Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy laser cnc khắc tranh nghệ thuật

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

NGUYỄN XUÂN ĐẠO

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY LASER CNC
KHẮC TRANH NGHỆ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Hà Nội – 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

NGUYỄN VĂN ĐẠO

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY LASER CNC
KHẮC TRANH NGHỆ THUẬT

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Hà Nội - 2019

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Nguyễn Xuân Đạo
Đề tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy laser CNC khắc tranh
nghệ thuật.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử
Mã số SV: CB160077
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn
xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng
ngày 05/10/2019 với các nội dung sau:
- Bổ sung bản vẽ thiết kế, chế tạo.
- Chỉnh sửa bố cục thuyết minh.
- Bổ sung các điểm mới, đánh giá sai số và phương pháp khắc phục.
Hà Nội, Ngày
Giáo viên hướng dẫn

tháng

năm 2019

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

SĐH.QT9.BM11

Ban hành lần 1 ngày 11/11/2014


2019

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tơi
được hồn thành dưới sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy TS.Nguyễn Chí
Hưng. Các dữ liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã cơng bố theo đúng
quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn. Các kết quả này chưa từng được công
bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong
luận văn.
Học viên

Nguyễn Xuân Đạo

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 1


2019
LỜI CẢM ƠN
Tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến thầy Tiến sĩ Nguyễn Chí Hưng đã
hết lịng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi có thể hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng
dạy và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu, trao đổi các vấn đề khoa học
cịn vướng mắc.
Tơi xin gửi lời cảm ơn đến các thủ trưởng, đồng nghiệp tại Trung tâm thiết kế

cơ khí – Cơng ty TNHH MTV thơng tin M1 đã tận tình giúp đỡ, động viên tơi trong
q trình học tập, nghiên cứu khoa học.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, anh chị bạn
bè đã giúp đỡ tơi hồn thành tốt khóa học của mình.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 8 năm 2019.

Nguyễn Xuân Đạo

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 2


2019
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................1
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................2
Danh mục các từ viết tắt ..................................................................................................5
Danh mục hình ảnh, hình vẽ ............................................................................................6
Danh mục bảng biểu ........................................................................................................8
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG LASER CNC .............................11
1.1. Lịch sử phát triển máy gia công laser CNC ........................................................11
1.2. Đặc điểm cấu trúc của máy laser CNC ...............................................................14
1.2.1. Thân máy ......................................................................................................14
1.2.2. Hệ thống dẫn hướng của máy .......................................................................14
1.2.3. Hệ thống dẫn động các trục ..........................................................................16
1.2.3.1. Hệ dẫn động vít me – đai ốc ...................................................................16
1.2.3.2. Hệ dẫn động vít me – đai ốc bi...............................................................17

1.2.3.3. Hệ dẫn động thanh răng - bánh răng ......................................................18
1.2.3.4. Hệ dẫn động đai răng .............................................................................19
1.2.4. Đầu phóng laser ............................................................................................20
1.3. Hệ thống truyền động điện và điều khiển của máy laser CNC ...........................23
1.3.1. Động cơ truyền động cho máy laser CNC ....................................................23
1.3.1.1. Động cơ bước .........................................................................................23
1.3.1.2. Động cơ servo.........................................................................................26
1.3.2. Hệ thống điều khiển máy laser CNC ............................................................28
Kết luận chương 1 .........................................................................................................30
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MÁY KHẮC LASER
CNC ...............................................................................................................................31
2.1. Tính tốn lựa chọn linh kiện cơ khí máy khắc laser CNC ..................................31
2.1.1. Lựa chọn cụm chi tiết dẫn hướng các trục....................................................32
2.1.2. Tính tốn lựa chọn cụm dẫn động các trục ...................................................34
2.1.2.1. Tính tốn lựa chọn trục vít me – đai ốc dẫn động trục X.......................34

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 3


2019
2.1.2.2. Tính tốn lựa chọn trục vít me – đai ốc dẫn động trục Y.......................39
2.2. Lựa chọn động cơ truyền động cho các trục .......................................................43
2.3. Lựa chọn đầu phát laser ......................................................................................49
2.4. Bộ điều khiển máy khắc laser CNC ....................................................................51
Kết luận chương 2 .........................................................................................................55
CHƯƠNG 3: CÀI ĐẶT KỸ THUẬT CHO MÁY KHẮC LASER CNC ....................56
3.1. Cài đặt phần mềm GRBL vào board arduino nano .............................................56
3.1.1. Sử dụng IDE arduino để nạp phần mềm GRBL ...........................................56

3.1.2. Sử dụng phần mềm nạp file hex để nạp phần mềm GRBL ..........................57
3.2. Kết nối board arduino nano với các phần tử điện ...............................................58
3.3. Cài đặt các thông số cho máy vào phần mềm GRBL .........................................62
Kết luận chương 3 .........................................................................................................70
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM LaserGRBL ................................................71
4.1. Sử dụng phần mềm LaserGRBL để khắc ảnh nghệ thuật ...................................71
4.2. Khắc (cắt) chính xác kích thước một biên dạng cho trước .................................78
Kết luận chương 4 .........................................................................................................81
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI VÀ KIẾN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...............82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................84
PHỤ LỤC ......................................................................................................................85

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 4


2019

Danh mục các từ viết tắt
CNC – Computer Numerical Control
HB – Hardness Brinell
IC – Intergrated Circuit
IDE – Intergrated Development Environment
LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
MIT – Massachusetts Institute of Technology
NC – Numerical Control
PWM – Pulse Width Modulation

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 5


2019
Danh mục hình ảnh, hình vẽ
Hình 1.1: Một máy CNC laser fiber cơng nghiệp .........................................................12
Hình 1.2: Máy CNC laser CO2 .....................................................................................13
Hình 1.3: Máy CNC laser YAG ....................................................................................13
Hình 1.4: Máy laser CNC đang cắt giấy nghệ thuật ......................................................14
Hình 1.5: Hệ thống ray trượt trịn và con trượt .............................................................15
Hình 1.6: Con trượt có các bi thép lăn bên trong ..........................................................16
Hình 1.7: Trục vít me và đai ốc .....................................................................................17
Hình 1.8: Vít me – đai ốc bi ..........................................................................................18
Hình 1.9: Bộ truyền bánh răng – thanh răng .................................................................19
Hình 1.10: Bộ truyền đai răng .......................................................................................20
Hình 1.11: Nguyên lý cấu tạo chung của nguồn phát laser ...........................................21
Hình 1.12: Động cơ bước ..............................................................................................24
Hình 1.13: Sơ đồ kết nối để động cơ bước hoạt động ...................................................25
Hình 1.14: Driver động cơ bước L298 ..........................................................................25
Hình 1.15: Driver động cơ bước A4988 ........................................................................26
Hình 1.16: Sơ đồ kết nối cơ bản của động cơ servo ......................................................27
Hình 1.17: Servo cơng nghiệp và driver ........................................................................28
Hình 1.18: Bộ điều khiển máy laser CO2 CNC ............................................................28
Hình 2.1: Sơ đồ động học máy khắc laser CNC............................................................32
Hình 2.2: Kết cấu trục X của máy khắc laser CNC .......................................................33
Hình 2.3: Con trượt và đai ốc lắp trên bích gá đầu phát laser .......................................34
Hình 2.4: Thơng số kích thước đai ốc T8 ......................................................................38
Hình 2.5: Cụm gá trục X ...............................................................................................40
Hình 2.6: Kết cấu dẫn động trục Y ................................................................................41

Hình 2.7: Các kích thước của động cơ bước Nema 17 (L34) .......................................45
Hình 2.8: Khớp nối trục vít me với trục động cơ bước .................................................45
Hình 2.9: Module TB6560 ............................................................................................46
Hình 2.10: Sơ đồ kết nối module TB6560 ....................................................................47
Hình 2.11: Đầu phát diode laser 500mW ......................................................................50
Hình 2.12: Mạch cơng suất trên đầu phát laser .............................................................50
Hình 2.13: Sơ đồ kết nối bộ điều khiển và các phần tử điện .........................................53
Hình 2.14: Board điều khiển và các phần tử điện lắp ráp trên máy ..............................54
Hình 2.15: Máy được lắp ráp hồn chỉnh ......................................................................54
Hình 3.1: Nạp chương trình GRBL bằng IDE arduino .................................................57
Hình 3.2: Nạp chương trình GRBL bằng Xloader ........................................................58
Nguyễn Xuân Đạo

Trang 6


2019
Hình 3.3: Sơ đồ kết nối các chân điều khiển từ board arduino nano ............................58
Hình 3.4: Kết nối cơng tắc hành trình chế độ thường mở .............................................60
Hình 3.5: Kết nối cơng tắc hành trình chế độ thường đóng ..........................................61
Hình 3.6: Kết nối cơng tắc hành trình sử dụng phương pháp giới hạn mềm ................62
Hình 3.7: Giao diện phần mềm LaserGRBL .................................................................63
Hình 3.8: Cửa sổ cài đặt các thơng số máy vào GRBL .................................................63
Hình 4.1: Cửa sổ cài đặt chế độ gia cơng ......................................................................71
Hình 4.2: Các thơng số khắc..........................................................................................73
Hình 4.3: Giao diện phần mềm LaserGRBL sau khi cài đặt thông số khắc..................75
Hình 4.4: Theo dõi quá trình hoạt động của máy trên phần mềm .................................76
Hình 4.5: Hình khắc sau khi hồn thành .......................................................................76
Hình 4.6: Tấm bích cần cắt............................................................................................79
Hình 4.7: Đặt tọa độ gốc của hình cần cắt .....................................................................79

Hình 4.8: Mặt bích sau khi cắt mô phỏng trên máy ......................................................80

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 7


2019
Danh mục bảng biểu

Bảng 1: Cài đặt vi bước cho driver A4988 ....................................................................26
Bảng 2: Hệ số ma sát f theo cặp vật liệu vít me – đai ốc ..............................................35
Bảng 3: Hệ số chiều cao đai ốc và chiều cao ren ..........................................................36
Bảng 4: Giá trị áp suất cho phép theo vật liệu cặp ren vít – đai ốc ...............................36
Bảng 5: Thơng số kỹ thuật bộ vít me - đai ốc trục X ....................................................39
Bảng 6: Thơng số kỹ thuật bộ vít me – đai ốc trục Y....................................................43
Bảng 7: Các thông số lựa chọn động cơ truyền động trục X và Y ................................44
Bảng 8: Thiết lập dòng điện cho động cơ bước.............................................................47
Bảng 9: Thiết lập dòng điện khi động cơ dừng .............................................................48
Bảng 10: Thiết lập chế độ vi bước ................................................................................48
Bảng 11: Thiết lập giới hạn dòng ..................................................................................48
Bảng 12: Tổng hợp cài đặt driver TB6560 ....................................................................49
Bảng 13: Các thông số máy cài đặt vào phần mềm GRBL ...........................................63
Bảng 14: Bảng mask đối với các trục cần đảo ..............................................................65
Bảng 15: Bảng mask các thông báo khi máy hoạt động ...............................................66

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 8

2019
LỜI MỞ ĐẦU
Lý do lựa chọn đề tài
Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhất là cuộc cách mạng cơng
nghệ giai đoạn thứ 4 (Cơng nghiệp 4.0) thì hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất tự
động là không thể thiếu trong các nhà máy sản xuất. Trong đó, những máy cơng cụ
điều khiển số là một phần quan trọng giúp cho q trình gia cơng sản xuất được nhanh
và chính xác, nâng cao hiệu suất, tăng hiệu quả kinh tế. Những máy công cụ điều
khiển số này có thể dễ dàng đầu tư bởi các nhà máy sản xuất lớn và vừa, thậm chí
những nhà máy quy mơ nhỏ cũng có thể sở hữu vì hiệu quả của nó là rất lớn.
Vậy nên, nghiên cứu về máy cơng cụ điều khiển số nói chung, máy laser CNC
nói riêng đang góp phần thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển khoa học cơng nghệ theo xu
thế tồn cầu, mà cịn giúp ích tăng hiệu quả sản xuất cho các doanh nghiệp sản xuất
của Việt Nam đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các đối tác kinh doanh quốc tế.
Mục đích nghiên cứu
Luận văn này trình bày về: “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy laser CNC khắc
tranh nghệ thuật”. Mục đích của đề tài là đưa ra những kiến thức cơ bản tổng quát nhất
về máy gia công laser CNC (đặc điểm, cấu tạo, công dụng và cách sử dụng máy…).
Tiếp đó là nghiên cứu phương án thiết kế và chế tạo mẫu một máy khắc laser CNC cỡ
nhỏ có thể khắc hình, tranh nghệ thuật, phục vụ nghiên cứu và đào tạo. Nghiên cứu
ứng dụng các phầm mềm CAM và phần mềm điều khiển phục vụ cho máy khắc laser
CNC, áp dụng các chức năng cơ bản lên máy laser CNC đã thiết kế và chế tạo đảm
bảo tốt các yêu cầu đặt ra khi thực hiện đề tài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy laser CNC cỡ nhỏ có thể khắc tranh và
các hình được thiết kế trước.

-

Nghiên cứu trong phạm vi máy cỡ nhỏ, phục vụ nghiên cứu và đào tạo.

-

Áp dụng được một số phần mềm CAD/CAM, phần mềm điều khiển để phục

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 9


2019
vụ khả năng khắc tranh, hình của máy.
Phương pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết thiết kế máy laser CNC.

-

Tính tốn thiết kế xây dựng kết cấu máy.

-

Gia cơng các chi tiết và lắp ráp máy.

-

Nghiên cứu thiết kế lựa chọn tích hợp các phần tử điện vào máy và cài đặt
kỹ thuật các thông số điều khiển.

-

Nghiên cứu một số phần mềm điều khiển máy và áp dụng thực nghiệm vận
hành máy.

-

Phân tích và đánh giá kết quả.
Trong q trình thực hiện luận văn có thể vẫn cịn nhiều thiếu xót nằm ngồi

khả năng của tác giả. Kính mong được các thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp góp ý
để có thể hồn thiện đề tài một các tốt nhất.
Xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Xuân Đạo

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 10


2019
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG LASER CNC
1.1. Lịch sử phát triển máy gia công laser CNC
Khi trước đây, gia cơng cơ khí hầu như được thực hiện trên các máy gia cơng
cơ có độ chính xác khơng cao và phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người đứng
máy gia công, hiệu quả kinh tế không cao. Trong thời đại cơng nghiệp hóa, hiện đại

hóa, nhất là thời kỳ phát triển cơng nghiệp 4.0 hiện nay thì các máy gia công điều
khiển số CNC trở lên phổ biến hơn. Các máy cơng cụ điều khiển số nói chung và máy
gia cơng laser CNC nói riêng đang góp phần thúc đẩy phát triển công nghiệp gia công
chế tạo của Việt Nam.
Cuối những năm 1940, Học viện Công nghệ M.I.T. (Massachusetts Institute of
Technology) của Hoa Kỳ đã thực hiện dự án nghiên cứu kỹ thuật điều khiển số đầu
tiên.
Năm 1952, tại M.I.T. đã cung cấp chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên mang
tên “Cincinnati Hydrotel” có trục thẳng đứng.
Năm 1957, Không lực Hoa Kỳ đã trang bị những máy phay điều khiển số NC
đầu tiên trong những phân xưởng của họ.
Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên sử dụng các cụm vi tính chế tạo hàng
loạt xuất hiện. Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật mạch tích hợp IC (Intergarted
Circuits) làm cho các tủ điện điều khiển có kích thước ngày càng nhỏ và tính năng
càng mạnh mẽ hơn.
Năm 1990, các giao diện số giữa điều khiển NC và hệ truyền động cải thiện độ
chính xác và đặc tính điều chỉnh của các trục điều khiển NC và trục chính.
Cho đến ngày nay, các chức năng tính tốn trong hệ thống CNC ngày càng hoàn
thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các
bộ vi xử lý.
Đi cùng với những máy phay CNC, máy tiện CNC để gia công các chi tiết cấu
trúc 3D, gia cơng các trục thì các máy gia cơng CNC 2D cũng phát triển theo nhu cầu
Nguyễn Xuân Đạo

Trang 11


2019
thực tế. Để có thể gia cơng các đường phức tạp hoặc gia cơng các điểm đúng chính xác
các tọa độ, người ta sử dụng các máy CNC điều khiển 2 trục bao gồm trục X và trục Y.

Nhờ các bộ điều khiển số, các trục X và Y của máy được chuyển động một cách độc
lập và kết hợp với nhau tạo thành đường cần gia cơng.

Hình 1.1: Một máy CNC laser fiber công nghiệp
Tia laser được biết đến lần đầu tiên vào năm 1960 tại phịng thí nghiệm nghiên
cứu California bằng cách chiếu đèn flash công suất cao trên một thỏi ruby với các bề
mặt tráng bạc. Từ đó, các tia laze được sử dụng ở khắp mọi nơi: từ các phịng thí
nghiệm nghiên cứu để cắt vật liệu trong vật lý lượng tử cho đến các bệnh viện, siêu thị,
dùng trong thanh toán và mạng điện thoại…
Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất máy
cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét các lỗ trên kim cương. Năm 1967, người
Anh đi tiên phong trong việc cắt kim loại bằng tia laser với khí hổ trợ là oxy. Trong
năm 1970, cơng nghệ này đã được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng
hàng không vũ trụ. Đồng thời laser CO2 được sử dụng để cắt phi kim loại, chẳng hạn
như hàng dệt may, bởi vì, vào thời điểm đó, laser CO2 là khơng đủ mạnh mẽ để làm
nóng chảy kim loại.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 12


2019

Hình 1.2: Máy CNC laser CO2
Khi gắn những nguồn phát laser mạnh lên máy CNC, ta có thể dùng để cắt, khắc
trên các chi tiết bằng các loại vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa, gỗ,…

Hình 1.3: Máy CNC laser YAG

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 13


2019

Hình 1.4: Máy laser CNC đang cắt giấy nghệ thuật
1.2. Đặc điểm cấu trúc của máy laser CNC
Một máy laser CNC cơ bản bao gồm các bộ phận: Thân máy, hệ thống dẫn
hướng, hệ thống dẫn động, đầu phóng laser, các động cơ điều khiển trục, bộ điều
khiển, máy vi tính.
1.2.1. Thân máy
Thân máy tùy theo kích thước và mục đích sử dụng mà có những thiết kế khác
nhau. Đối với những máy cỡ nhỏ có thể dùng nhơm định hình để lắp ráp, đối với
những máy cỡ lớn sử dụng trong công nghiệp thường sử dụng khung thép hàn có kích
thước lớn và vững chắc.
1.2.2. Hệ thống dẫn hướng của máy
Hệ thống dẫn hướng của máy bao gồm có ray dẫn hướng (băng dẫn hướng) và
con trượt. Hệ thống dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động thẳng của
các trục X và Y.
Ray dẫn hướng phải đảm bảo thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, phải
được nhiệt luyện và xi mạ bề mặt đảm bảo độ cứng. Các loại ray dẫn hướng được sử
dụng bao gồm ray vng và ray trịn. Ray vng thường được sử dụng trong các hệ
thống máy móc yêu cầu độ chính xác cao, tải nặng, có giá thành cao, ray được lắp trực
tiếp lên thân máy hoặc các mặt bích. Các máy phay, máy tiện CNC thường sử dụng
ray vuông do yêu cầu chịu tải trọng và lực gia cơng, cần độ chính xác gia cơng và độ
Nguyễn Xuân Đạo

Trang 14

2019
cứng vững cao. Loại thứ hai là ray tròn sử dụng trong các hệ thống máy không chịu tải
trọng nặng, rẻ tiền hơn ray vng. Ray trượt trịn thường sử dụng hai gối kẹp trục ở hai
đầu ray, tuy nhiên cần chú ý độ võng trục nếu sử dụng trong hệ thống có tải trọng nặng
hoặc lực gia cơng lớn. Một loại ray trịn khác là ray trượt trịn có đế, loại này có đế đỡ
dọc trục ray nên có khả năng chịu tải trọng và lực gia công lớn hơn phương án sử dụng
hai kẹp trục đầu ray.

Hình 1.5: Hệ thống ray trượt tròn và con trượt
Con trượt sử dụng cho máy CNC có hai loại là bạc trượt trơn và con trượt lăn.
Bạc trượt trơn thường làm bằng đồng để khi trượt trên ray bằng thép có ma sát trượt
nhỏ. Tuy nhiên bạc trượt trơn phải bảo dưỡng thường xun hơn, cần tra mỡ bị bơi
trơn nên hiện nay các hệ thống cơ khí chính xác ít sử dụng bạc trượt trơn trong hệ
thống dẫn hướng. Loại con trượt thứ hai là con trượt lăn, nó có các bi thép bên trong,
khi con trượt trượt trên ray, các bi thép sẽ tì và lăn trên các ray. Do sử dụng bi thép có
ma sát lăn nhỏ nên con trượt lăn hoạt động êm ái, chính xác, nhẹ nhàng hơn so với bạc
trượt trơn.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 15


2019

Hình 1.6: Con trượt có các bi thép lăn bên trong
1.2.3. Hệ thống dẫn động các trục
Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ chính là truyền động từ động cơ điện thành

chuyển động tịnh tiến cho các trục của máy CNC. Tùy theo nhiều mục đích sử dụng
khác nhau mà người thiết kế máy lựa chọn các phương pháp dẫn động khác nhau. Một
số cơ cấu dẫn động sử dụng trong máy cơng cụ bao gồm vít me – đai ốc, vít me – đai
ốc bi, thanh răng bánh răng, đai răng.
1.2.3.1. Hệ dẫn động vít me – đai ốc
Trong các máy công cụ và các máy CNC hoặc các hệ thống cơ khí khác hệ dẫn
động đai ốc – vít me được sử dụng nhằm biến chuyển động quay trịn thành chuyển
động thẳng tịnh tiến. Là dạng vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt, độ rơ cơ khí lớn
hơn so với vít me – đai ốc bi. Tuy nhiên do có giá thành tương đối rẻ và dễ sử dụng
nên có thể dùng trong một số hệ thống cơ khí tải trọng khơng lớn, khơng u cầu độ
chính xác cao.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 16


2019

Hình 1.7: Trục vít me và đai ốc
Ưu điểm của trục vít me – đai ốc là kết cấu đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo. Nhược
điểm là ren mòn nhanh nếu không bảo dưỡng bôi trơn thường xuyên gây ra tiếng động
lớn, hiệu suất thấp. Trục vít me thường làm bằng thép C45, C50, A45 và A50 (thường
hóa hoặc tôi cải thiện) và thép cacbon 10, thép hợp kim 65Mn, 40Cr, 40CrMn (tơi thể
tích hoặc bề mặt), thép 38Cr2MoAl, 18CrMnTi và 40CrV (thấm ni-tơ). Đai ốc chế tạo
từ đồng thau La Zn23Al6FeMn2, La Zn38Mn2, đồng thanh Br Al9Fe3, Br
Al10Fe3Mn2 hoặc gang chống mịn
1.2.3.2. Hệ dẫn động vít me – đai ốc bi
Hệ dẫn động vít me – đai ốc bi là là loại vít me và đai ốc hoạt động có dạng tiếp
xúc lăn dựa trên các bi thép bên trong đai ốc. Vít me – đai ốc bi có độ chính xác và giá

thành cao hơn so với vít me – đai ốc thường. Nó thường được sử dụng trong các hệ
thống cơ khí yêu cầu độ chính xác cao, do vậy các máy công cụ điều khiển số như máy
phay, máy tiện CNC thường ưu tiên sử dụng hệ dẫn động đai ốc – vít me bi.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 17


2019

Hình 1.8: Vít me – đai ốc bi
Biên dạng cặp ren vít với ma sát lăn bao gồm rãnh trịn và rãnh tam giác, phổ
biến nhất là rãnh tròn, bán kính rãnh lớn hơn bán kính con lăn 3-5%, góc tiếp xúc 45º.
Rãnh tam giác khó chế tạo hơn rãnh trịn nhưng lại có độ căng ban đầu. Các con lăn
chuyển động quay và tịnh tiến đối với vít và đai ốc, do đó để ln tồn tại các con lăn
giữa các bề mặt ren của vít và đai ốc thì trên các đầu đai ốc hoặc vít người ta nối các
rãnh thu hồi.
Một đặc điểm khi sử dụng cặp truyền động vít me – đai ốc bi là khơng nên tháo
hết đai ốc bi ra khỏi trục vít me vì có thể làm rơi các bi thép ra ngồi và việc lắp lại các
bi thép vào đai ốc bi là rất khó khăn.
1.2.3.3. Hệ dẫn động thanh răng - bánh răng
Thanh răng – bánh răng hoạt động theo nguyên lý biến đổi chuyển động quay của
động cơ thành chuyển động tịnh tiến dựa trên nguyên lý chuyển động ăn khớp mà
không gây ra trượt, rung. Bộ truyền thanh răng – bánh răng có thể phân loại ra bao
gồm loại răng thẳng và loại răng nghiêng.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 18

2019

Hình 1.9: Bộ truyền bánh răng – thanh răng
Khi bánh răng quay một vòng làm cho thanh răng chuyển động một khoảng
𝜋𝑚𝑍, trong đó m là mơ-đun của thanh răng theo phương chuyển động của thanh răng
hay mô-đun của bánh răng trong mặt phẳng vng góc với trục quay của bánh răng, Z
là số răng của bánh răng. Dựa vào nguyên lý trên, có thể điều khiển khoảng cách
chuyển động thẳng dựa vào số vòng quay của bánh răng.
Cặp bánh răng – thanh răng có ưu điểm kích thước nhỏ gọn, truyền được tải lớn,
tỷ số truyền không thay đổi do khơng có hiện tượng trượt, hiệu suất cao có thể đạt đến
0.98 và có tuổi thọ cao. Tuy nhiên Nó cũng có nhược điểm là chế tạo tương đối phức
tạp, địi hỏi độ chính xác cao, có tiếng ồn khi vận tốc lớn, thanh răng dài chế tạo khó
khăn và phức tạp.
Tùy vào độ rắn, thép làm cặp bánh răng – thanh răng chia ra làm 2 loại:
-

Độ rắn HB ≤ 350: Bánh răng được thường hóa hoặc tơi cải thiện.

-

Độ rắn HB ≥ 350: Tơi thể tích, tơi tần số cao, thấm cacbon, thấm nitơ.

1.2.3.4. Hệ dẫn động đai răng
Bộ truyền đai răng làm việc nhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh
đai, làm việc với vận tốc tối đa 80m/s và tỷ số truyền 𝑢𝑚𝑎𝑥 = 30.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 19


2019

Hình 1.10: Bộ truyền đai răng
Ưu điểm của bộ truyền đai răng là kích thước bộ truyền nhỏ, khơng có hiện
tượng trượt giữa bánh đai và đai, tỷ số truyền lớn và hiệu suất cao, lực tác dụng lên
trục và ổ nhỏ.
Đai răng được chế tạo từ cao su trộn với nhựa nairit hoặc đúc từ cao su
poliuretan. Lớp chịu tải là dây thép, sợi thủy tinh hoặc sợi poliamit.
1.2.4. Đầu phóng laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) có nghĩa là
“khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”. 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 diode 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.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 20


2019

Hình 1.11: Nguyên lý cấu tạo chung của nguồn phát laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có:
1 – Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser (vùng bị kích thích)
2 – Nguồn ni (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)
3 – Gương phản xạ (tồn phần)
4 – Gương bán mạ
5 – Tia laser
Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất laser nên người ta căn cứ vào loại
hoạt chất để phân loại laser:
-

Laser chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường
hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:

 YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm
2-5% neodymi, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể
phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.
 Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion crom,
có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.
 Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm
thuộc phổ hồng ngoại gần.
Nguyễn Xuân Đạo

Trang 21


2019
-

Laser chất khí:

 He-Ne: hoạt chất là khí heli và neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh
sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, cơng suất nhỏ, từ một đến vài chục mW.
Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu.
 Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5 nm.
 CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, cơng suất phát xạ có
thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.
-

Laser chất lỏng: Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thơng dụng nhất là laser
màu.

Tính chất của laser:
-

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có
khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà khơng bị phân tán.

-

Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy
nhất. Do vậy chùm laser khơng bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai
môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà khơng
nguồn sáng nào có.

-

Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung
cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng
lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục hay
bức xạ xung. Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho
những ứng dụng khác nhau:
-

Chế độ phát liên tục: Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser
tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ electron cần
thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng
đều đặn.

-

Chế độ phát xung: Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so
với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 22