thiết kế chế tạo máy khắc laser

MỤC LỤC

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................. I
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... II
MỤC LỤC ....................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................iii
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... v
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................... 2
1.1 Khái quát về máy khắc Laser ................................................................. 2
1.2 Sự hình thành và phát triển của laser ...................................................... 3
1.3 Một số máy khắc Laser hiện nay ............................................................ 4
1.3.1 Máy khắc Laser Fiber ...................................................................... 4
1.3.2 Máy Laser CO2 ............................................................................... 5
1.3.3 Một số máy khắc của sinh viên ........................................................ 6
1.4 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 8
1.5 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 8
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER ................... 10
2.1 Khối điểu khiển.................................................................................... 10
2.1.1 Phần mềm xử lí ảnh Inkscape ........................................................ 12
2.1.2 Phần điều khiển máy khắc Laser Lightburn ................................... 15
2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm .......................................................... 16
2.2.1 Arduino Uno R3 ............................................................................ 16
2.2.2 CNC Shield V3 .............................................................................. 20
2.2.3 Driver điều khiển động cơ bước A4988 ......................................... 22
2.2.4 Nguồn cho hệ thống ....................................................................... 25
2.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện ................................................................. 27

SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU

Trang i


MỤC LỤC

2.3 Cơ cấu chấp hành ................................................................................. 27
2.3.1 Động cơ bước ................................................................................ 27
2.3.2 Đầu công tác Laser Diode .............................................................. 34
2.4 Thiết kế khung và các trục của máy ..................................................... 42
2.4.1 Khung máy .................................................................................... 42
2.4.2 Các trục của máy ........................................................................... 46
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 499
3.1 Kết quả .............................................................................................. 499
3.2 Hướng phát triển ................................................................................ 577
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 588
PHỤ LỤC ................................................................................................... 599

SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU

Trang ii


DANH MỤC HÌNH ẢNH

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Công nghệ Laser.............................................................................. 2
Hình 1.2: Máy khắc Laser Fiber ...................................................................... 4
Hình 1.3:Máy cắt khắc Laser CO2 .................................................................. 5
Hình 1.4: Máy khắc Laser của sinh viên .......................................................... 7

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống............................................................................... 10
Hình 2.2: Ảnh định dạng Bitmap ................................................................... 12
Hình 2.3: Ảnh định dạng Vector ................................................................... 13
Hình 2.4: Giao diện phần mềm Inkscape ....................................................... 14
Hình 2.5: Giao diện xuất định dạng Vector ................................................... 15
Hình 2.6: Định dạng ảnh sau chỉnh sửa ......................................................... 15
Hình 2.7:Giao diện phần mềm Light Burn..................................................... 16
Hình 2.8: Arduino Uno R3 ............................................................................ 18
Hình 2.9: CNC Shield V3 ............................................................................. 21
Hình 2.10: CNC Shield V3 kết hợp cùng Driver A4988 ................................ 21
Hình 2.11: Driver điều khiển động cơ bước A4988 ....................................... 22
Hình 2.12: Sơ đồ nối dây A4988 ................................................................... 23
Hình 2.13: Sơ đồ kết nối của A4988.............................................................. 23
Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý của A4988 ......................................................... 24
Hình 2.15: Sơ đồ chân xác định vi bước ........................................................ 25
Hình 2.16: Nguồn tổ ong 12V5A .................................................................. 26
Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện .................................................................... 27
Hình 2.18: Động cơ bước .............................................................................. 28
Hình 2.19: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu .............................................. 30
Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý động cơ bước biến từ trở ................................... 30
Hình 2.21: Động cơ bước hỗn hợp ................................................................ 31
Hình 2.22: Điều khiển động cơ bước ............................................................. 32
Hình 2.23: Động cơ Step 42 sữ dụng trong đề tài .......................................... 33
Hình 2.24: Kích thước động cơ Step 42......................................................... 33
Hình 2.25: Cấu tạo cơ bản của laser .............................................................. 34

SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU

Trang iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.26: Laser Diode ................................................................................. 35
Hình 2.27: Đầu Laser 2.5W đã chọn ............................................................. 42
Hình 2.28: Thiết kế sơ bộ khung máy ............................................................ 44
Hình 2.29: Góc chân khung máy thực tế ....................................................... 45
Hình 2.30: Dây đai GT2 ................................................................................ 46
Hình 2.31: Mặt cắt dây đai GT2 .................................................................... 46
Hình 2.32: Trục Rotary ................................. Error! Bookmark not defined.8
Hình 3.1: Máy khắc Laser công suất 2.5W .................................................... 50
Hình 3.2: Hộp điều khiển máy khắc Laser ..................................................... 51
Hình 3.3: Cơ cấu căng đai trục X .................................................................. 51
Hình 3.4: Cơ cấu chuyển động trục Y ........................................................... 52
Hình 3.5: Công tắc hành trình ....................................................................... 53
Hình 3.6: Động cơ trục X .............................................................................. 53
Hình 3.7: Động cơ trục X .............................................................................. 54
Hình 3.8: Động cơ trục Y .............................................................................. 54
Hình 3.9: Trục Rotary ................................................................................... 55
Hình 3.10: Sản phẩm được gia công .............................................................. 56
Hình 3.11: Khắc logo CTUT lên gỗ .............................................................. 56
Hình 3.12: khắc logo CTUT lên mica ............................................................ 57

SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU

Trang iv


DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3 ........................................ 19
Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật của A4988 ................................................ 24

SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU

Trang v


LỜI NÓI ĐẦU

LỜI NÓI ĐẦU
Đất nước ta đang bước vào thời kì công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước với
nhiều thuận lợi và khó khăn thách thức. Sự phát triển nhanh chóng của Cách mạng
khoa học nói chung trong lĩnh vực tự động hóa nói riêng làm cho bộ mặt xã hội đất
nước biến đổi từng ngày từng giờ. Chính vì thế việc cần thiết nhất là ứng dụng các
tiến bộ về khoa học kỹ thuật vào sản xuất chế tạo nhằm tạo ra những sản phẩm có
năng suất, chất lượng cao, giá thành hợp lí ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối
với những nước đang trong thời kì phát triển như nước ta.
Gần đây, phong trào tự chế máy CNC (Computer Numerical Control), Laser đã
và đang được nhiều bạn sinh viên quan tâm. Tuy nhiên trong quá trình chế tạo vẫn
còn nhiều hạn chế. Do đó, để cập nhật kiến thức đồng thời giúp các bạn học sinh ,
sinh viên hiểu nhiều hơn về máy CNC, Laser chính là lí do ra đời của đề tài “ Thiết
Kế Chế Tạo Máy Khắc Laser”.
Việt Nam đã và đang có nền công nghiệp phát triển năng động, vì thế cũng không
thể đứng ngoài trào lưu công nghệ, các mặt của đời sống sản xuất điều cần có sự tiến
bộ so với bạn bè quốc tế. Ứng dụng công nghệ CNC, Laser hiện nay đang rất cần
thiết cho quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa. Giúp nâng cao năng suất sản xuất,
giảm thiểu chi phí đầu tư , tăng cấp chính xác, đáp ứng nhu cầu cạnh tranh hiện nay.

Em hy vọng đề tài này sẽ đóng góp vào phục vụ đời sống sản xuất, nâng cao năng
suất lao động.
Nâng cao ý thức tự học, tự nghiên cứu trong học sinh, sinh viên đặc biệt là các
sinh viên của trường Đại học Kỹ Thuật - Công Nghệ Cần Thơ.
Có thể phát triển xa hơn với việc đưa sản phẩm ra thị trường, hạn chế việc phải
phụ thuộc vào các nguồn sản phẩm nhập ngoại, giúp hạ giá thành sản phẩm cũng như
đưa việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật vào sâu trong đời sống sản xuất.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 1


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Khái quát về máy khắc Laser
Trong thập kỷ qua, công nghệ cắt, khắc Laser đã phát triển vượt bật và trở thành
ngành công nghệ tiên tiến tiên tiến, hiện đại nhất, sản phẩm của nó đều có chất lượng
cao, đẹp mắt và tinh xảo. Sản phẩm từ công nghệ Laser có tính ứng dụng cao trong
đời sống, sản xuất và nghệ thuật nhân loại.

Hình 1.1: Công nghệ Laser
Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation trong tiếng anh có nghĩa là “ khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích
”. Theo thuyết lượng tử thì trong một nguyên tử, các electron tồn tại ở các mức năng
lượng riêng biệt và rời rạc. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ
đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở phía ngoài sẽ có mức
năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa
học từ bên ngoài, các electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức

năng lượng cao hay ngược lại, gọi là chuyển dời trạng thái. Các chuyển dời có thể
sinh ra hay hấp thụ lượng tử ánh sáng hay photon theo thuyết lượng tử của Albert

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 2


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Einstein. Bước sóng (liên quan đến màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh
lệch năng lượng giữa các mức.
Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng
chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các linh kiện bán dẫn
như điốt laser. Laser có trong rất nhiều ứng dụng, như làm mắt đọc đĩa quang
CD/DVD, máy in laser, máy quét mã vạch, công cụ trình tự DNA, internet cáp quang,
truyền dữ liệu trong không gian vũ trụ, máy cắt, máy hàn, máy phẫu thuật laser, tẩy
mụn ruồi, nhắm bằng laser. Trong quân đội laser được dùng để đánh dấu, đo khoảng
cách và tốc độ của mục tiêu. Trong giải trí laser được sử dụng trong các sân khấu như
hòa âm ánh sáng.
1.2 Sự hình thành và phát triển của laser
Tia laser được biết đến lần đầu tiên bằng một thí nghiệm tình cờ của nhà vật lý
Theodore Maiman, thông 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 chuyên 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 phòng thí nghiệm

Bell đã độc lập phát triển thành công điốt 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,…
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, công nghệ này bắt đầu được đưa
vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hang không vũ trụ. Sau đó
thay vì sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với sự bổ trợ của

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 3


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

khí CO2, và từ đó máy cắt laser CO2 ra đời. Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi
kim, vải da,… chứ không 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.
Ưu điểm lớn của máy cắt laser so với các công nghệ cơ khí khác là công cụ kẹp
phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi. Độ chính xác có thể nói là hoàn hảo,
tia cũng không bị mòn trong quá trình cắt. Máy cắt laser hiện đại giúp giảm cong
vênh của vật liệu khi cắt, các hệ thống lase có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ. Với
kim loại, kim cương và một số vật liệu khác sẽ rất khó hoặc không thể cắt được bằng
các công cụ truyền thống, đó là lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy hết sức
mạnh của nó. Hiện nay trên thị trường có 3 nguồn cắt laser chủ yếu là CO2 laser,

YAG laser và Fiber laser.
1.3 Một số máy khắc Laser hiện nay
1.3.1 Máy khắc Laser Fiber
Hiện nay, máy khắc laser kim loại đã và đang được sử dụng rất nhiều trong sản
xuất. Với tính chất của tia laser, cho phép chúng ta sử dụng và đưa ra rất nhiều sản
phẩm vô cùng chất lượng. Đặc biệt, với chùm tia laser fiber cho phép khắc trên kim
loại, tất cả các kim loại đều được tia fiber khắc rất nhẹ nhàng, sắc nét tuyệt đối.

Hình 1.2: Máy khắc Laser Fiber

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 4


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Ưu điểm:
- Tính chất của tia Laser khắc trên kim loại cho tốc độ nhanh từ 1000 - 5000 mm/s
cùng nhiều chế độ màu sáng, tối, ghi thông qua việc điều chỉnh tần suất tia laser fiber.
- Máy khắc kim loại sử dụng tia fiber có tốc độ rất nhanh, chùm tia chính xác đến
0.0001 mm cho phép tạo hình chính xác nhất.
- Máy có cấu tạo phức tạp với công nghệ laser fiber - một công nghệ mới trong
ngành sản xuất công nghiệp hiện nay.
- Với khả năng khắc trên kim loại, máy khắc laser fiber cho phép khắc logo, hình
ảnh, nội dung, thông số kỹ thuật trên tất cả kim loại nhanh chóng và tiện lợi.
Sử dụng chùm tia laser nên máy khắc fiber có khả năng khắc nhiều điểm trong
cùng một lúc, rút ngắn thời gian sản xuất với tốc độ lên tới 1000mm/s.
Đặc điểm máy khắc laser kim, máy khắc laser kim loại mini loại nhanh chóng và
sắc nét với nhiều chế độ khắc khác nhau, nhiều kiểu cách và mầu sắc tùy chọn, tia

laser fiber vẫn luôn là lựa chọn hàng đầu với khách hàng có nhu cầu khắc kim loại.
Nhược điểm:
- Kích thước vùng làm việc nhỏ, chỉ phù hợp cho việc gia công các chi tiết nhỏ
cần có sự chi tiết cao.
- Chi phí đầu tư rất lớn so với các sản phẩm máy khắc Laser có trên thị trường
hiện nay.
- Máy chỉ phù hợp cho những công việc nhất định, không áp dụng cho đa dạng
nhu cầu sữ dụng máy đa năng hiện nay.
1.3.2 Máy Laser CO2

Hình 1.3:Máy cắt khắc Laser CO2

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 5


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Công nghệ cắt Laser CO2 là một trong những phương pháp cắt Laser sớm nhất
được phát hiện vào năm 1964. Máy cắt Laser CO2 là loại máy cắt hoạt động dựa vào
tác động của khí CO2 được kích thích điện cung cấp những nguồn sáng chất lượng
với năng suất cao nên được sử dụng khá phổ biến hiện nay. Công nghệ Fiber Laser
yếu thế hơn công nghệ CO2 Laser khi sử dụng cho các loại vật liệu dày, thường là từ
5mm trở lên. Với độ dày này thì máy cắt Laser CO2 sẽ nhanh hơn khi khắc các nét
thẳng hay cắt xuyên qua vật liệu. Ngoài ra còn có ưu điểm là máy Laser CO2 sẽ tạo
ra bề mặt mượt hơn khi cắt vật liệu dày. Tuy nhiên dù sử dụng công nghệ cắt Laser
nào cũng được đánh giá cao hơn, đem lại lợi ích lý tưởng hơn so với công nghệ cắt
plasma.
Ưu điểm:

-

Tốc độ cắt khắc nhanh chóng

-

Cắt khắc có độ chính xác cao

-

Tạo ra được những đường cắt khắc đẹp mắt

-

Thực hiện gia công được trên nhiều vật liệu khác nhau như vải, da, gỗ, nhựa,
mica, giấy,...

-

Không gây ảnh hưởng, làm biến đổi cấu tạo, thành phần của vật liệu gia công.

-

Máy cắt laser hoạt động luôn ổn định

Nhược điểm:
-

Kích thước cồng kềnh.

-

Chi phí đầu tư cao chỉ phù hợp cho doanh nghiệp và công nghiệp.

-

Phần mềm điều khiển khá phức tạp đòi hỏi tay nghề của người vận hành.

-

Khó khăn trong việc chỉnh tia hội tụ.

-

Laser CO2 khi vận hành thải khí gây ô nhiểm môi trường và độc hại cho người
sữ dụng.

-

Khó khăn trong việc vệ sinh bảo trì.

1.3.3 Một số máy khắc của sinh viên
Với việc được tìm hiểu và tiếp cận với công nghệ trong môi trường năng động sáng
tạo, nhiều bạn học sinh, sinh viên đã bắt tay nghiên cứu và chế tạo cho riêng mình
những dòng máy khắc, cắt Laser khác nhau. Tuy nhiên hầu hết trong số đó là để thỏa

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 6

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

đam mê tìm tòi học hỏi công nghệ nên các sản phẩm máy khắc, cắt Laser còn thô sơ
và vận hành với độ chính xác không cao.

Hình 1.4: Máy khắc Laser của sinh viên
Ưu điểm:
-

Nhỏ gọn, chi phí thấp.

-

Vận hành đơn giản, trực quan với người dùng.

-

Thích hợp cho việc nghiên cứu, thực hiện đồ án môn học.

Nhược điểm:
-

Chất lượng sản phẩm khắc chưa cao.

-

Kích thước vùng làm việc hạn chế.

-

Độ bền chưa cao do sử dụng linh kiện kém chất lượng.

-

Giới hạn về số trục làm việc (thường chỉ tối đa 2 trục X, Y).

-

Mức độ hoàn thiện chưa cao.

Kết luận: Từ việc đi nghiên cứu, đánh giá nhận xét rút kinh nghiệm từ những loại
máy trên trong đề tài này việc thiết kế một máy khắc Laser phải đảm bảo được các
ưu điểm nổi bật , đồng thời loại bỏ những điểm yếu cố hữu. Sản phẩm hoàn thiện
trong đề tài phải đáp ứng được các tiêu chí sau đây:
-

Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng di chuyển, vùng vận hành vừa phải đảm bảo tối

đa công suất trục chính (đầu Laser Diode).

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 7


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

-

Chất lượng sản phẩm khắc ở mức cao.

-

Máy có độ bền cao, cứng vững, dễ dàng tháo lắp, vệ sinh.

-

Sai số các trục thấp.

-

Sữ dụng đa dạng các nhu cầu khác nhau từ nghiên cứu đến thực tiễn.

-

Sữ dụng được trên nhiều vật liệu khác nhau.

-

Phần mềm điều khiển trực quan dễ sữ dụng.

-

Gia công được trên mặt phẳng, mặt cong và các chi tiết có bậc.

1.4 Đối tượng nghiên cứu
Nhận thấy được những ưu nhược điểm của từng loại máy Laser đã có hiện nay
nhằm phát huy những ưu điểm đã có, hạn chế những nhược điểm còn tồn động đề tài
sẽ nghiên cứu chế tạo một máy laser hoàn chỉnh dựa trên những máy khắc laser sẵn

có từ đó cải tiến, hoàn thiện thêm để hoàn thành một máy khắc tiện lợi, kích thước
nhỏ gọn, gia công được trên các biên dạng khác nhau như: mặt phẳng, đường cong,
các chi tiết có dạng hình trụ, vật tròng xoay..., khắc được một số vật liệu cơ bản có
bề mặt dễ cháy như gỗ, vãi, da, mica, nhựa...Phù hợp với nhiều đối tượng sữ dụng từ
nghiên cứu đến cá nhân lẫn doanh nghiệp.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
Để phục vụ cho quá trình nghiên cứu chế tạo máy khắc laser cần dựa vào lý thuyết
của một số môn học như cơ học máy, lý thuyết điều khiển tự động, kỹ thuật số….kết
hợp với những môn chuyên ngành về cơ khí lẫn điện tử và điều khiển, ngoài ra còn
tham khảo các tài liệu trên internet về những kiến thức bổ trợ, các phần mêm vận
hành cũng như thiết kế máy để có thể phân tích và chọn ra phương án thiết kế máy
khắc laser phù hợp nhất thỏa mãn yêu cầu của đề tài.
Bên cạnh đó còn sử dụng các phần mềm mã nguồn mở để phục vụ nghiên cứu,
thiết kế bộ điều khiển, lập trình, xây dựng bản vẽ,…nhằm hoàn thành báo cáo thuyết
minh không vi phạm bản quyền phần mềm như sau:
Thiết kế mạch điện với phần mềm Fritzing (fritzing.org).
Lập trình vi điều khiển với ngôn ngữ lập trình Arduino (arduino.cc).
Phần mềm xử lí ảnh Inkscape (Inkscape.org) phục vụ cho việt xuất ảnh sang định
dạng bitmap hoặc vector.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 8


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Sử dụng phần mềm Lightburn (lightburn.co) để điều khiển máy laser.
Phần mềm Inventor (autodesk.com) để thiết kế bản vẽ cho đề tài.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 9


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống
2.1 Khối điểu khiển
Khối điều khiển có chức năng thực hiện chương trình gia công trên cơ sở dữ liệu
sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài, nhận các giá trị về vị trí của các trục và tốc dộ của
chúng, thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ trục
chính, động cơ của các trục riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và điều khiển tốc
độ các trục. khối điều khiển gồm các thành phần cơ bản như sau:
Màn hình: Dùng để hiện thị giá trị tọa độ hiện tại của hệ thống, trạng thái làm việc
cũng như tất cả các thông số của toàn hệ thống.
Các khối ra vào (I/O) các bộ phận truyền động liên kết với CPU thông qua một
Bus hệ thống. Các khối Flash + Eam để lưu trữ các chương trình điều khiển, dữ liệu
máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong CPU.
Chương trình điều khiển là phần mềm được viết bằng ngôn ngữ lập trình và lưu
giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ, đĩa CD hoặc bộ nhớ nào đó) sau đó được nạp
vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích với nhiệm vụ tập hợp, chuyển đổi và
nạp các tín hiệu điều khiển máy đã được mã hóa từ các chữ cái, số, hình ảnh và một

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 10

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

số ký tự đặc biệt khác. Chương trình điều khiển này được ghi vào cơ cấu mang chương
trình dưới dạng mã số ( mã thập phân, nhị phân…)
Với sự hổ trợ của các cương trình điều khiển tiên tiến hiện nay ta có thể:
Tiến hành gia công tương đối đơn giản nhanh chóng và chính xác, hạn chế tối đa
những lổi phát sinh do con người, không cần thực hiện các tính toán bằng tay vì những
tính toán này điều do chương trình điều khiển thực hiện.
Chỉ cần truy nhập một số dữ liệu có thể cho ra một số khối lượng lớn các số liệu
kết quả cho nhiệm vụ gia công.
Ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ hiểu mà các từ của nó hợp thành bởi những
khái niệm phổ biến trong ngôn ngữ chuyên môn kỹ thuật gia cồn.
Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình
công tác cần thực hiện.
Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, nhập
và cắt nghĩa một chương trình gia công để thực hiện các lệnh tuần tự như đã được
thiết lập trước đó. Khi đọc chương trình, hệ điều khiển kích hoạt thích hợp các chức
năng của máy, tạo chuyển động trục và thực hiện theo các chỉ dẫn cho trước trong
chương trình. Các hệ điều khiển CNC hiện đại điều cho phép sữa đổi các chương
trình nếu tìm thấy lổi, thực hiện các chức năng kiểm tra ( như chạy mô phỏng ) trước
khi gia công thật trên máy, ngoài ra còn cho phép tách một số dữ liệu không quan
trọng không cần đưa vào chương trình. Nói chung một hệ điều khiển CNC cho phép
người sử dụng lập và kiểm tra chương trình gia công, cũng như điều khiển máy một
cách thuận tiện nhất.
Bộ nhớ RAM và ROM
Bộ nhớ là thành phần quan trọng thứ hai trong hệ thống, không có bộ nhớ thì hệ
thống không thể hoạt động được, trong máy tính có hai loại bộ nhớ hay dùng nhất là
RAM và ROM
Bộ nhớ RAM ( Random Access Memory - Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên Bộ nhớ

này lưu các chương trình phục vụ trực tiếp cho quá trình xử lý của CPU, bộ nhớ RAM
chỉ lưu trữ dữliệu tạm thời và dữ liệu sẽ bị xoá khi mất điện.
Bộ nhớ ROM ( Read Olly Memory - Bộ nhớ chỉđọc ) : đây là bộ nhớ cố định, dữ

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 11


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

liệu không bị mất khi mất điện, bộ nhớ này dùng để nạp các chương trình BIOS (
Basic Input Output System - Chương trình vào ra cơ sở ) đây là chương trình phục vụ
cho quá trình khởi động máy tính và chương trình quản lý cấu hình của máy.
2.1.1 Phần mềm xử lí ảnh Inkscape
- Định dạng ảnh Bitmap
Bitmap ( raster image ) là một dạng lưới ảnh gồm một loạt các chấm pixel nhỏ.
Mỗi pixel là một hình vuông gán với một màu và vị trí khác nhau tạo nên hình ảnh.
Định dạng phổ biến của bitmap được sử dụng trên web là PNG, JPG, BMP, JPEG và
GIF. Đồ hoạ của bitmap có thể chỉnh sửa bằng cách xoá và thay đổi màu của từng
pixel, sử dụng phần mềm chuyên dụng là Photoshop.

Hình 2.2: Ảnh định dạng Bitmap
Ưu điểm:
Vì ảnh bitmap có nhiều hiệu ứng in và màu đa dạng hơn vector, nên rất phù hợp
cho bạn chỉnh sửa hình ảnh chuyên nghiệp và sửa đổi ấn phẩm in ấn chuyên sâu.
Hiện nay có khá nhiều phần mềm hỗ trợ cho phép bạn chuyển và xử lí ảnh bitmap
sang phần mềm khác mà không làm giảm chất lượng
Thích hợp để in các ấn phẩm quảng cáo khổ nhỏ như poster, card visit, tờ rơi, bìa
tạp chí…

Nhược điểm:
Khi file bitmap của bạn không đạt chuẩn độ phân giải thì sản phẩm in ra sẽ gặp
tình trạng vỡ, mờ ảnh khi phóng to.Vậy làm thế nào để khắc phục nhược điểm ảnh
nhoè. Đơn giản thôi, bạn cần tăng mật độ các điểm pixel của ảnh. Hãy chú ý đến các
đơn vị đo lường như DPI ( số chấm trên mỗi inch ) hoặc PPI ( số pixel trên mỗi inch).

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 12


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

- Định dạng ảnh Vector
Khác với bitmap, hình ảnh vector không dựa trên mẫu pixel mà sử dụng các công
thức toán học tập hợp các đường thẳng và đường cong, từ đó tạo ra hình tròn hoặc
hình đa giác. Vector được lưu phổ biế dưới dạng PDF, CMD, AI… Vector sữ dụng
phần mềm chuyên dụng là Adobe Illustrator hoặc Corel. Vì phải lưu trữ thông tin
màu cho từng pixel riêng lẻ, hình ảnh bitmap thường chiếm nhiều không gian hơn
ảnh vector. Bạn có thể dễ dàng phân biệt bitmap và vector bằng cách phóng to hình
ảnh. Khi ảnh bitmap được phóng to, những pixel riêng lẻ trở nên rõ hơn, tạo thành
các cạnh lởm chởm làm cho tổng thể hình ảnh trở nên mờ đi. Ngược lại, dù hình ảnh
vector bị phóng to vẫn sẽ mịn như ban đầu.

Hình 2.3: Ảnh định dạng Vector
Ưu điểm:
Khác với bitmap, bạn vẫn sẽ có hình ảnh chất lượng tốt dù xuất file với kích thước
lớn, bởi đặc điểm tự động cập nhật lại điểm ảnh, số lượng và vị trí của điểm đó.
Bạn có thể thoải mái phóng to hay thu nhỏ hình ảnh mà không làm mờ, gỉam chất
lượng hình ảnh vector.

Thích hợp để in các ấn phẩm khổ lớn như logo công ty, backdrop, standee, banner
bởi độ sắc nét cao.
Nhược điểm:
Vì ảnh vector giới hạn các tone màu cơ bản nên khi xử lí file vector, bạn sẽ gặp
khó khăn trong việc xử lí màu hơn.
Tổng kết
Như vậy, có thể nhận thấy ảnh vector thường được lựa chọn nhiều hơn bởi sự thay
đổi kích thước linh hoạt, sản phẩm xuất ra yêu cầu ảnh ít dung lượng hơn ảnh bitmap.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 13


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Bên cạnh đó, ảnh vector khi hiển thị trên màn hình độ phân giải cao hoặc máy in sẽ
sắc nét hơn bitmap. Tuy nhiên, hiện nay các thiết bị đầu ra như máy in, máy chiếu
đều sử dụng thiết bị thiết bị raster, điều này đồng nghĩa tất cả các đối tượng bao gồm
ảnh vector trước khi xuất ra đều phải chuyển sang dạng ảnh bitmap. Vì thế ảnh bitmap
vẫn đóng vai trò cần thiết, và rất quan trọng đối với designer làm trong lĩnh vực thiết
kế in ấn.
Inkscape là một trình soạn thảo đồ họa vector miễn phí và mã nguồn mở. Phần
mềm này có thể được sử dụng để tạo hoặc chỉnh sửa đồ họa vector như minh họa, sơ
đồ, nghệ thuật vẽ đường, biểu đồ, logo và các bức tranh phức tạp. Định dạng đồ họa
vector chính của Inkscape là Đồ họa vectơ có thể mở rộng (SVG); tuy nhiên, nhiều
định dạng khác có thể được nhập và xuất.
Ưu điểm của Inkscape:
- Vector hóa được nhiều định dạng ảnh bitmap
- Xuất ra Vector phóng tỉ lệ bất kì

- Phù hợp cho học tập và nghiên cứu.

Hình 2.4: Giao diện phần mềm Inkscape

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 14


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Hình 2.5: Giao diện xuất định dạng Vector

Hình 2.6: Định dạng ảnh sau chỉnh sửa
2.1.2 Phần điều khiển máy khắc Laser Lightburn
LightBurn là phần mềm chỉnh sửa cũng như ứng dụng điều khiển cho máy cắt
laser. Nó cho phép bạn nhập các tác phẩm nghệ thuật trong nhiều định dạng tệp hình
ảnh và đồ họa vector phổ biến bao gồm PDF, SVG, PNG, JPG, GIF và BMP, v.v.
Bạn cũng có thể sắp xếp, chỉnh sửa cũng như tạo các hình dạng vector mới trong trình
chỉnh sửa với một số tính năng rất mạnh như thao tác boolean, hàn và chỉnh sửa nút.
Light Burn cho phép bạn áp dụng các cài đặt như tốc độ, sức mạnh, thứ tự cắt, chế
độ hoà sắc, độ sáng và độ tương phản. Ứng dụng này đã được thiết kế để hoạt động

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 15


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

với laser của bạn mà không cần sử dụng phần mềm bổ sung.
Hỗ trợ các bộ điều khiển dựa trên Ruid, Trocen và GCode. Các bộ điều khiển
Gcode được hỗ trợ bao gồm Smoothieware, Grbl, Grbl-LPC và Marlin. Tất cả trong
tất cả Light Burn là một bố cục hùng vĩ, chỉnh sửa cũng như ứng dụng điều khiển cho
máy cắt laser.

Hình 2.7:Giao diện phần mềm Light Burn
- Import được đa dạng các định dạng hình ảnh khác nhau
- Chuyển đổi định dạng ảnh trực tiếp không thông qua phần mềm chỉnh sửa định
dạng ảnh nào khác
- Điều chỉnh được tốc độ, chế độ khắc, cắt
- Hổ trợ cắt, khắc trên trục Rotary.
2.2 Thiết kế bộ điều khiển trung tâm
2.2.1 Arduino Uno R3
Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng Arduino
(các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng
dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm
một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc
ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB,
6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng
khác nhau.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 16


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang

đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên
và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường
thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những
người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát
hiện chuyển động. Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy
trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình
cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++.
Một mạch Arduino bao gồm một vi điều khiển AVR với nhiều linh kiện bổ sung
giúp dễ dàng lập trình và có thể mở rộng với các mạch khác. Một khía cạnh quan
trọng của Arduino là các kết nối tiêu chuẩn của nó, cho phép người dùng kết nối với
CPU của board với các module thêm vào có thể dễ dàng chuyển đổi, được gọi là
shield. Vài shield truyền thông với board Arduino trực tiếp thông qua các chân khác
nhau, nhưng nhiều shield được định địa chỉ thông qua serial bus I²C-nhiều shield có
thể được xếp chồng và sử dụng dưới dạng song song. Arduino chính thức thường sử
dụng các dòng chip megaAVR, đặc biệt là ATmega8, ATmega168, ATmega328,
ATmega1280, và ATmega2560. Một vài các bộ vi xử lý khác cũng được sử dụng bởi
các mạch Arduino tương thích.
Hầu hết các mạch gồm một bộ điều chỉnh tuyến tính 5V và một thạch anh dao
động 16 MHz (hoặc bộ cộng hưởng ceramic trong một vài biến thể), mặc dù một vài
thiết kế như LilyPad chạy tại 8 MHz và bỏ qua bộ điều chỉnh điện áp onboard do hạn
chế về kích cỡ thiết bị. Một vi điều khiển Arduino cũng có thể được lập trình sẵn với
một boot loader cho phép đơn giản là upload chương trình vào bộ nhớ flash on-chip,
so với các thiết bị khác thường phải cần một bộ nạp bên ngoài. Điều này giúp cho
việc sử dụng Arduino được trực tiếp hơn bằng cách cho phép sử dụng 1 máy tính gốc
như là một bộ nạp chương trình.
Board Arduino sẽ đưa ra hầu hết các chân I/O của vi điều khiển để sử dụng cho
những mạch ngoài. Diecimila, Duemilanove, và bây giờ là Uno đưa ra 14 chân I/O
kỹ thuật số, 6 trong số đó có thể tạo xung PWM (điều chế độ rộng xung) và 6 chân
input analog, có thể được sử dụng như là 6 chân I/O số. Những chân này được thiết

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 17


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

kế nằm phía trên mặt board, thông qua các header cái 0.10-inch (2.5 mm). Nhiều
shield ứng dụng plug-in cũng được thương mại hóa. Các board Arduino Nano, và
Arduino-compatible Bare Bones Board và Boarduino có thể cung cấp các chân header
đực ở mặt trên của board dùng để cắm vào các breadboard.

Hình 2.8: Arduino Uno R3
Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:
Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện.
Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board.
Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây. Kích thước của vùng nhớ
này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KB
flash memory. Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi / xoá.
RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù
lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh. Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần.
EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi /
xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ. Để đọc / ghi dữ liệu ta có
thể dùng thư viện EEPROM của Arduino.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 18

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật của Arduino Uno R3
Vi điều khiển

Atemega 328P

Điện áp hoạt động

5V

Điện áp khuyên dùng

7-12V

Điện áp giới hạn

6-20V

Digital I/O pin

14

PWM Digital I/O pins

6

Analog Iput pins

6

Dòng trên mỗi I/O pin

20mA

Dòng trên mỗi pin 3.3V

50mA

Flash Memory

32 KB ( ATMEGA328p)

SRAM

2KB

EPROM

1KB

Tốc độ

16MHz

Chiều dài

68.6

Chiều rộng

53.4

Chiều cao

25

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt:
2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận (receive –
RX) dữ liệu TTL Serial. Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2
chân này. Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không
dây. Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không
cần thiết

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 19


CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ
phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite().
Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V
đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác.
Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ngoài các chức
năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI
với các thiết bị khác.
LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L). Khi bấm nút
Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu. Nó được nối với chân số 13. Khi

chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng.
Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit
(0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V. Với chân AREF trên
board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog. Tức là
nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo
điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit.
Lập trình cho Arduino: Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng
ngôn riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói
chung. Và Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một
số khác thì gọi là C hay C/C++.
2.2.2 CNC Shield V3
CNC shield V3 là shield mở rộng dành cho Arduino Uno, cho phép điều khiển
các máy khắc laser, máy phay cnc hoặc máy in 3D mini. Shield cho phép điều khiển
tối đa 4 động cơ bước thông qua driver A4988 hoặc DRV8825 (có các jumper để điều
khiển động cơ bước theo chế độ full step, haft step, 1/4, 1/8 hoặc 1/16). Ngoài ra còn
có thể gắn thêm các công tắc hành trình cho các trục X, Y, Z, E (dành riêng cho máy
in 3D) hay điều khiển đầu khắc CNC, đầu khắc laser và quạt tản nhiệt.

SVTH: Đặng Hoàng Nhu

Trang 20