Luạn văn Máy khắc lazer

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Bằng đã hướng dẫn tận
tình và cho em những kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong quá trình thực hiện đề tài.
Những kiến thức này không chỉ giúp em hoàn thành luận văn mà còn là hành trang
theo em bước vào cuộc sống sau này.
Em xin cảm ơn các bạn cùng nhóm làm luận văn do thầy Phạm Công Bằng
hướng dẫn, xin cám ơn các bạn cùng làm việc, nghiên cứu tại phòng 202 C1. Các bạn
đã góp ý, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm luận văn.
Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy ở Khoa Cơ
Khí – Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM. Quý thầy cô đã truyền đạt những kiến
thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường.
Trân trọng.

TP. HCM, ngày 15 tháng 12 năm 2015
Sinh viên thực hiện
(ký, ghi rõ họ tên)

Dương Duy Lai

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay công nghệ laser dần trở nên phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong công
nghiệp, đời sống và khoa học. Trong đó, ứng dụng khắc laser là một trong những ứng
dụng phổ biến hơn cả, nhờ sự độc đáo và đa dạng về sản phẩm của nó. Ở nước ta, hầu
hết các máy khắc laser đều được nhập về, chứ chưa được chú tâm nghiên cứu, phát
triển và sản xuất rộng rãi. Với mục đích nghiên cứu công nghệ khắc hình bằng laser và
ứng dụng vào bàn máy CNC 2D hiện có, nên em quyết định thực hiện đề tài luận văn
này. Các kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài sẽ giúp em nắm
bắt được các kiến thức cơ bản của công nghệ khắc laser cũng như tạo điều kiện để có

thể phát triển ứng dụng vào thực tế.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................... ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ ............................................................................................. vi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ ix
Chương 1: Tổng quan ...................................................................................................1
1.1 Giới thiệu về khắc laser .........................................................................................1
1.1.1 Tia laser và các ứng dụng ..............................................................................1
1.1.2 Các công nghệ khắc laser ..............................................................................2
1.2 Phát triển ứng dụng khắc laser ..............................................................................4
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài ...................................................................5
1.3.1 Mục tiêu đề tài ...............................................................................................5
1.3.2 Nhiệm vụ đề tài ..............................................................................................6
1.3.3 Phạm vi đề tài ................................................................................................6
1.4 Tổ chức luận văn ...................................................................................................7
Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D ........................................................8
2.1 Tổng quan về bàn máy CNC 2D ...........................................................................8
2.2 Mô hình cơ khí ......................................................................................................9
2.2.1 Cụm khung .....................................................................................................9
2.2.2 Cụm thanh trượt - con trượt .........................................................................10
2.2.3 Cụm động cơ ................................................................................................10
2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng.................................................................................11
2.2.5 Cụm pulley bị động......................................................................................11
2.2.6 Cụm cơ cấu chấp hành .................................................................................12

iii


2.3 Phân tích động học bàn máy CNC 2D ................................................................12
2.3.1 Phân tích động học thuận .............................................................................13
2.3.2 Phân tích động học ngược............................................................................14
2.4 Hệ thống điện ......................................................................................................14
2.4.1 Hệ thống điện động cơ và mạch công suất ..................................................15
2.4.2 Hệ thống điện của bộ phận công tác và cảm biến .......................................16
2.5 Bộ điều khiển ......................................................................................................17
2.5.1 Giới thiệu về card điều khiển .......................................................................17
2.5.2 Sử dụng card PCI- 8164 điều khiển bàn máy ..............................................18
2.6 Kết luận ...............................................................................................................21
Chương 3: Xây dựng ứng dụng xử lý ảnh .................................................................22
3.1 Tìm hiểu về ảnh kỹ thuật số ................................................................................22
3.1.1 Ảnh kỹ thuật số ............................................................................................22
3.1.2 Hệ tọa độ trong ảnh số .................................................................................24
3.2 Quá trình xử lý ảnh xám......................................................................................25
3.2.1 Cải thiện, nâng cao chất lượng ảnh sử dụng toán tử điểm...........................25
3.2.2 Lọc ảnh xám.................................................................................................28
3.3 Ứng dụng xử lý ảnh bằng thư viện EmguCV .....................................................29
3.3.1 Giới thiệu thư viện EmguCV .......................................................................29
3.3.2 Ứng dụng các chức năng của thư viện EmguCV vào đề tài luận văn .........29
3.4 Xây dựng ứng dụng xử lý ảnh .............................................................................30
3.4.1 Xây dựng giải thuật......................................................................................30
3.4.2 Viết chương trình ứng dụng xử lý ảnh.........................................................32
3.4.3 Đánh giá kết quả của ứng dụng xử lý ảnh ...................................................33
3.4.4 Cải tiến ứng dụng xử lý ảnh.........................................................................35
iv

3.4.5 Xây dựng dữ liệu cho ứng dụng khắc ..........................................................41
3.5 Kết luận ...............................................................................................................42
Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển cho ứng dụng khắc .......................43
4.1 Xây dựng chương trình điều khiển .....................................................................43
4.1.1 Xây dựng giải thuật......................................................................................43
4.1.2 Viết chương trình điều khiển cho ứng dụng khắc .......................................46
4.2 Thực nghiệm xác định các thông số khắc ...........................................................47
4.2.1 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng ảnh khắc........................................47
4.2.2 Thực nghiệm xác định các thông số khắc ....................................................48
4.3 Kết luận ...............................................................................................................49
Chương 5: Tổng kết và định hướng phát triển cho đề tài .......................................50
5.1 Tổng kết đề tài .....................................................................................................50
5.2 Định hướng phát triển cho đề tài .........................................................................51
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................52

v


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tia laser [1] ...……………………………………….................................... 1
Hình 1.2: Một số ứng dụng của tia laser [2] ...………………………………………... 1
Hình 1.3: Tạo vết khắc lõm trên kim loại [3] ………………………………………… 2
Hình 1.4: Tôi trên kim loại [3] ……………………………………………………….. 3
Hình 1.5: Tạo dạng bọt nổi trên nhựa [3] …………………………………………….. 3
Hình 1.6: Đốt cháy làm đổi màu nhựa [3] ……………………………………………. 3
Hình 1.7: Mô hình ban đầu của thiết bị CNC 2D [4] ………………………………… 4
Hình 1.8: Khắc chữ bằng tia laser [5] …...……………………………………………. 4
Hình 1.9: Khắc ảnh bằng laser [6] ...………………………………………………….. 5
Hình 1.10: Đầu phát laser Box ……………………………………………………….. 6

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bàn máy CNC 2D ………………………………………... 8
Hình 2.2: Sơ đồ lắp cụm khung ………………………………………………………. 9
Hình 2.3: Cụm thanh trượt- con trượt ………………………………………………. 10
Hình 2.4: Sơ đồ lắp cụm động cơ …………………………………………………… 10
Hình 2.5: Sơ đồ lắp cụm pulley dẫn hướng …………………………………………. 11
Hình 2.6: Sơ đồ lắp cụng pulley bị động ……………………………………………. 12
Hình 2.7: Sơ đồ lắp cụm cơ cấu chấp hành …………………………………………. 12
Hình 2.8: Sơ đồ phân tích động học bàn máy ………………………………………. 13
Hình 2.9: Driver CD420-0040-0031AA-000 [7] …...……………………………….. 15
Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện của đầu công tác và cảm biến ………………………… 17
Hình 2.11: Các cụm chức năng của card PCI- 8164 ………………………………... 18
Hình 2.12: Giải thuật di chuyển từ điểm tới điểm …………………………………... 20
Hình 2.13: Giao diện chương trình điều khiển bàn máy ……………………………. 20
Hình 2.14: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D ……………………………………. 21
vi


Hình 3.1: Không gian màu RGB ……………………………………………………. 22
Hình 3.2: Ảnh xám ………………………………………………………………….. 23
Hình 3.3: Ảnh nhị phân ……………………………………………………………... 24
Hình 3.4: Hệ tọa độ trong ảnh ………………………………………………………. 24
Hình 3.5: Thay đổi độ sáng của ảnh ………………………………………………… 25
Hình 3.6: Thay đổi độ tương phản của ảnh …………………………………………. 26
Hình 3.7: Biểu đồ histogram ………………………………………………………... 26
Hình 3.8: Thuật toán cân bằng histogram …………………………………………... 27
Hình 3.9: Cân bằng histogram ………………………………………………………. 28
Hình 3.10: Phương pháp lọc ngưỡng ảnh xám ……………………………………… 28
Hình 3.11: Lọc ảnh xám bằng cách phân ngưỡng …………………………………... 29
Hình 3.12: Lưu đồ quá trình xử lý ảnh ……………………………………………… 31
Hình 3.13: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh …………………………………………... 32

Hình 3.14: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 1 ……………………………………………….. 33
Hình 3.15: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 2 ……………………………………………….. 33
Hình 3.16: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 3 ……………………………………………….. 34
Hình 3.17: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 4 ……………………………………………….. 34
Hình 3.18: Ảnh halftone [8] …..…………………………………………………….. 35
Hình 3.19: Biểu đồ phân bố sai số cho bốn điểm ảnh lân cận [8] ...………………… 36
Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật Floy – Steinberg trên 1 điểm ảnh ……………………. 36
Hình 3.21: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh version 2 ………………………………... 38
Hình 3.22: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 5 ……………………………………………….. 38
Hình 3.23: So sánh kết quả lọc ảnh của hai phương pháp - ảnh vật ………………… 39
Hình 3.24: So sánh kết quả lọc ảnh của hai phương pháp - ảnh người ……………... 39
Hình 3.25: Ảnh hưởng của DPI tới chất lượng của ảnh …………………………….. 40
Hình 3.26: Thông báo khi nhập DPI không phù hợp ……………………………….. 41
vii


Hình 3.27: Giá trị các điểm ảnh của ảnh halftone …………………………………... 41
Hình 3.28: Lưu đồ tạo dữ liệu khắc …………………………………………………. 42
Hình 4.1: File Data.txt chứa dữ liệu khắc …………………………………………... 43
Hình 4.2: Nội dung file Info.txt ……………………………………………………... 44
Hình 4.3: Định vị tấm gỗ khắc ……………………………………………………… 44
Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật khắc ……………………………………………………. 45
Hình 4.5: Giao diện của chương trình điều khiển …………………………………... 46
Hình 4.6: Kết quả khắc – ảnh 1 ……………………………………………………... 48
Hình 4.7: Kết quả khắc – ảnh 2 ……………………………………………………... 48
Hình 4.8: Kết quả khắc – ảnh 3 ……………………………………………………... 49

viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Nhiệm vụ các cụm chức năng driver CD420-0040-0031AA-000 [7]....…. 16

ix


Chương 1: Tổng quan
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về khắc laser
1.1.1 Tia laser và các ứng dụng
Laser 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". Các photon sinh ra trong quá trình thay đổi mức năng lượng của các electron
trong nguyên tử, được khuếch đại để tạo thành tia laser (hình 1.1).

Hình 1.1: Tia laser [1]
Tia laser trở nên phổ biến từ những năm 1960. Người ta tìm thấy hàng ngàn tiện
ích của tia laser trong mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại.

a. Máy in laser

b. Máy đo khoảng cách

c. Sản phẩm khắc laser

d. Mắt đọc đĩa DVD

Hình 1.2: Một số ứng dụng của tia laser [2]
1

Chương 1: Tổng quan
Hình 1.2 liệt kê các ứng dụng thường thấy của tia laser như: máy in laser, máy
khắc laser, máy cắt kim loại; mắt đọc đĩa DVD; máy đo khoảng cách, thiết bị hướng
dẫn phương tiện trong tàu không gian… Laser được cho là một trong những phát
minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.
1.1.2 Các công nghệ khắc laser
Dựa trên cách điều khiển tia laser, công nghệ khắc có thể chia thành 2 loại:
 Công nghệ khắc laser quét chùm tia (scanning): thiết bị nhỏ gọn, khắc rất nhanh,
sắc nét, dễ tự động hóa, chủ yếu dùng trong công nghiệp.
 Công nghệ khắc laser chạy bàn (flatbed): thiết bị cồng kềnh, khắc chậm hơn, sắc
nét, chủ yếu dùng trong dân dụng, chế tác, mô hình, quà tặng.
Dựa trên bản chất tia laser có thể chia thành 2 nhóm thiết bị khắc laser cơ bản:
 Laser Nd: YAG, Fiber: đánh dấu, khắc laser trên kim loại và nhựa cứng.
 Laser CO2: đánh dấu, khắc, cắt trên phi kim loại.
Hiện nay có nhiều công nghệ khắc laser được hình thành và phát triển. Hình 1.3
đến hình 1.6 thể hiện một số công nghệ trong khắc laser.

Hình 1.3: Tạo vết khắc lõm trên kim loại [3]
Nguyên lý của công nghệ tạo vết khắc lõm trên kim loại (hình 1.3) là sử dụng tia
laser có công suất cao làm nóng chảy một bộ phận bề mặt kim loại, sau đó thổi luồng
khí có áp suất cao vào để thổi bay bộ phận bị nóng chảy.
Tôi trên kim loại (hình 1.4) cũng sử dụng laser có công suất cao để đốt nóng bề
mặt vật liệu. Sau đó sử dụng các chất làm mát để tôi bộ phận bị đốt nóng. Vùng bị tôi
sẽ có màu khác với màu ban đầu nên tạo ra vết khắc trên kim loại.
2


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.4: Tôi trên kim loại [3]
Công nghệ tạo dạng bọt nổi (hình 1.5) ứng dụng nguyên lý giãn nở thể tích của
vật liệu khi bị đốt nóng. Các vật liệu được sử dụng không có khả năng phục hồi lại thể
tích ban đầu sau khi làm nguội.

Hình 1.5: Tạo dạng bọt nổi trên nhựa [3]
Công nghệ đốt cháy (hình 1.6) là dùng tia laser đốt cháy một bộ phận bề mặt vật
liệu. Vùng bị đốt cháy sẽ có màu đen, tạo thành vết khắc trên vật liệu. Vật liệu được sử
dụng là các vật liệu dễ cháy như gỗ, nhựa. Công nghệ đốt cháy được sử dụng chủ yếu
trên các vật liệu phi kim do yêu cầu tính công nghệ không cao.

Hình 1.6: Đốt cháy làm đổi màu nhựa [3]
3


Chương 1: Tổng quan
1.2 Phát triển ứng dụng khắc laser
Đề tài được nghiên cứu là xây dựng ứng dụng khắc laser dựa trên bàn máy CNC
2D sẵn có của bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ khí, trường đại học Bách khoa Hồ Chí
Minh. Thiết bị được thiết kế và chế tạo bởi sinh viên Lê Đình Trường Sơn (hình 1.7).
Thiết bị là một loại máy CNC 2 bậc tự do, dạng trục độc lập và truyền động bằng đai.
Bàn máy được điều khiển bằng card PCI-8164. Đầu công tác có thể dễ dàng tháo lắp
và thay đổi, nên có nhiều hướng phát triển ứng dụng cho thiết bị này. Cho đến nay,
thiết bị đã được nghiên cứu và phát triển các ứng dụng như vẽ chữ, hút vật tròn và tạo
hình, ứng dụng camera…

Hình 1.7: Mô hình ban đầu của thiết bị CNC2D [4]
Ứng dụng khắc laser cũng đã được nghiên cứu bởi sinh viên Phan Nguyễn Minh
Văn, với đề tài khắc chữ bằng tia laser trên vật liệu gỗ và sử dụng camera định vị tọa

độ, sản phẩm được thể hiện ở hình 1.8.

Hình 1.8: Khắc chữ bằng tia laser [5]
4


Chương 1: Tổng quan
Ứng dụng khắc này thực hiện dựa trên giải thuật khắc biên dạng của chữ, cho sản
phẩm tương đối chính xác và nét khắc hoàn chỉnh; ứng dụng tự xác định vị trí của que
gỗ nhờ camera, giúp việc sử dụng dễ dàng hơn. Tuy nhiên, ứng dụng trên vẫn có một
số hạn chế:
 Việc định vị tọa độ và nhận diện ảnh bằng camera cho kết quả còn sai lệch, bị
ảnh hưởng bởi cường độ sáng bên ngoài.
 Giải thuật chỉ cho phép đi theo biên dạng bên ngoài, chưa “tô” được ảnh.
Hiện nay, thị trường trong nước đang có nhu cầu khá cao về những mặt hàng liên
quan tới ứng dụng khắc laser, đặc biệt trong lĩnh vực trang trí. Việc khắc chân dung,
logo đội bóng lên các vật liệu như gỗ, mica hay kim loại trở nên dễ dàng và nhanh
chóng nhờ vào công nghệ khắc laser. Sản phẩm khắc bằng laser được ưa chuộng nhờ
chất lượng nét khắc, sự đa dạng về vật liệu khắc và tính độc đáo lạ mắt của sản phẩm.
Hình 1.9 giới thiệu một số sản phẩm khắc bằng laser trên vật liệu gỗ.

Hình 1.9: Ảnh khắc bằng laser [6]
Trên cơ sở nhu cầu thị trường và bàn máy CNC 2D sẵn có, đề tài này phát triển
khắc laser theo hướng khắc hình trên vật liệu gỗ, nhằm mục đích hoàn thiện hơn ứng
dụng khắc dụng khắc laser, phát huy khả năng của bàn máy CNC 2D.
1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
1.3.1 Mục tiêu đề tài
Mục tiêu đề tài là xây dựng thuật toán, lập trình giao diện trên máy tính, viết
chương trình điều khiển bàn máy CNC 2D thực hiện khắc hình trên vật liệu gỗ.
5

Chương 1: Tổng quan
Chương trình xử lý ảnh sẽ xử lý ảnh của người dùng muốn khắc để tạo ra các
thông số, dữ liệu cần thiết và chính xác cho chương trình khắc. Chương trình chạy bàn
máy sẽ đọc dữ liệu để thực hiện chương trình khắc. Mục tiêu của chương trình là phải
chạy đúng theo dữ liệu được tạo. Ứng dụng phải đáp ứng nhu cầu đơn giản, trực quan,
thuận tiện cho người sử dụng.
1.3.2 Nhiệm vụ đề tài
Để thực hiện mục tiêu đưa ra, đề tài cần phải giải quyết các nhiệm vụ sau:
 Tìm hiểu bàn máy CNC 2D hiện có:
 Về kết cấu cơ khí, phân tích động học…
 Về sơ đồ đấu dây mạch điện, động cơ, driver, card điều khiển.
 Lập trình và xây dựng chương trình chạy bàn máy.
 Tìm hiểu xử lý ảnh:
 Tìm hiểu các thao tác chuyển đổi ảnh đầu vào nhằm tạo ra ảnh đầu ra với
các thông số và dữ liệu mong muốn.
 Xây dựng chương trình xử lý ảnh.
 Phát triển ứng dụng khắc laser:
 Xây dựng giải thuật chạy chương trình khắc với các thông số đầu vào từ
bên xử lý ảnh.
 Thực nghiệm, tối ưu các thông số kỹ thuật như tốc độ khắc, khoảng cách
đầu laser để hoàn thiện sản phẩm khắc.
1.3.3 Phạm vi đề tài

Hình 1.10: Đầu phát laser Box
6


Chương 1: Tổng quan

 Đề tài sử dụng đầu phát laser Box (hình 1.10), tia sáng xanh dương, có công suất
2W.
 Vật liệu khắc là các mẫu gỗ có kích thước 70×60×5 mm.
 Ảnh đầu vào là ảnh màu thuộc các định dạng JPG, PNG, GIF.
 Ứng dụng khắc tạo ra ít nhất 4 mức đậm nhạt.
 Độ chính xác của ứng dụng là 1mm.
1.4 Tổ chức luận văn
Với các mục tiêu và nhiệm vụ đề ra, đề tài được phân làm năm chương. Các
chương tiếp theo có nội dung như sau:
 Chương 2: tìm hiểu mô hình và cách điều khiển bàn máy CNC 2D. Gồm có việc
tìm hiểu về kết cấu cơ khí và động học, sơ đồ mạch điện và cách điều khiển bàn
máy.
 Chương 3: tìm hiểu về xử lý ảnh, xây dựng chương trình xử lý ảnh, tạo dữ liệu
ảnh khắc.
 Chương 4: xây dựng giải thuật khắc, viết chương trình điều khiển bàn máy và đi
khảo sát bộ thông số của laser.
 Chương 5: tổng kết và định hướng phát triển cho đề tài.

7


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC 2D
Để xây dựng và phát triển ứng dụng khắc hình bằng tia laser, trước hết cần phải
nắm rõ được bản chất và tính năng của bàn máy CNC 2D. Chương này sẽ trình bày
phần tìm hiểu tổng quan về bàn máy CNC 2D dẫn động bằng đai, bao gồm mô hình cơ
khí, hệ thống điện, bộ điều khiển và lập trình điều khiển bàn máy.
2.1 Tổng quan về bàn máy CNC 2D
Bàn máy CNC 2D dẫn động bằng dây đai được thiết kế theo mô hình H-bot (hệ

thống 2-DOF dẫn động bằng một dây đai duy nhất). Tên gọi H-bot bắt nguồn từ hình
dáng bên ngoài của bàn máy này giống hình chữ H. Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý của
bàn máy.
1

2

3

4

1- Con trượt ngang

5

2- Vùng làm việc

6

3- Thanh trượt ngang

4- Pulley bị động
7

5- Đai răng
6- Pulley dẫn hướng

8

7- Con trượt dọc

8- Thanh trượt dọc

9
Y
O

M2

11

10

X

M1

9- Động cơ
10- Pulley chủ động
11- Đầu phát laser

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bàn máy CNC 2D
Bàn máy gồm có 2 động cơ (10) là M1, M2 điều khiển vị trí của đầu công tác (2)
thông qua hệ thống truyền động là dây đai (6), các pulley (5, 7, 11), các thanh trượt
8


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
(4, 9) và các con trượt (3, 8). Đặc trưng của bàn máy là vị trí đầu công tác được điều
khiển nhờ sự kết hợp đồng thời chuyển động của hai động cơ thông qua chỉ một dây
đai đơn. Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống này là:

 Ưu điểm:
 Kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp, dễ triển khai.
 Giá thành rẻ.
 Phạm vi làm việc rộng và dễ dàng thay đổi
 .Đơn giản trong việc tính sức bền cơ cấu.
 Nhược điểm:
 Truyền động bằng đai nên khả năng chịu tải kém, chịu sai số do giãn đai.
 Cơ cấu còn mới trên thị trường, nên còn nhiều hạn chế về mặt thiết kế và
điều khiển.
2.2 Mô hình cơ khí
Bàn máy CNC 2D được chia thành các cụm cơ bản như sau:
 Cụm khung

 Cụm pulley dẫn hướng

 Cụm động cơ

 Cụm pulley bị động

 Cụm thanh trượt - con trượt

 Cụm cơ cấu chấp hành

Ngoài ra bàn máy còn cụm camera, nhưng đề tài này không có sử dụng nên
không đề cập đến.
2.2.1 Cụm khung
1. Thanh nhôm 30×60×560
2. Đai ốc trượt
3. Miếng ke góc

4. Bulong
5. Thanh nhôm 30×30×90

Hình 2.2: Sơ đồ lắp cụm khung
9


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
Cụm khung được làm bằng các thanh nhôm định hình, bao gồm hai thanh nhôm
dọc (1) và hai thanh ngang (5) được ghép với nhau bở các miếng ke góc (3) thông qua
mối ghép bulong. Sơ đồ lắp cụm khung được thể hiện trên hình 2.2.
2.2.2 Cụm thanh trượt - con trượt

1. Con trượt ngang
2. Thanh trượt ngang
3. Con trượt dọc
4. Thanh trượt dọc

Hình 2.3: Cụm thanh trượt - con trượt
Cụm thanh trượt - con trượt bao gồm một cặp thanh trượt - con trượt ngang (1, 2)
để tạo chuyển động theo phương X, hai cặp thanh trượt - con trượt dọc (3, 4) để tạo
chuyển động theo phương Y (hình 2.3). Kết hợp hai chuyển động theo các phương X,
Y suy ra được chuyển động của đầu công tác trong mặt phẳng OXY.
2.2.3 Cụm động cơ
1. Động cơ
2. Tấm đỡ trên
3. Pulley chủ động
4. Ống trụ đỡ

5. Tấm đỡ dưới

Hình 2.4: Sơ đồ lắp cụm động cơ
10


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
Cụm động cơ gồm có động cơ (1) được lắp cố định vào hai giá đỡ bằng nhôm (2,
5). Hai giá đỡ được cố định vị trí thông qua các ống trụ đỡ (4). Trên trục của động cơ
có gắn pulley dẫn động (3). Mô hình cụm động cơ được thể hiện trên hình 2.4.
2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng

1. Ổ bi

4. Đầu gá cảm biến trục ngang

2. Pulley dẫn hướng

5. Tấm đỡ chữ T

3. Trụ đỡ trong

6. Đầu gá cảm biến trục dọc
Hình 2.5: Sơ đồ lắp cụm pulley dẫn hướng

Cụm pulley dẫn hướng gồm có các pulley trơn (2) được gắn trên tấm nhôm (5).
Tấm nhôm này còn có nhiệm vụ liên kết con trượt dọc và thanh trượt ngang. Các ổ bi
(1) được lắp bên trong pulley đóng vai trò giảm ma sát cho pulley khi hoạt động.
Ngoài ra còn có các đầu gá (4, 6) để gắn các cảm biến hành trình. Mô hình cụm pulley
được thể hiện trên hình 2.5.
2.2.5 Cụm pulley bị động

Cụm pulley bị động được gắn cố định vào cụm khung, bao gồm một pulley răng
(2) được gá đồng trục với ống trụ đỡ (4) nhằm điều chỉnh độ cao của đai so với các vị
trí khác. Các ổ bi (1) được lắp bên trong pulley để giảm ma sát khi hoạt động. Mô hình
cụm pulley bị động được thể hiện qua hình 2.6.
11


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
1. Ổ bi
2. Pulley pị động
3. Ống trụ trong
4. Ống trụ ngoài
5. Tấm đỡ cụm

Hình 2.6: Sơ đồ lắp cụng pulley bị động
2.2.6 Cụm cơ cấu chấp hành

1. Bulong
2. Tấm kẹp đai
3. Đế gắn dầu
công tác
4. Lỗ ren

Hình 2.7: Sơ đồ lắp cụm cơ cấu chấp hành
Hình 2.7 thể hiện mô hình cụm cơ cấu chấp hành, bao gồm tấm kẹp đai (2) được
lắp chặt với đế (3) bằng các bulong (1) để cố định hai đầu dây đai tạo thành vòng đai
kín. Đế chính là con trượt ngang, vì vậy cơ cấu chấp hành có thể di chuyển khi bàn
máy hoạt động. Trên bề mặt của đế được khoan nhiều lỗ ren để lắp các đầu công tác.
Trong đề tài này, đầu công tác chính là đầu phát laser.
2.3 Phân tích động học bàn máy CNC 2D

Hệ trục tọa độ OXY và chiều quay của hai trục động cơ được quy ước như trên
hình 2.8. Trong đó α, β lần lượt là góc quay của hai động cơ M1, M2. Bán kính pulley
chủ động là R.
12


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Hình 2.8: Sơ đồ phân tích động học bàn máy
2.3.1 Phân tích động học thuận
Phân tích động học thuận là quá trình tìm vị trí của cơ cấu chấp hành khi biết
trước góc quay của hai động cơ. Giả sử dây đai không co giãn trong quá trình hoạt
động của bàn máy, xét độ biến thiên vị trí ∆X, ∆Y trong hai trường hợp sau:
 Động cơ M1 quay, động cơ M2 đứng yên (α ≠ 0, β = 0)
Khi động cơ M1 quay một góc α còn động cơ M2 đứng yên, chiều dài đoạn dây
ABDE thay đổi một lượng bằng R.α, hay:
∆AB + ∆BD + ∆DE = R.α
Do chiều dài đoạn BD không đổi, và tính đối xứng của bàn máy (∆AB = ∆DE)
nên sự biến thiên độ dài theo trục OY là:
∆Y = ∆AB = ∆DE =

(2.1)

Cũng trong trường hợp này, chiều dài của đoạn dây ACDE thay đổi một lượng
bằng R.α, tức là:
13


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
∆AC + ∆CD + ∆DE = R.α

Do động cơ M2 đứng yên, chiều dài đoạn dây AC không thay đổi hay ∆AC = 0,
do đó:
∆CD + ∆DE = R.α
Từ (2.1) có ∆DE =

, suy ra được sự biến thiên độ dài theo trục OX là:
∆X = ∆CD =

(2.2)

 Động cơ M1 đứng yên, động cơ M2 quay (α = 0, β ≠ 0)
Tương tự như trường hợp α ≠ 0, β = 0; nhưng do hai động cơ đối xứng nhau nên
trong trường hợp này khi β > 0 thì cụm công tác đi theo chiều âm của trục OY, tức là:
∆Y = ∆AB = ∆DE =

(2.3)

∆X =

(2.4)

và:

Từ (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) có thể suy ra phương trình động học thuận của bàn
máy khi kết hợp đồng thời chuyển động của hai động cơ M1, M2:
{

(2.5)

2.3.2 Phân tích động học ngược

Phương trình động học ngược xác định góc quay của các động cơ khi biết được
tọa độ đầu và tọa độ mong muốn của đầu công tác. Phương trình động học ngược được
suy ra từ việc giải phương trình động học thuận (2.5) với các ẩn số là α và β:
{

(2.6)

2.4 Hệ thống điện
Hệ thống điện của bàn máy CNC 2D bao gồm hệ thống điện cấp cho hai động cơ
AC Servo, mạch công suất, các cảm biến và bộ phận công tác.
14


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
2.4.1 Hệ thống điện động cơ và mạch công suất
Bàn máy sử dụng động cơ AC Servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH của hãng
Kinco Automation Limited [7]. Một số thông số kỹ thuật của động cơ:
 Kích thước bao

60×60×130 (mm)

 Khối lượng

1.8 (kg)

 Công suất

400 (W)

 Điện áp

220(V)

 Dòng tải

3.1 (A)

 Tốc độ tối đa

3000 (rpm)

 Encoder

Incremental, 2500 PPR

 Moment giữ

3.82 (Nm)

 Tải trọng hướng kính

180 (N)

 Tải trọng hướng trục

90 (N)

 Moment quán tính

0.51 (Kg.cm2)

Động cơ AC Servo trên sử dụng Driver công suất CD420-0040-0031AA-000 của
cùng hãng Kinco, gồm 6 cụm có chức năng khác nhau được mô tả ở hình 2.9 và bảng
2.1.

Hình 2.9: Driver CD420-0040-0031AA-000 [7]
15


Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D
Bảng 2.1 Nhiệm vụ các cụm chức năng của driver CD420-0040-0031AA-000 [7]
Cụm chức năng

Nhiệm vụ
Nguồn ngoài 24V DC

Cột A

7 ngõ vào số
Các ngõ điều khiển động cơ

Cụm X1

2 ngõ vào tương tự
Cột B

4 ngõ ra 100mA
Các ngõ phanh hãm động cơ
Nguồn động cơ

Cụm X2

Nguồn phanh động cơ

Cụm đèn Led

Hiển thị trạng thái hoạt động/lỗi

Cụm nút nhấn

Thiết lập các thông số

Cụm encoder out

Xuất tín hiện lên card điều khiển

Cụm encoder in

Nhận tín hiệu từ động cơ

Một số thông số kỹ thuật đáng chú ý của Driver CD420-0040-0031AA-000:
 Công suất 400W
 Điện áp 200VAC, dòng tải 3.1 A
 Encoder Incremental
 7 ngõ vào số, 5 ngõ ra số
 Chuẩn giao tiếp RS 232
 3 chế độ điều khiển: Position, Speed, Torque
2.4.2 Hệ thống điện của bộ phận công tác và cảm biến
Bốn cảm biến hành trình (X+, X-, Y+, Y-) được gắn ở các vị trí giới hạn của
hành trình. Tín hiệu trả về của các cảm biến ở mức cao nhưng card điều khiển nhận tín

hiệu mức thấp nên phải thông qua bốn bộ rơle chuyển đổi tín hiệu. Tín hiệu điều khiển
đầu công tác từ card không đủ để đáp ứng (giới hạn dòng), nên cũng cần phải thông
qua bộ rơle. Hình 2.10 mô tả sơ đồ mạch điện đầu công tác và các cảm biến.

16