Thiết kế và chế tạo Máy khắc gỗ

LỜI CẢM ƠN
Bằng sự nỗ lực của bản thân cùng với sự động viên, giúp đỡ từ nhiều
phía, cuối cùng em đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình.
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Đoàn Thế Thảo, người
đã trực tiếp hướng dẫn, dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình, truyền đạt
những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em, giúp em hoàn thành luận văn.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những
người đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong thời gian em học tập
cũng như trong giai đoạn thực hiện luận văn.
Cuối cùng, với lời biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy/Cô
trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã giành nhiều thời gian, công sức và
tâm huyết để truyền đạt những kiến thức quá báu cho em trong suốt quá trình
em học tập tại trường.
Em xin chân thành cảm ơn.
Tp.HCM, ngày 13 tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Trường Tùng

 

1


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hiện nay, các sản phẩm bằng gỗ đang ngày càng được sử dụng rộng rãi
trong đời sống hàng ngày. Công nghệ khắc gỗ đang phát triển rất mạnh mẹ
với nhiều máy móc, kỹ thuật tiên tiến. Trong số đó, khắc gỗ bằng tia laser là
một công nghệ đang rất phổ biến. Đề tài này sẽ trình bày quá trình tìm hiểu,
thiết kế và điều khiển máy khắc gỗ bằng laser dạng bàn máy 2D, có thể khắc
được chữ, logo lên gỗ và một số vật liệu khác. Máy khắc có thể ứng dụng

được vào thực tế với việc khắc móc khóa, quà lưu niệm…

2


MỤC LỤC

3


DANH SÁCH HÌNH VẼ

4


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

5


Chương 1: Tổng quan

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Yêu cầu thực tiễn.
Ngày nay, các sản phẩm bằng gỗ đang ngày được ưa
chuộng bởi vẻ đẹp và sự sang trọng của nó. Các sản phẩm bằng
gỗ cũng vô cùng phong phú, đa dạng như bàn ghế, giường gỗ, tủ
gỗ, các món quà lưu niệm bằng gỗ cũng vô cùng dễ thương.

Trước nhu cầu ngày càng lớn như vậy, máy khắc gỗ ra đời
đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian, công sức, giảm giá thành
sản phẩm. Những sản phẩm được tạo ra đạt độ chính xác và tin
cậy cao, đa dạng hơn về mẫu mã, kích thước. Vì vậy, việc chế
tạo máy khắc gỗ là vô cùng cần thiết.
Một số sản phẩm bằng gỗ:

6


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.1.1.1. Quà lưu niệm từ gỗ.

7


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.1.1.2. Tượng gỗ.
1.2.

Tình hình máy khắc gỗ hiện nay.
Hiện nay, trên thì trường có rất nhiều loại máy khắc gỗ, đa
dạng về mẫu mã, chủng loại, kích thước. Tùy theo nhu cầu sử
dụng mà người ta chọn các loại máy khắc gỗ cho phù hợp.

8

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2.1.1. Máy khắc gỗ CNC ST1325B – MG.
Máy sử dụng để chế tạo các biển hiệu, nhãn mác, mô hình
điêu khắc, sản phẩm nghệ thuật từ gỗ.
 Một số đặc điểm tính năng của máy :
• Tốc độ làm việc cao. Tốc độ di chuyển cao nhất của các trục lên tới
30m/phút.
• Bàn điều chỉnh dao tự động.
• Được bố trí thiết bị hút bụi chân không chuyên nghiệp.
• Vận hành ổn định, độ chính xác cao, tiếng ồn nhỏ.
• Có thể là việc tự động, năng suất cao.
• Hệ thống điều khiển công nghiệp chuyên nghiệp, với chức năng hoàn
thiện, tính năng ổn định, tính tương thích phần mềm mạnh mẽ.

9


Chương 1: Tổng quan

• Ngoài ra, trên thị trường cũng có nhiều loại máy khắc bằng laser.
 Máy khắc laser mini Neje.

Hình 1.2.1.2. Máy khắc laser mini Neje.
• Tính năng:
 Khu vực làm việc: 38x38mm.
 Công suất laser: 2W.
 Độ chính xác cao và ổn định.
 Có thể được khắc các vật liệu như: gỗ cứng, nhựa, tre, cao su, da, cắt
giấy.

 Máy laser JL-K1390:

10


Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2.1.3. Máy laser JL-K1390
• Ứng dụng:
 Ngành công nghiệp quảng cáo: cắt nhựa, cắt khắc kính, pha lê.
 Tiểu thủ công nghiệp: Chạm khắc hoa văn và văn bản lên gỗ, tre, ngà
voi, xương, da, đá cẩm thạch và các vật liệu khác.

11


Chương 1: Tổng quan

 Bao bì và in ấn công 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 nội thất, găng
tay, túi xách, giày dép, mũ, da, da tổng hợp, da, vải, lông thú...
 Các ngành công nghiệp khác: cắt khắc đá cẩm thạch, đá granit và vật
liệu xây dựng, cắt giấy, thiệp chúc mừng và hàng thủ công giấy khác.
• Thông số kỹ thuật:
 Phạm vi làm việc: 1300x900mm.
 Công suất laser: 60 - 150W.
 Tốc độ khắc: 0 - 1000mm/s.
 Tốc độ cắt: 0 – 400 mm/s
 Điện áp làm việc: 220V - 50Hz.

 Định vị chính xác: ± 0.01 mm.
1.3.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài.

1.3.1. Mục tiêu, nhiệm vụ.
• Tìm hiểu tổng quan và nguyên lý hoạt động của máy khắc gỗ.
• Thiết kế máy khắc gỗ.
• Thiết kế mạch điều khiển và chương trình điều khiển.
• Xây dựng mô hình.
1.3.2. Phạm vi đề tài.
• Khổ khắc: 40 x 40 cm.

12


Chương 1: Tổng quan

• Vật liệu khắc: gỗ thông.
1.4.

Tổ chức luận văn tốt nghiệp.
• Chương 1: Tổng quan.
• Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án.
• Chương 3: Tính toán, thiết kế cơ khí.
• Chương 4: Thiết kế mạch điện.
• Chương 5: Thiết lập thông số và điều khiển.
• Chương 6: Tổng kết.
• Tài liệu tham khảo.

13


Chương 2: Phương án thiết kế

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
2.1.

Lựa chọn phương pháp gia công.
Hiện nay, các sản phẩm được khắc từ gỗ đang ngày càng
được yêu thích. Bởi vậy, các phương pháp khắc gỗ cũng ngày
càng được cải tiến nhằm tạo ra các sản phẩm đẹp, đa dạng về
mẫu mã để phục vụ yêu cầu của khách hàng.

2.1.1. Gia công bằng phương pháp cắt gọt.
Đây là một phương pháp truyền thống trong lĩnh vực khắc
gỗ. Các làng nghề điêu khắc gỗ vẫn được duy trì và hầu hết sử
dụng phương pháp điêu khắc bằng tay, điều này đòi hỏi tay nghề
cao, sự tỉ mỉ của các nghệ nhân. Ngày nay, với sự phát triển của
khoa học kỹ thuật thì điêu khắc gỗ cũng không ngừng được cải
tiến. Nhiều máy cắt, khắc gỗ ra đời. Điển hình là các máy CNC,
máy điêu khắc gỗ. Những máy này có công suất lớn, độ chính
xác cao, tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức để hoàn thành
sản phẩm. Tuy nhiên, giá thành máy cùng với chi phí bảo dưỡng,
sửa chữa cao nên máy chủ yếu được sử dụng trong các công ty,
xí nghiệp quy mô lớn, không thích hợp với các cơ sở sản xuất
nhỏ lẻ.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.1.1.1. Một số tác phẩm điêu khắc gỗ.
2.1.2. Gia công bằng bút lửa.
Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng nguồn điện làm
nóng một đầu kim loại, sau đó dùng đầu kim loại nóng đó để
khắc lên gỗ.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.1.2.1. Khắc gỗ bằng bút lửa.
Về cơ bản thì phương pháp này khá đơn giản, so với các
loại máy khắc gỗ khác thì chi phí đầu tư cho phương pháp này
thấp hơn, dụng cụ có thể tự chế tạo. Tuy nhiên, phương pháp này
lại đòi hỏi sự tỉ mỉ, tinh tế của người khắc. Việc điều chỉnh nhiệt
độ của đầu khắc để điều chỉnh độ đậm nhạt của bức tranh cũng
hết sức khó khăn.
2.1.3. Gia công bằng tia laser.
Phương pháp này khá giống với phương pháp gia công
bằng bút lửa. Đó là sử dụng nhiệt để đốt cháy vật liệu cần khắc.
Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội đó là tốc
độ khắc cao, độ chính xác được cải thiện và không sinh lực trong
quá trình làm việc.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.1.3.1. Khắc gỗ bằng tia laser.
 Lựa chọn phương án: sau khi phân tích, so sánh các phương án thì em quyết
định chọn phương án sử dụng phương pháp gia công bằng tia laser.

2.2.

Lựa chọn cơ cấu máy.

2.2.1. Cơ cấu tay máy.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.2.1.1. Tay máy khắc gỗ.
Phương pháp này có ưu điểm là khá linh hoạt bởi cơ cấu
tay máy có nhiều bậc tự do. Tuy nhiên, tốc độ hoạt động lại
không cao, việc điều khiển chính xác quỹ đạo của tay máy cũng
gặp nhiêu khó khăn.
2.2.2. Cơ cấu bàn máy.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.2.2.1. Máy khắc laser sử dụng cơ cấu bàn máy.
Cơ cấu này đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại
máy cắt khắc laser, bởi kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. Cùng với độ
là tốc độ làm việc khá cao và việc điều khiển cũng không quá
phức tạp.
 Lựa chọn phương án: Sử dụng bàn máy 2D.
2.3.

Lựa chọn cơ cấu truyền động.
Sau khi lựa chọn cơ cấu bàn máy 2D thì em tiếp tục lựa
chọn phương án truyền động cho bàn máy.

2.3.1. Phương án dùng vít me đai ốc thường.
Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay,
vít me quay, động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di
chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ
phận cần chuyển động (trục X, Y, Z), từ đó làm cho bộ phận đó


Chương 2: Phương án thiết kế

chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu
truyền động.
Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và
bước ren của trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2
mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển
một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của
bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính
xác khi chuyển động khá cao. Dùng động cơ bước có bước góc
càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển
càng cao. Ví dụ nếu dùng động cơ bước với bước góc 1.8 độ và
trục ren đường kính 6mm (bước ren 1mm) thì độ chính xác di
chuyển có thể đạt được là 0.005mm.
Một ưu điểm khác của phương án này là tạo ra lực đẩy lớn
khi gia công mẫu vật. Phương án này thường được dùng trong
các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật liệu cứng, kính
thước lớn…


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.3.1.1. Cơ cấu dùng vít me.
2.3.2. Phương án dùng vitme đai ốc bi.
Đây là dạng vít me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông
thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi
được chuyển thành mà sát lăn. Điều này đem đến một ưu điểm là
chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho
đai ốc chuyển động.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.3.2.1. Vít me đai ốc bi.
Các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai
ốc, các viên bi và rãnh hồi bi. Vấn đề quan trọng nhất trong cơ
cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profile răng vít me và
đai ốc. Profile răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo
dễ dàng hơn cả. Tuy nhiên do độ cong của 2 bề mặt khác nhau
quá lớn dẫn đến ứng suất tiếp xúc tăng và khả năng chịu tải kém,
nên 2 profile này ít được sử dụng Để tăng khả năng chịu tải,
người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo
profile dạng tròn.
Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền
đó là kết cấu của rãnh hồi bi. Rãnh hồi bi có thể là dạng ống,
hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi
gữa hai vòng ren kế tiếp.


Chương 2: Phương án thiết kế

 Đặc điểm:

• Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ
bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
• Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và
tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm, hồi bị khó
khăn.
• Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều
hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy
cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn.
Phương án dùng này có độ chính xác cao, chịu được tải lớn,
tuy nhiên giá thành cao.
2.3.3. Phương án dùng đai răng.

Hình 2.3.3.1. Cơ cấu truyền động sử dụng bộ truyền đai răng.


Chương 2: Phương án thiết kế

Phương án dùng đai răng sử dụng một vòng đai cao su khép
kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vừa
vào 2 pulley có cùng kính thước răng cưa của đai. Một pulley bắt
chặt vào trục động cơ, còn pulley kia được gắn vào một trục
quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể
quay tự do tại chỗ. Một đoạn của đai được gắn với bộ phận cần
trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận
cần trượt di chuyển theo.
Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc
độ động cơ và đường kính của lỗ. Một vòng của trục động cơ sẽ
làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của pulley
(thường là cỡ 20 - 30 mm). Phương án này có thể làm việc ở tốc
độ cao.

Tuy nhiên, do độ chính xác di chuyển thấp vì tính co giãn
của vật liệu làm đai có thể dẫn đến những sai lệch khi gia công.
Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu truyền động
gặp phải tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng với động cơ bước).
Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy
cần tốc độ di chuyển nhanh mà không cần công suất lớn, như
máy in, máy photocopy, máy cắt decan.
2.3.4. Phương án dùng xích.


Chương 2: Phương án thiết kế

Hình 2.3.4.1. Truyền động bằng xích
Tương tự như phương án dùng đai, chỉ khác là bánh đai
được thay bằng bánh xích, và dây đai được thay bằng dây xích
ăn khớp với bánh xích. Phương án này có ưu điểm là độ chính
xác cao vì ít giãn và không trượt. Tuy nhiên phương án này lại
cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên, đồng thời vẫn tồn tại vấn
đề trượt bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn (nếu dùng
động cơ bước).
 Lựa chọn phương án : Với việc chế tạo mô hình một máy khắc laser yêu
cầu về độ chính xác cao, bền, dễ dàng sữa chữa và thay thế khi hư hỏng xảy
ra, nên em quyết định chọn phương án truyền động bằng vít me đai ốc bi.
2.4.

Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho các trục.