Nghiên cứu, chế tạo máy khắc laser

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
***KHOA CƠ KHÍ***
BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY
---------o0o---------

THUYẾT MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS. PHẠM HOÀNG VƯƠNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN

: PHAN CHUNG HIẾU – MSV: 160301383
: ĐÀO XUÂN VINH – MSV: 160301421

LỚP

: CƠ ĐIỆN TỬ

KHÓA

: 57

HÀ NỘI-2020



Bộ giáo dục và đào tạo

Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt

Nam
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY
KHOA: CƠ KHÍ
Sinh viên: Phan Chung Hiếu – MSV: 160301383

Lớp: Cơ điện tử -Khóa:

57
Đào Xuân Vinh – MSV : 160301421
Tên và tóm tắt yêu cần, nội dung đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo máy khắc laser “
Số liệu cần thiết để thiết kế:
 Tham khảo thông số cần thiết của động cơ để tính toán được tra trong datasheet
của động cơ.
 Tính toán thiết kế bộ truyền ( tra trong giáo trình thiết kế hệ dẫn động cơ khí ).
 Các thông số khác được tra trong sách tham khảo chi tiết máy.
Nội dung của bản thuyết minh:
1. Tìm hiểu tình hình nghiên cứu máy khắc laser trong nước và thế giới.
2. Tổng quan CNC và Tổng quan Laser.
3. Hình thành phương án thiết kế tối ưu và cơ sở lý thuyết.
4. Thiết kế máy khắc laser: Tính toán động cơ, bộ truyền động và thiết kế cơ khí.
5. Chế tạo máy hoàn chỉnh, lập trình vận hành máy, kiểm tra và thử nghiệm sản phẩm.
6. Kết luận và hướng phát triển.
Các bản vẽ chính:
Các bản vẽ sơ đồ minh họa.

1


Những yêu cầu bổ sung thêm trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp hoặc
chuyên

đề:

…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Cán bộ hướng dẫn:
a. Giáo viên: TS. Phạm Hoàng Vương
b.

Cán

bộ

ngoài

sản

xuất:

…………………………………………………………………
Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp: 17/12/2020……….…………………………

Ngày

bắt

đầu

thiết

kế

tốt

nghiệp:

30/03/2020………………………………………….
TL\HIỆU TRƯỞNG

Ngày…..Tháng…..Năm 2020

Đã giao nhiệm vụ

TKTN
Trưởng Khoa

Trưởng Bộ môn

Đã nhận nhiệm vụ TKTN
Sinh viên: Phan Chung Hiếu
2

Giáo viên hướng dẫn


Đào Xuân Vinh
Lớp Cơ Điện Tử - Khóa: 57

3


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa Cơ Khí Trường Đại học Giao Thông Vận Tải. Các thầy cô đã luôn nhiệt tình dạy dỗ và tạo
điều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học đại học.
Em cũng xin cảm ơn tới thầy giáo TS. Phạm Hoàng Vương đã tận tình giúp đỡ và
chỉ bảo em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua. Em luôn tin rằng tri thức
và kinh nghiệm mà các thầy truyền đạt cho em là hành trang quý giá nhất với em trên
bước đường tương lai.
Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, người thân trong gia đình và các bạn
sinh viên trong tập thể lớp Cơ Điện Tử Khóa 57 đã ở bên ủng hộ và cho chúng tôi
những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 27 tháng 6 năm 2020
Sinh viên
Phan Chung Hiếu

TÓM TẮT
4

Đào Xuân Vinh

Thiết kế máy khắc laser là hướng nghiên cứu đang nhận được nhiều sự quan tâm
gần đây vì nhiều ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực, ngành nghề: ngành may mặc, cơ
khí, kim hoàn, khuôn mẫu, in ấn, dược phẩm… và cần thiết về mọi mặt trong đời sống.
Nhờ vào việc đa ứng dụng cũng như độ chính xác cao, đơn giản, thực hiện nhanh
chóng, máy khắc laser ngày càng trở lên phổ biến.
Bài luận án này trình bày quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm một hệ thống
hoàn thiện máy khắc laser. Phần chính của luận văn trình bày và phân tích các cụm
chức năng của một máy khắc laser trên cơ sở các phương án sẵn có trên thị trường
cũng như các phương án mới, từ đó làm cơ sở lựa chọn phương án thiết kế tốt nhất phù
hợp nhất với các yêu cầu được đưa ra:
Không gian in : 220x220 mm.
Các kết quả đạt được cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định, có thể đưa vào ứng
dụng thực tế.

5


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP........................................................i
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................iii
TÓM TẮT...................................................................................................................iv
MỤC LỤC.................................................................................................................... v
DANH SÁCH BẢNG BIỂU.....................................................................................viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ............................................................................................ix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.........................................................................................1
1.1 Tính cấp thiết của đề tài........................................................................................1
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..............................................................1
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.............................................................................1
1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu......................................................2
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu.....................................................................................2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu........................................................................................2
1.5 Phương án nghiên cứu..........................................................................................2
1.5.1 Cách thức nghiên cứu.....................................................................................2
1.5.2 Phương tiện nghiên cứu.................................................................................2
1.6 Tình hình nghiên cứu............................................................................................3
1.6.1 Trên thế giới...................................................................................................3
1.6.2 Trong nước.....................................................................................................5
1.6.3 Hướng nghiên cứu..........................................................................................6
1.7 Sơ lược về máy khắc laser....................................................................................6
1.7.1 Giới thiệu về máy khắc Laser.........................................................................6
1.7.2 Cấu tạo về máy khắc Laser diode...................................................................6
1.7.3 Nguyên lý hoạt động......................................................................................7
1.7.4 Các loại máy khắc laser..................................................................................7
1.8 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp................................................................................8
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LASER...................................................9
2.1 Tổng quan máy CNC............................................................................................9
2.1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC...............................................................9
2.1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển...........................................9
2.1.1.2 Cơ sở của máy CNC..............................................................................10
6


2.1.1.3 Đặc điểm và phân loại............................................................................11
2.1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số..........................................12
2.1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết........................................................12
2.1.2.2 Khối điều khiển......................................................................................12
2.1.2.3 Điều khiển Logic...................................................................................12
2.1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ thống CNC....................................13
2.1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển..................................................................14
2.1.3.1 Khái niệm và phân loại..........................................................................14

2.1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC từ máy vi tính..............15
2.1.3.3 Một số mã lệnh cơ bản...........................................................................17
2.1.4 Lợi ích của máy công cụ CNC.....................................................................19
2.1.4.1 Tự động hóa sản xuất.............................................................................19
2.1.4.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm..............................................19
2.1.4.3 Tính linh hoạt của máy công cụ CNC....................................................19
2.1.4.4 Phạm vi sử dụng máy CNC....................................................................19
2.2 TỔNG QUAN VỀ LASER.................................................................................20
2.2.1 NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN............................20
2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA LASER.....................................................................21
2.2.2.1 Cấu tạo laser..........................................................................................21
2.2.2.2 Nguyên lí hoạt động...............................................................................23
2.2.2.3 Phân loại................................................................................................23
2.2.2.4 Tính chất của tia laser............................................................................24
2.2.2.5 An toàn trong sử dụng tia laser..............................................................25
2.2.2.6 Ứng dụng tia laser..................................................................................25
2.2.2.7 Đi-ôt laser..............................................................................................27
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ......................30
3.1 Cơ sở chọn phương án thiết kế...........................................................................30
3.1.1 Phần cơ khí...................................................................................................30
3.1.2 Phần điện......................................................................................................33
3.1.3 Lựa chọn giải pháp.......................................................................................34
3.2 Cơ sở lý thuyết...................................................................................................36
3.2.1 Động cơ bước...............................................................................................36
3.2.2 Bộ truyền đai................................................................................................39
7


3.2.3 Mạch điều khiển...........................................................................................42
3.2.4 Mạch điều khiển động cơ A4988..................................................................43

3.2.5 Mạch driver laser..........................................................................................44
3.2.6 Vi điều khiển Arduino Uno R3.....................................................................45
3.2.7 ADAPTER...................................................................................................47
3.2.8 Đầu Laser 2W..............................................................................................47
CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER..............................50
4.1 Tính toán tốc độ quay của động cơ.....................................................................50
4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng..................................................................52
4.2.1 Cấu tạo và các thông số hình học của bộ truyền đai.....................................54
4.2.2 Các thông số của bộ truyền đai.....................................................................54
4.2.3 Ứng suất trong đai........................................................................................56
4.3 Thiết kế cơ khí....................................................................................................57
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM........................................................62
5.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển................................................................................62
5.2 Các bộ phận và cấu trúc cơ khí...........................................................................62
5.3 Các bộ phận và cấu trúc mạch điện....................................................................63
5.4 Lập trình điều khiển............................................................................................63
5.4.1 Cài đặt firmware cho máy khắc laser ( GRBL 1.1 ).....................................64
5.4.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy khắc laser..............................................66
5.4.3 Phần mềm điều khiển máy khắc laser..........................................................69
5.5 Quá trình thực nghiệm........................................................................................70
5.6 Sản phẩm thực tế................................................................................................71
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.........................................75
6.1 Kết luận..............................................................................................................75
6.2 Phần làm được....................................................................................................75
6.3 Phần chưa làm được...........................................................................................76
6.4 Hướng phát triển.................................................................................................76
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................79

8

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Mã lệnh CNC theo thứ tự Alpha..................................................................17
Bảng 2.2: Mã lệnh G cơ bản........................................................................................18
Bảng 2.3: Mã lệnh M cơ bản........................................................................................18
Bảng 3.1: Ưu điểm và nhược điểm của các loại động cơ.............................................30
Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các bộ truyền..................................................31
Bảng 3.3: Ưu điểm và nhược điểm của các loại vật liệu..............................................32
Bảng 3.4: Ưu điểm và nhược điểm của các cơ cấu di chuyển......................................33
Bảng 3.5: Ưu điểm và nhược điểm của PIC,ARM,ARDUINO....................................33
Bảng 3.6: Một vài thông số của Arduino.....................................................................45
Bảng 4.1: Thông số động cơ bước Step size 42 (NEMA17HS3401S).........................50

9


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Máy khắc laser công nghiệp...........................................................................4
Hình 1.2: Máy khắc laser mini.......................................................................................5
Hình 1.3: Các máy laser sản xuất trong nước................................................................5
Hình 2.1: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM.....................................................10
Hình 2.2: Cơ sở của các máy CNC..............................................................................10
Hình 2.3: Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề Các..................11
Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC............................................................13
Hình 2.5: Lưu đồ điều khiển hệ CNC..........................................................................14
Hình 2.6: Lưu đồ lập trình bằng máy...........................................................................15
Hình 2.7: Các loại tia laser...........................................................................................21
Hình 2.8: Cấu tạo tia laser...........................................................................................22
Hình 2.9: Kính chống bức xạ tia Laser........................................................................25
Hình 2.10: Ứng dụng laser trong cơ khí.......................................................................26

Hình 2.11: Ứng dụng laser trong y học........................................................................27
Hình 2.12: Ứng dụng laser trong giải trí......................................................................27
Hình 2.13: Đi-ôt laser red...........................................................................................28
Hình 2.14 : Các loại đi-ôt laser (635nm, 660nm, 520nm, 532nm, 405nm, 445nm).....29
Hình 3.1: Động cơ bước trong thực tế.........................................................................36
Hình 3.2: Động cơ biến từ trở......................................................................................37
Hình 3.3: Động cơ đơn cực..........................................................................................37
Hình 3.4: Động cơ hai cực...........................................................................................37
Hình 3.5: Động cơ nhiều pha.......................................................................................38
Hình 3.6: Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước....................................................38
Hình 3.7: Mối quan hệ F1 , F2 ,  , f.............................................................................40
Hình 3.8: Mạch điều khiển CNC shield V3.................................................................42
Hình 3.9: Driver A4988...............................................................................................43
Hình 3.10: Các chế độ vi bước.....................................................................................44
Hình 3.11: Driver laser................................................................................................44
Hình 3.12: Vi điều khiển Arduino Uno R3...................................................................45
Hình 3.13: ADAPTER.................................................................................................47
Hình 3.14: Đầu khắc laser............................................................................................47
10


Hình 3.15: Diode Laser................................................................................................48
Hình 3.16: Aixiz..........................................................................................................48
Hình 3.17: Tản nhiệt nhôm và quạt tản nhiệt...............................................................49
Hình 4.1 : Đai GT2 và Puly GT2.................................................................................53
Hình 4.2: Kích thước puly 20 răng – trục 5mm...........................................................53
Hình 4.3: Cấu tạo bộ truyền đai...................................................................................54
Hình 4.4: Lực tác dụng lên trục...................................................................................56
Hình 4.5: Kích thước nhôm định hình.........................................................................57
Hình 4.6: Bulong, đai ốc T, đai ốc M8.........................................................................58

Hình 4.7: Chân đế in 3D..............................................................................................58
Hình 4.8: Mô hình máy khắc laser...............................................................................59
Hình 4.9: Cơ cấu trục x, trục y và hướng chuyển động tịnh tiến các trục....................59
Hình 4.10: Gá laser......................................................................................................60
Hình 4.11: Gá động cơ trục X......................................................................................61
Hình 4.12: Gá động cơ 2 trục Y...................................................................................61
Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy khắc laser...................................................62
Hình 5.2: Lưu đồ điều khiển hệ thống.........................................................................64
Hình 5.3: Giao diện phần mềm xuất mã G-code (Inkscape)........................................66
Hình 5.4: Cài đặt vị trí, kích thước gia công và gốc tọa độ..........................................67
Hình 5.5: Phác họa hình ảnh........................................................................................68
Hình 5.6: Xuất ra mã Gcode ( Raster 2 Laser).............................................................69
Hình 5.7: Giao diện phần mềm điều khiển máy khắc laser (GRBL Controller)...........70
Hình 5.8: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 1...............................................................71
Hình 5.9: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 2...............................................................72
Hình 5.10: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 3.............................................................72
Hình 5.11: Hình khắc laser đơn giản............................................................................73
Hình 5.12: Hình khắc laser chân dung.........................................................................74
Hình 6.1: Máy khắc laser nhiều đầu khắc....................................................................77
Hình 6.2: Máy khắc laser điều khiển bằng smartphone...............................................77
Hình 6.3: Máy khắc laser cầm tay................................................................................78
Hình 6.4: Máy khắc laser nhiều trục............................................................................78

11


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Tính cấp thiết của đề tài
Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm
nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Bằng các công nghệ khác nhau có thể gia công được

những chi tiết dạng 2D, 3D. Tia laser được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực như
y tế, xây dựng, điện – điện tử và đặc biệt là trong cơ khí. Công nghệ laser đang ngày
càng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công
nghiệp hỗ trợ. Trên thế giới, phương pháp gia công bằng tia laser đã phát triển và hình
thành rất nhiều các công nghệ gia công khác nhau ứng dụng trong nhiểu lĩnh vực. Tại
Việt Nam, các thiết bị laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và
phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Các máy CNC cho
phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ
truyền thống không thể làm được. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC
có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho
công việc khác. Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác
có thể vẽ tranh, khắc chữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu
niệm, tranh ảnh để bàn một cách tự động nên nhóm đã thực hiện đề tài này.
1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Về mặt khoa học, máy cắt khắc laser đã giải quyết được vấn đề vẽ tranh, cắt các
biên dạng phức tạp trên các vật liệu khác nhau, có kích cỡ bất kỳ.
Máy cắt khắc laser cần thiết cho nhu cầu cắt khắc các loại, việc đáp ứng nhanh,
chính xác thực hiện trong thời gian ngắn.
1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài nghiên cứu: ‟Thiết kế và chế tạo máy cắt khắc laser” được thực hiện theo
các mục tiêu sau:
-

Thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy, theo cơ cấu 2 trục.
Xây dựng chương trình điều khiển máy cắt khắc theo bản vẽ thiết kế.
Máy có thể thao tác trên nhiều vật liệu khác nhau như: mica, gỗ, vải,…


1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

-

Các cơ cấu liên quan đến máy cắt khắc laser.
Các loại máy cắt khắc laser đã có trên thị trường.
Cách thức hoạt động của máy.
Điều khiển động cơ bước.
Giao tiếp và điều khiển bằng máy tính.
Nội suy đường thẳng, đường cong theo 2 trục.

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu
-

Thời gian nghiên cứu của đề tài khoảng năm tháng ( Tháng 1 – 6/2020 ).
Nghiên cứu tìm hiểu các máy móc ở xưởng của nhà trường có liên quan đến đề tài.
Sách chuyên ngành trong thư viện trường.
Các trang tài liệu về một số máy móc thiết bị của công ty có liên quan.
Nghiên cứu trên các lĩnh vực các máy tự động phục vụ trong nhà trường, trong
phòng thí nghiệm.

1.5 Phương án nghiên cứu
1.5.1 Cách thức nghiên cứu
-

Khảo sát thực tế, thông qua việc tham quan một số cơ sở cắt khắc laser.
Tìm hiểu một số đề tài nghiên cứu khoa học, có liên quan đến đề tài của nhóm.
Tham khảo các tài liệu trên các trang web và một số sách liên quan.

1.5.2 Phương tiện nghiên cứu
-

Sử dụng phần mềm NX thiết kế cơ khí cho đề tài.
Dùng phần mềm tự thiết kế bởi người dùng để lập trình cho mạch điều khiển chính.
Dùng driver A4988 để điều khiển động cơ bước.
Sử dụng mạch driver laser để điều khiển laser.

1.6 Tình hình nghiên cứu
1.6.1 Trên thế giới
Tia laser được biết đến lần đầu tiên vào năm 1960 tại phòng thí nghiệm nghiên cứu
California khi chiếu đèn flash công suất cao trên một thỏi ruby có bề mặt tráng bạc. Kể
từ đó lịch sử máy khắc laser ra đời và các tia laser được sử dụng rộng khắp: các phòng


thí nghiệm để cắt vật liệu trong vật lý lượng tử, các bệnh viện, siêu thị, sử dụng trong
thanh toán, mạng điện thoại…
Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering là nơi đầu tiên sản
xuất máy cắt khắc laser và được sử dụng để khoét các lỗ trên viên kim cương. Năm
1967, người Anh đi đầu trong việc cắt kim loại bằng tia laser với oxy là khí hỗ trợ.
Năm 1970, công nghệ này đã được đưa vào sản xuất để cắt titan dùng trong các ứng
dụng hàng không vũ trụ. Đồng thời tia laser CO2 được sử dụng để cắt phi kim như vải,
da, gỗ…bởi vào thời điểm đó, laser CO2 là không đủ mạnh mẽ để làm nóng chảy kim
loại.
Theo số liệu thống kê báo cáo thường niên năm 2000 của Tạp chí Laser công nghệ
giải pháp – một tạp chí có thẩm quyền trong ngành công nghệ laser của Mỹ: Năm
1999, tổng doanh số của hệ thống cắt laser trên toàn thế giới ( chủ yếu là hệ thống cắt
Laser CO2 ) là 3325, tổng trị giá 1,174 tỷ USD. Và ở Hoa Kỳ, có 2700 trạm xử lý
laser, trong đó 51% tham gia cắt laser.
Hiện nay, với sự đột phá về khoa học kỹ thuật các chuyên gia nước ngoài đã
nghiên cứu và phát triển thành công máy cắt khắc laser dựa trên sự hoạt động ổn định
của khung máy cnc và đang phát triển theo hướng tự động hóa. Máy cắt khắc laser đã
cải thiện được những nhược điểm cũ và được ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh trong đời

sống cũng như trong nền khoa học kĩ thuật. Có rất nhiều hãng laser hàng đầu như
Coherent (Hoa Kỳ), SPI (Vương Quốc Anh), Epilog (USA), GCC ( Đài Loan).
Vũ Hán Raycus là doanh nghiệp Trung Quốc đầu tiên tham gia vào nghiên cứu,
phát triển và sản xuất quy mô nguồn laser sợi quang công suất cao và thiết bị lõi và R
& D laser sợi lớn nhất cũng là công ty sản xuất có ảnh hưởng toàn cầu tại Trung Quốc.
Raycus có một nhóm nghiên cứu và phát triển thiết bị và nghiên cứu thiết bị quan
trọng hàng đầu quốc tế, nhiều công nghệ được cấp bằng sáng chế hàng đầu thế
giới. Các sợi laser được sản xuất bởi công ty chiếm 30% thị phần trong nước và chúng
được xuất khẩu sang châu Á, châu Âu, Mỹ, Trung Đông và các khu vực khác.
Nguồn Laser fiber Raycus nổi tiếng với sự ổn định và hiệu suất cao, hiệu quả của
nó là tuyệt vời. Đặt biệt nhà sản xuất còn cung cấp các phiên bản cao cấp, dòng này


cho ra công suất laser cao hơn công suất lý thuyết và chất lương rất cao để cho ra máy
khắc raycus với chất lượng cực cao.
IPG là một nguồn laser cao cấp do Đức sản xuất. Nó có một danh tiếng tốt cho
xuất sắc hoạt động ổn định và khả năng khắc tốc độ cao. Vì vậy, laser IPG thích hợp
cho việc sử dụng lâu dài, phù hợp với tự động hoặc dây chuyền sản xuất bán tự động.
Tốc độ khắc cao của IPG cũng giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.

Hình 1.1: Máy khắc laser công nghiệp

Hình 1.2: Máy khắc laser mini
1.6.2 Trong nước
Hiện tại trong nước ta đã có những công ty tự sản xuất được máy khắc lasrer và
xây dựng thương hiệu trong nước như NAMSON Laser.


Hình 1.3: Các máy laser sản xuất trong nước
Những chiếc máy khắc laser tự sản xuất trong nước cũng đã đáp ứng được những

yêu cầu sử dụng và đảm bảo chất lượng cao. Tuy nhiên do điều kiện chi phí cũng như
thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu còn khá cũ kỹ, lạc hậu, độ chính xác chưa cao và
chưa chế tạo được nguồn laser do đó việc chế tạo và thương mại hóa sản phẩm chưa
hoạt động rộng rãi. Một số linh kiện như nguồn laser và đa số máy khắc laser vẫn phải
nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành và chi phí vận chuyển cao.
1.6.3 Hướng nghiên cứu
Để giải quyết vấn đề cắt khắc các hình dạng phức tạp trên các vật liệu như mica,
vải, gỗ,… ngoài ra phải đảm bảo đạt năng suất cũng như độ chính xác cao của sản
phẩm. Qua nghiên cứu, nhóm nhận thấy để đáp ứng yêu cầu đáp ứng nhanh, chính xác,
độ cứng vững thì cấu hình tương tự máy CNC 2 trục được đưa ra và chọn lựa. Theo
một số tài liệu tham khảo và hiểu biết về thực tế, thì nhóm nhận thấy trong các loại cơ
cấu dạng 2 trục, thì việc sử dụng cơ cấu truyền đai là phổ biến nhất, khả năng tạo


chuyển động tốt, hạn chế được hư hỏng cơ cấu, khi quá tải hay sai sót, bên cạnh đó chi
phí hoàn thành cũng rẻ hơn khá nhiều so với các cơ cấu khác. Ngoài ra máy hoạt động
theo cấu hình 2 trục sử dụng bộ truyền đai có thể dễ dàng chỉnh sửa, thay thế hay lắp
ráp, đặc biệt giúp cơ cấu máy gọn nhẹ hơn. Từ đó, việc di chuyển của máy cũng trở
nên linh hoạt hơn.
1.7 Sơ lược về máy khắc laser
1.7.1 Giới thiệu về máy khắc Laser
Máy cắt khắc laser dùng nguồn laser công suất cao, qua hệ thống quang học tập
trung chùm tia laser đầu ra để cắt vật liệu. Máy khắc laser hoạt động dựa trên quá trình
điều khiển tự động của các công cụ gia công bằng máy tính, cắt khắc trên vật liệu (kim
loại, nhựa, gỗ, da,…) để biến nó thành sản phẩm có thông số kỹ thuật chính xác.
1.7.2 Cấu tạo về máy khắc Laser diode
Cấu tạo máy khắc laser diode gồm 3 bộ phận chính là phần chấp hành, phần điều
khiển, và nguồn laser.
Cũng như các loại máy khác, máy khắc laser có phần chấp hành ( hệ thống máy
chính ) bao gồm: khung máy, băng máy, cơ cấu chuyển động…Chức năng chính của

bộ phận này chính là tạo ra một hệ thống truyền động cơ chính xác. Giúp tạo ra đường
nét khắc laser trên gỗ, mica, da…cực chuẩn xác và đẹp mắt.
Phần điều khiển bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều khiển động cơ,
mạch điều khiển laser được giao tiếp với nhau để vận hành máy tốt nhất. Máy khắc
laser là thiết bị thông minh sử dụng điều khiển trực tiếp hoàn toàn trên thiết bị kết nối
đó là máy tính. Nó được coi là trái tim của công cụ điều khiển số CNC. Phần này sẽ
cần các phền mềm hỗ trợ, tạo ra lệnh khắc, được thực hiện bên trong bộ điều khiển,
thông báo động cơ chuyển động đúng số vòng cần thiết kéo theo các chuyển động và
bắt đầu thực hiện quá trình khắc vật liệu.
Nguồn laser hoạt động trên 2 yếu tố là khuyếch đại năng lượng đến ngưỡng cần
thiết và dẫn nguồn laser đến vị trí cần gia công. Tùy từng nguồn laser sẽ có cấu tạo
khác nhau, tuy nhiên thường sẽ có diode laser, thấu kính aixiz và quạt tản nhiệt.


1.7.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý chung của mọi máy khắc laser là cho nguồn điện đi qua nguồn laser
kích thích các phân tử chứa trong hoạt chất của laser, từ đó bức xạ tạo ra nguồn laser.
Chùm tia laser được sinh ra sẽ đi qua đầu in, hướng của chùm tia này được điều chỉnh
và hộ tụ tại một điểm qua thấu kính rồi chiếu trực tiếp lên bề mặt sản phẩm để tạo ra
bản in.
1.7.4 Các loại máy khắc laser
Hiện tại, trên thế giới có nhiều thương hiệu cung cấp các máy khắc Laser sử dụng
trong sản xuất công nghiệp như: Laser CO2, Laser Fiber, Laser UV, Laser DIY…
Mỗi loại máy khắc Laser trên được ra đời từ các loại hoạt chất phát xạ đặc trưng
như khí CO2, Nd: YVO4 (Vanadat), Ytterbium (Yb).
Với mỗi loại nêu trên, sẽ có cấu tạo và nguyên lý khác nhau. Tuy nhiên, chúng vẫn
hoạt động theo nguyên lý chung đã trình bày ở phía trên.


1.8 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm 6 chương với các nội dung sau:
-

Chương 1: Giới thiệu
Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên

cứu của đề tài, tình hình trong nước và ngoài nước, hướng nghiên cứu…
-

Chương 2: Tổng quan CNC và Tổng quan Laser
Trình bày tổng quan, sơ lược về CNC và Laser

-

Chương 3: Phương án và Cơ sở lý thuyết
Trình bày ưu nhược điểm các chi tiết, từ đó chọn ra phương án tối ưu nhất, cơ sở lý

thuyết của các chi tiết đó.
-

Chương 4: Tính toán thiết kế máy khắc laser
Tính toán thông số của máy như : thông số động cơ, thông số bộ truyền đai răng,

thiết kế phần cứng.
-

Chương 5: Chế tạo và thử nghiệm
Chế tạo, lắp ráp thành máy hoàn chỉnh, vận hành kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm.

-

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Trình bày các kết quả đã đạt và chưa đạt được, đề nghị và đưa ra hướng phát triển

cho đề tài.


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LASER
2.1 Tổng quan máy CNC
2.1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC
2.1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển
Điều khiển số ( Numerical Control ) ra đời với mục đích điều khiển các quá 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, rô-bốt, băng tải vận
chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và 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.
Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũ
trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng... là cao
nhất. Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừng
cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit... cho đến nay đã đạt đến 32
bit cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử
lý.
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 rôbốt 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 2.1 mô
tả tổ hợp CIM.

Hình 2.1: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM
2.1.1.2 Cơ sở của máy CNC
Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bàn
máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tín
hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác của
bàn máy trong hệ trục tọa độ được biểu diễn bởi hình 2.2

Hình 2.2: Cơ sở của các máy CNC
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNC
phải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải. Trong đó có
ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tương


ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và
các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ
Descarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z như hình 2.3.

Hình 2.3: Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề Các
2.1.1.3 Đặc điểm và phân loại
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểm
sau:
-

Truyền động: Thủy lực, khí nén và điện .....
Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo ...
Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp
Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.
Số trục tọa độ: 3 trục, 4 trục, 5 trục.....

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, có

thể được chia thành các nhóm sau:
-

Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang

-

quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài….
Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.
Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề
mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên công

-

bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài

-

phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ...
Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa…

2.1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số


2.1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ ( trong

băng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD ) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương
thích.
Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các số
liệu về dụng cụ cắt…được nạp vào bằng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ
điều khiển số của từng trạm gia công.
2.1.2.2 Khối điều khiển
Chức năng của khối điều khiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ
sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí của các trục từ Sensor
đo vị trí Encoder, và tốc độ các trục. Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu
chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối
hợp tạo nên biên dạng và điều khiển tốc độ các trục.
2.1.2.3 Điều khiển Logic
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối
đa, bố trí sắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới
hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ ), lệnh đóng
ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh
thay dụng cụ.
Đầu ra khối điều khiển Logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như : Van thủy lực,
van khí nén, các rơ-le…