pillow block SCS8UU.................................................................33


Hình 3.5: Động cơ bước NEMA 17 17HS4401.............................................................34
Hình 3.6: Kích thước động cơ bước Nema 17..................................................................35
Hình 3.7: Khớp mềm trục 4-8...........................................................................................35
Hình 3.8: Gối đỡ thanh trượt SK10...................................................................................36
Hình 3.9: Trục trơn Phi 10................................................................................................36
Hình 3.10: Gối đỡ KP08...................................................................................................37
Hình 3.11: Đồ thị xác định ứng xuất lớn nhất...................................................................39
Hình 3.12: Phần mềm SolidWorks....................................................................................41
Hình 3.13: Nhơm định hình 20x20...................................................................................41
Hình 3.14: Dàn khung cho máy cnc laser.........................................................................42

Hình 3.15: Ke vng góc 20x20.......................................................................................42
Hình 3.16: Lắp đặt ke vng góc......................................................................................43
Hình 3.17: Vật liệu nhựa ABS..........................................................................................43
Hình 3.18: Thiết kế đầu khắc laser....................................................................................44
Hình 3.19: Thiết kế miếng gá động cơ..............................................................................44
Hình 3.20: Khung máy cnc laser.......................................................................................45
Hình 3.21: Sơ đồ kết nối DRV8825..................................................................................47
Hình 3.22: Sơ đồ chân arduino GRBL..............................................................................48
Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý..............................................................................................50
Hình 3.24: Sơ đồ đi dây trên board...................................................................................51
Hình 3.25: Lớp bottom layer.............................................................................................51
Hình 3.26: Lớp top layer...................................................................................................51
Hình 3.27: Mạch pcb của hệ thống điều khiển cnc laser...................................................52
Hình 3.28: Sơ đồ diều khiển máy cnc...............................................................................52
Hình 3.29: Giao diện phần mềm Benbox..........................................................................54
Hình 3.30: Update Firmware cho phần mềm....................................................................55
Hình 3.31: Nhập thơng số cho máy...................................................................................55


Hình 3.32: Nhập thơng số cho đầu khắc laser...................................................................56
Hình 3.33: Lựa chọn mẫu khắc và điều chỉnh kích thước.................................................57


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1................................................12
Bảng 1.2: Thông số máy CNC 3810.........................................................................13
Bảng 1.3: Thông số máy CNC laserPecker 3...........................................................14
Bảng 2.1: Tốc độ cắt và công suất laser gợi ý cho từng loại vật liệu........................18
Bảng 3.1: đặc điểm kỹ thuật dung của: Mô-đun Laser FB03-3000.........................28
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật động cơ step...............................................................34

Bảng 3.3: Các chân chức năng của drv8825.............................................................45
Bảng 3.4: Các độ phân giải vi bước của drv8825.....................................................46
Bảng 3.5: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino nano...............................................48


CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu chung
1.1.1 Đặt vấn đề

Sự phát triển cơng nghiệp hóa hiện đại hóa là một q trình diễn ra trên tồn thế giới
với nhiều nước đang chuyển đổi từ các nền kinh tế nơng nghiệp sang nền kinh tế cơng
nghiệp. Trong q trình này, các nền kinh tế phát triển đang chuyển từ sản xuất các hàng
hóa thủ cơng tới chế tạo sản phẩm với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, tự động hóa và
robot.
Với sự tốc độ phát triển nhanh của cơng nghiệp hóa, thì máy móc ngày càng được sử
dụng nhiều trong sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa - đang diễn ra với tốc độ
mạnh mẽ, cùng với đó là sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản
xuất cơng nghiệp. Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường
thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cùng dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác
do con người được giảm thiểu.
Việc gia tăng tự động hóa trong q trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát
triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai
sót và giúp người thao tác có thời gian cho các cơng việc khác. Ngồi ra cịn cho phép
linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản
xuất các linh kiện khác.
Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi
là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều

khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể
trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói
CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để
thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn).
Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trên của ngành công nghiệp
chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế mơ hình máy laser CNC loại nhỏ với
các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đã được học và nghiên
cứu tại trường.


1.1.2 Giới thiệu về máy CNC

NC là viết tắt của từ ”Numerical Control”, được hiểu đơn giản là điều khiển số, ra
đời với mục đích điều khiển các q trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công
cụ. Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các
máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản
lý phôi và các sản phẩm...) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị
nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên
một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Máy CNC tên đầy đủ là Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính).
Là một dạng máy tự động chạy thông qua các thao tác điều khiển trên máy tính. Trong đó
các bước của cơng việc được lập trình tự động giúp cho máy có thể hoạt động liên tục, nối
liền các bước các công đoạn với nhau bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký
hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Để tạo ra được mẫu vật
với tốc độ và yêu cầu kỹ thuật được xác định từ trước. Máy CNC được phát triển vào cuối
thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phịng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT,
Massachusetts, Hoa Kỳ.
Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp.
Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều
cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm

thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong q trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát
triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót
và giúp người thao tác có thời gian cho các cơng việc khác. Ngồi ra cịn cho phép linh
hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất
các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một
tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay
được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp
ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết.
Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được
thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn).
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến
trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (Computer
Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển,
các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa
vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể.


Hình 1.1: Mơ hình sản xuất tổ hợp CIM

1.2 Giới thiệu về máy cắt khắc laser
1.2.1 Giới thiệu chung về máy khắc cắt laser

Trong thế kỷ 21, công nghệ phát triển hàng ngày và một trong những công nghệ tiên
tiến nhất hiện nay đó là cơng nghệ cắt laser. Máy cắt, khắc laser trở thành một công cụ
đắc lực trong ngành công nghiệp sản xuất và gia công. Máy cắt, khắc CNC laser là một
thiết bị sản xuất sử dụng công nghệ laser để khắc, cắt hoặc đánh dấu các vật liệu bằng
cách sử dụng một cơ chế điều khiển số (CNC - Computer Numerical Control) để điều
khiển quá trình sản xuất. Các vật liệu có thể được khắc bao gồm gỗ, nhựa, kim loại, thủy
tinh, đá, da và nhiều vật liệu khác. Công nghệ này đang được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực sản xuất, từ chế tác nghệ thuật, quảng cáo, đồ trang sức đến sản xuất công nghiệp.

Hình 1.2: Máy cắt khắc laser cơng nghiệp

1.2.2 Lịch sử ra đời máy cắt laser và công nghệ cắt laser

Tia laser được biết đến lần đầu tiên bằng một thí nghiệm tình cờ của nhà vật lý
Theodore Maiman, thơng qua phương thức chiếu đèn flash công suất cao trên một thỏi
ruby với các bề mặt tráng bạc trong căn phòng thí nghiệm Hughes Laboratory tại Malibu,
California những năm 1960. Nhờ phát hiện này, các nhà khoa học dần nghiên cứu chun
sâu thêm, phát hiện ra sẽ có nhiều lợi ích to lớn nếu biết cách tận dụng nguồn tia laser
này. Tiêu biểu là cuộc nghiên cứu phát triển laser bán dẫn đầu tiên của Roberrt N.Hall
năm 1962. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-asen và tạo tia có bước
sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. Hay năm 1970, Zhores Ivanovich
Alferov của Liên Xô cùng Hayashi và Panish của phịng thí nghiệm Bell đã độc lập phát
triển thành công diode laser hoạt động được liên tục trong nhiệt độ phòng. Cho đến bây
giờ, theo thời gian, tia laser đã trở thành công cụ tuyệt vời khó có thể thiếu trong đời
sống. trong các ngành sản xuất cơ khí, nghệ thuật, cho đến y học,…


Hình 1.3: Tia laser tạo ra từ hồng ngọc

Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành
công máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương. Sao đó 2 năm,
người Anh bắt đầu có những thành tựu đầu tiên trong việc cắt kim loại bằng tia laser bằng
cách sử dụng hỗ trợ khí oxy. Năm 1970, cơng nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để
cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hàng khơng vũ trụ. Sau đó thay vì sử dụng oxy,
người ta bắt đầu kết hợp thành cơng tia laser với sự bổ trợ của khí CO2, và từ đó máy cắt
laser CO2 ra đời. Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi kim, vải da,… chứ khơng thể nào
đốt cháy được kim loại. Từ đó, với những thí nghiệm mới, với nhiều sự kết hợp, chế tạo

khác nhau mà các nhà khoa học đã phát minh ra được nhiều loại máy cắt laser hơn, có áp
lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với những chiếc máy laser đời cũ.
1.2.3 Sự phát triển máy cắt, khắc laser

Máy khắc laser đã trải qua một sự phát triển đáng kể trong những năm qua. Các
công nghệ khắc laser đầu tiên được phát triển vào những năm 1960 và được sử dụng đầu
tiên để cắt kim loại và làm sạch bề mặt. Tình hình nghiên cứu và phát triển máy cắt laser
trên thế giới hiện nay đang phát triển mạnh mẽ với sự tham gia của nhiều quốc gia trên
thế giới như Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc, Úc, và nhiều quốc gia khác.
Các nhà khoa học và kỹ sư đã tập trung chủ yếu vào việc phát triển các công nghệ mới để
nâng cao hiệu quả và độ chính xác của máy cắt laser. Một trong những tiến bộ lớn nhất
của máy cắt laser là sự tăng cường độ chính xác và khả năng cắt các vật liệu khác nhau, từ
các vật liệu kim loại đến các vật liệu phi kim. Máy cắt laser cũng có thể được điều khiển
bằng các phần mềm để cắt các hình dạng phức tạp và tối ưu hóa sản xuất.


Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất trong công nghiệp máy cắt laser hiện nay là giá thành các
thiết bị. Vì vậy, hiện nay các nhà thiết kế phát triển sản phẩm đã cho ra đời rất nhiều loại
máy CNC laser mini với chi phí thấp, đây giải pháp tối ưu để tiết kiệm chi phí đầu tư ban
đầu, tiết kiệm diện tích vận hành cũng như đáp ứng được nhu cầu sản xuất tùy chỉnh cho
các doanh nghiệp nhỏ.
1.2.4 Một số máy CNC

 Máy khắc laser CNC D3040 S1 (Moving gantry)
Máy laser D3040 được sản xuất với chất liệu kim loại cao cấp, máy có độ chính xác
cao đến từng cm. Đầu khắc laser chuyển động theo cả 2 trục X và Y. Về chức năng máy
có thể khắc lên nhiều vật liệu như : khắc laser trên gỗ, mica, cao su, ví da, nhựa pvc đen,
cao su xốp vỏ điện thoại di động, thép khơng gỉ,...

Hình 1.4: Máy khắc laser CNC D3040 S1

Bảng 1.1: Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1
Vùng hoạt động

300x400 (mm) Trục Z điều chỉnh
bằng tay

Kích thước khung

500x420x120 (mm)

Vật liệu khung

Nhơm định hình

Độ chính xác

±0.01 (mm)

Động cơ dẫn trục

Step Motor

Công suất

0.5W-15W

Phần mềm điều khiển

GBRL control

Hệ điều hành hỗ trợ

Windows


 Máy CNC 3810 (Moving Table)

Máy CNC 3018 Pro là máy công cụ CNC ba trục thu nhỏ trọng lượng nhẹ, giá thấp,
rất phù hợp để học lập trình, học khắc ba trục và kiến thức liên quan đến điều khiển số.
Đầu khắc laser của máy di chuyển theo hai trục X và Z, bàn máy di chuyển theo trục Y.

Hình 1.5: Máy CNC 3810

Bảng 1.2: Thơng số máy CNC 3810
Vùng hoạt động

300x180x45 (mm)

Kích thước khung

440x370x300 (mm)

Vật liệu khung

Nhơm định hình (phiên bản thường)
Thép (phiên bản cao cấp)

Độ chính xác

±0.01 (mm)

Động cơ dẫn trục

Step Motor

Công suất tối đa

0.5W-30W

Phần mềm điều khiển

GBRL control

Hệ điều hành hỗ trợ

Windows


 Máy khắc laser mini LaserPecker 3

Máy có thể khắc tốt trên chất liệu vàng, bạc, đồng, nhôm, titanium, thép khơng
gỉ, nhựa, acrylic,... nhưng kích thước nhỏ gọn, dễ cài đặt, dễ vận hành. Máy sử dụng
đầu Galvo như máy khắc fiber giúp tăng tốc độ và độ chính xác. Kết cấu nhỏ gọn,
khơng có bộ phận chuyển động tịnh tiến, hoạt động êm ái. Sử dụng app trên điện thoại.

Hình 1.6: Máy CNC laser mini LaserPecker 3
Bảng 1.3: Thơng số máy CNC laserPecker 3
Vùng hoạt động

65 x 65(mm)

Kích thước khung

168,6x62x169,5 (mm)

Cân nặng

2,54(kg)

Cơng xuất

10W

Bước sóng

1064nm

Tốc độ khắc

6nm/giây-800nm/giây

Hệ điều hành hỗ trợ

Android & IOS - Windows & Mac
OS

1.2.5 Những ứng dụng của máy cắt khắc laser

Ngày nay, nhu cầu về cắt khắc vật liệu đã trở thành một nhu cầu thiết yếu trong
nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành quảng cáo, các sản phẩm quảng cáo thường

được sản xuất từ các vật liệu như nhựa, gỗ, kim loại, thủy tinh, đá granite và nhiều vật
liệu khác. Các sản phẩm này thường được cắt và khắc để tạo ra các hình ảnh, chữ viết,


logo và các mẫu thiết kế khác. Trong ngành sản xuất kim loại, các sản phẩm như đồ
gia dụng, máy móc và các linh kiện khác thường được sản xuất từ các loại kim loại
như thép không gỉ, nhôm, đồng và các hợp kim khác, các sản phẩm này thường được
cắt và khắc để tạo ra các hình dáng và kích thước chính xác. Bên cạnh các ngành cơng
nghiệp trên, nhu cầu cắt khắc còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác như
trong y học, giáo dục, nghệ thuật và thậm chí trong các hoạt động thể thao.

Hình 1.7: Các sản phẩm được tạo ra từ máy cắt laser CNC

1.3 Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu mơ hình máy CNC hai trục sử dụng tia laser: Tiếp cận và tìm hiểu
về mơ hình máy CNC hai trục, trong đó sử dụng tia laser làm cơng cụ khắc. Xác định
các ưu điểm và hạn chế của mơ hình này trong việc khắc chữ, hình ảnh và mẫu trên
các vật liệu khác nhau.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mơ hình dựa trên các kiến thức đã học:
Nắm vững các nguyên lý hoạt động của máy CNC và công nghệ khắc laser. Nghiên
cứu về các thành phần cơ khí quan trọng như bộ điều khiển, trục chính, hệ thống di
chuyển và cơ cấu khắc. Thiết kế và chế tạo một hệ thống di chuyển chính xác và ổn
định cho đầu laser để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của q trình khắc. Lựa
chọn các vật liệu phù hợp và tối ưu hóa các thơng số kỹ thuật. Áp dụng các kiến thức
đã học về cơ học, điện tử và điều khiển để một máy khắc laser mini đơn giản, nhỏ
gọn và có khả năng khắc các vật liệu như gỗ, da, nhựa, và một số kim loại nhẹ.Tạo ra
một giải pháp hiệu quả và giá trị kinh tế cho các cá nhân và doanh nghiệp nhỏ có nhu
cầu khắc chữ, hình ảnh và mẫu trên các vật liệu nhỏ và vừa.
Thiết kế, mơ phỏng cơ khí trên các phần mềm 3D: Sử dụng các phần mềm thiết
kế 3D như SolidWorks hoặc AutoCAD để thiết kế các bộ phận cơ khí của máy khắc

laser. Mơ phỏng hoạt động của máy khắc laser thông qua việc tạo ra các mơ hình 3D
và thực hiện các kiểm tra chuyển động và tương tác giữa các bộ phận. Đảm bảo tính


hợp lý và tương thích giữa các bộ phận cơ khí, đồng thời kiểm tra tính khả thi và khả
năng hoạt động của mơ hình thiết kế.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu hiện trạng của công nghệ khắc laser và các mơ hình máy CNC hai
trục sử dụng tia laser có sẵn trên thị trường. Tìm hiểu các sản phẩm và công nghệ hiện
tại, các ưu điểm và hạn chế của chúng, nghiên cứu chất lượng, tính năng, của các sản
phẩm này để có cái nhìn tổng quan về thị trường hiện tại.
Phương pháp tham khảo tài liệu: Nghiên cứu và tìm hiểu các tài liệu tham khảo
liên quan đến cơng nghệ khắc laser, tìm hiểu tổng quan về máy CNC, tìm hiểu về
nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các thành phần quan trọng của máy CNC để có cái
nhìn tổng quan về mơ hình máy CNC hai trục và hiểu rõ về cách tích hợp cơng nghệ
khắc laser vào mơ hình này. Ứng dụng các cơng thức, phương trình và tiêu chuẩn để
tính tốn và kiểm tra độ bền của các chi tiết và bộ phận trong máy khắc laser mini.
Sử dụng kiến thức và cơng cụ tính tốn, đặc biệt là sự hỗ trợ từ máy tính và phần
mềm thiết kế để thực hiện phân tích thiết kế. Sử dụng các phần mềm đồ họa và mô
phỏng 3D như SolidWorks để tạo ra mơ hình máy khắc laser mini và mô phỏng hoạt
động và tương tác giữa các bộ phận trong máy khắc laser mini để kiểm tra tính hợp lý
và tương thích của các bộ phận cơ khí, hệ thống di chuyển và cơ cấu khắc trên mơ hình
3D. Phương pháp này mang lại độ chính xác tương đối cao và giúp tiết kiệm thời gian
trong quá trình nghiên cứu và phát triển.
1.5 Ý nghĩa thực tiễn
Về mặt khoa học, đồ án có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra một giải pháp
đơn giản và có chi phí thấp cho việc vẽ tranh, cắt và khắc các biến dạng phức tạp trên
các vật liệu khác nhau. Với kết cấu đơn giản, máy khắc laser mini này có thể mang lại
hiệu quả cao trong việc tạo ra các sản phẩm nghệ thuật và cắt chính xác các hình dạng
phức tạp trên các vật liệu khác nhau. Điều này đáp ứng nhu cầu thực tế của nhiều lĩnh

vực như nghệ thuật, công nghiệp và chế tạo sản phẩm.
Về mặt nghiên cứu, đồ án mang ý nghĩa quan trọng trong việc tạo ra một cơ hội
cho sinh viên phát triển tư duy và kỹ năng thiết kế sản phẩm. Đề tài này giúp sinh viên
tiếp cận và áp dụng kiến thức liên quan đến máy CNC, bao gồm các công thức và lý
thuyết để giải quyết các vấn đề thiết kế. Sinh viên sẽ được đào tạo để xây dựng một hệ
thống cơ điện tử thực tế, từ việc lựa chọn linh kiện cho đến việc tích hợp và kiểm tra
hoạt động. Điều này giúp sinh viên rèn kỹ năng nghiên cứu và phát triển sản phẩm
công nghệ, đồng thời khám phá sự ứng dụng thực tế của kiến thức đã học trong quá
trình đào tạo.


CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG

2.1 Tranh khắc bằng laser
2.1.1 Nguyên lý quá trình khắc Laser

Laser (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) – khuếch đại ánh
sáng bằng phản xạ kích thích - là một chùm ánh sáng có tính đơn sắc cao, tương đối
song song (trực quan) và có tính tập trung năng lượng.
Nhờ tính tập trung năng lượng mà khi điều chỉnh đúng tiêu cự, nhiệt độ tại điểm
trên bề mặt gia công rất cao dẫn tới vật liệu bị cháy. Sau đó phần phoi này được đẩy ra
khỏi chi tiết gia cơng nhờ luồng khí đồng trục với tia laser. Việc này tiếp tục lặp lại với
từng điểm sát nhau từ đó tạo ra những đường cắt/khắc. Đối với các máy CNC vẽ tranh
bằng laser, cụm tia laser là cơ cấu chấp hành và được điều khiển quỹ đạo bằng các việc
điều khiển vị trí X, Y, Z,…

Hình 2.8: Nguyên lý cắt laser

2.1.2 Tổng quan về laser

Tia laser sinh ra nhờ nguồn photon có được từ mơi trường hoạt tính của bộ phát
laser. Các photon bị phản xạ trong buồng hoạt tính cho tới khi nó tích đủ năng lượng
và có hướng chuyển động dọc theo trục quang học, lúc này hạt photon có thể xun
qua được thấu kính bán trong suốt và góp phần tạo thành tia laser.

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của bộ phát laser


Trên thị trường hiện nay có 4 loại laser: rắn, lỏng, khí và bán dẫn. Các loại laser
này chỉ khác nhau bởi mơi trường hoạt tính, tùy loại mơi trường hoạt tính mà dẫn tới
màu sắc và tỷ lệ cơng suất/giá tiền khác nhau.
2.1.3 Các chế độ hoạt động

Chế độ phát liên tục (CW – Continous Wave): tại đề độ này nguồn laser phát xạ
liên tục với công suất hiệu dụng. Tuy nhiên điều này dẫn tới nguồn phát mau nóng,
gây giảm tuổi thọ mơi trường hoạt tính hơn chế độ PO.
Chế độ phát xung (PO – Pulse Operation): chế độ có 2 pha đóng và ngắt. Mục
đích của chế độ phát xung nhằm nâng cao tối đa hiệu suất cắt, hạn chế hao phí năng
lượng do hiện tượng laser cắt vào phôi nhờ vậy cải thiện tuổi thọ nguồn phát.
2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm

 Vật liệu
Tùy vào loại vật liệu mà ta nên sử dụng tốc độ khắc khác nhau. Đối với phôi là
nhựa, nếu bề mặt phơi nhiễm laser rộng sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm vì
phần phơi nóng chảy kết dính lại vào phơi. Cịn về các phơi làm từ gỗ, cần có tốc độ
khắc hợp lý vì trước khi tới giai đoạn laser bóc tách được vật liệu thì phải qua quá
trình bốc hơi.
Bảng 2.4: Tốc độ cắt và công suất laser gợi ý cho từng loại vật liệu

Vật liệu

Bề dày (mm)

Tốc độ cắt (m/ph)

Năng lượng (W)

Polyetyle

1

11

500

Polypropylen

1

17

500

Polystyren

1

19

500

ABS

1

21

500

Sợi thủy tinh

1.6

5.2

450

Ván ép

12

4.8

1000

Gỗ cứng

10

2.6

500

8

Thép carbon
3.8

8
5

Thép inox

0.9
1.8
0.36

400
850

0.72

Titan

3.8

2.52

250

Nhôm

3.8

0.24

300

Đồng

0.6

1.5

300


Bảng 2.1 phía trên cho thấy sự khác nhau về tốc độ, chiều sâu cắt bằng công
nghệ laser trên từng loại vật liệu, ta có thể dùng số liệu này để chọn sơ bộ tốc độ
khắc ở chương sau.
 Tiêu cự
Tuy nhìn trực quan tia laser khá song song, nhưng thực tế mỗi bộ phát laser đều
cho ra chùm tia hội tụ. Điểm hội tụ phụ thuộc vào tiêu cự hệ thống thấu kính của mỗi
nguồn (có thể tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật). Nếu điểm hội tụ nằm ngay trên bề
mặt gia công, chiều sâu gia công cũng như chất lượng bề mặt cải thiện rất nhiều.

Hình 2.10: Biên dạng vết cắt với từng vị trí tiêu điểm

Như ta thấy tại hình 2.9 vết cắt gọn và sâu nhất khi điểm hội tụ nằm ngay trên

bề mặt gia cơng. Việc đo được vị trí và duy trì điểm hội tụ nằm đúng vị trí rất quan
trọng vì khơng những cho ra sản phẩm đẹp, nét khắc gọn mà còn tiết kiệm năng lượng
và kéo dài tuổi thọ nguồn laser.
 Nguồn khí bổ trợ
Đối với các sản phẩm tranh CNC laser từ gỗ, hoặc có vật liệu nguồn gốc
xenlulose việc thể hiện hình ảnh lên mặt phẳng chỉ đơn giản là làm cháy 1 phần nhỏ
trên bề mặt. Thông thường do đặc tính ẩm nên vết đốt khó lan nếu có quạt tản nhiệt,
Tuy nhiên khi chất liệu làm tranh có gốc nhựa, thì tại điểm gia cơng xuất hiện phần xỉ,
để tránh hiện tượng phần xỉ kết dính lại vào phơi, đầu laser cần trang bị luồng khí bổ
trợ.