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 đng bằng cách nhấn các
phím hướng trên phần mềm LaserGRBL mà trục đó lại chuyển động ngược
hướng với phím trên phần mềm thì trục đó cần đảo hướng động cơ. Giá trị
đặt tham chiếu Bảng 14, do cả trục X và Y của máy đều bị ngược hướng nên
cần đảo hướng cả hai trục, ta đặt $3=3.

-

$4: Đảo tín hiệu kích hoạt động cơ, thơng thường tín hiệu kích hoạt động cơ
là mức cao cho phép động cơ chạy và mức thấp dừng động cơ. Nếu động cơ
không hoạt động theo các mức này thì cần phải đảo tín hiệu kích hoạt động
cơ bằng cách đặt $4=1, nếu khơng cần đảo thì $4=0.

-

$5: Đảo mức tín hiệu nhận biết kích hoạt cơng tắc hành trình, thơng thường
GRBL sẽ nhận tín hiệu mức cao khi cơng tắc hành trình chưa được kích hoạt
và tín hiệu mức thấp khi cơng tắc hành trình được kích hoạt, nếu ngược lại

Nguyễn Xn Đạo

Trang 65


2019
thì cần đảo mức tín hiệu nhận biết kích hoạt cơng tắc hành trình bằng cách
đặt $=1, nếu khơng cần đảo thì $5=0.
-

$6: Đảo mức tín hiệu cảm biến dị phôi, tương tự như $5. Do máy khắc laser
không cần sử dụng nên $6=0.

-

$10: Bật/tắt các thông báo trạng thái dựa theo Bảng 15, như vậy để chỉ bật
thông báo vị trí máy mà khơng bật thơng báo về dữ liệu đệm cần đặt $10=1.
Bảng 15: Bảng mask các thông báo khi máy hoạt động
Dạng thơng báo
Vị trí
Vị trí
Dữ liệu đệm

-

Giá trị
0
1
2

Mơ tả
Bật vị trí gia cơng, tắt vị trí máy
Bật vị trí máy, tắt vị trí gia cơng
Bật dữ liệu đệm

$11: Gia tốc dao khi đi qua các điểm nối, khi giá trị này càng lớn sẽ dễ dẫn
đến hiện tượng trượt bước và khi giá trị càng nhỏ máy sẽ chạy chậm hơn khi
qua các điểm nối và độ chính xác cao hơn. Giá trị mặc định $11=0,01.

-

$12: Độ chính xác gia cơng cung trịn, các giá trị nhỏ hơn sẽ cho độ chính
xác cao hơn, cung trịn mịn hơn, tuy nhiên máy sẽ hoạt động chậm hơn và
ngược lại giá trị lớn hơn sẽ cho cung tròn thô hơn. Giá trị mặc định
$12=0,002.

-

$13: Thông báo theo hệ inch, nếu cần, đặt $13=1, nếu thông báo theo hệ
milimet, đặt $13=0.

-

$20: Kích hoạt giới hạn mềm, như đã trình bày ở phần trước, tác giả đề tài
sử dụng một cơng tắc hành trình cho mỗi trục và bật giới hạn hành trình
bằng phần mềm. Để kích hoạt, đặt $20=1, để tắt, đặt $20=0.

-

$21: Kích hoạt giới hạn cứng, tương tự $21, kích hoạt chế độ này khi sử
dụng hai cơng tắc hành trình cho mỗi trục, khi bất kỳ cơng tắc hành trình
nào bị tác động, máy sẽ dừng lại và thông báo, cần phải khởi động lại và cho
trục đó chạy hướng ngược lại để thốt giới hạn cứng. Để kích hoạt, đặt
$21=1, để tắt, đặt $21=0.

-

$22: Kích hoạt chế độ Homing, để kích hoạt, đặt $22=1, để tắt, đặt $22=0.

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 66


2019
Chế độ Homing giúp các trục chạy về gốc máy đã cài đặt. Khi sử dụng chế
độ giới hạn hành trình bằng phần mềm, nếu nhấn nút Homing trên phần
mềm LaserGRBL, các trục sẽ chạy về phía cơng tắc hành trình của trục đó
và dừng lại khi cơng tắc hành trình được kích hoạt. Khi trục dừng lại, có thể
nhấn nút cài đặt gốc để xác định vị trí đó là gốc máy. Chế độ Homing hoạt
động theo các bước: Nâng trục chính lên vị trí cao nhất (Homing trục Z), sau
khi chạm cơng tắc hành trình trục Z thì các trục X và Y mới được tiến hành
Homing. Do máy khắc laser CNC khơng có trục Z nên khi nhấn Homing
máy sẽ báo lỗi vì cơng tắc hành trình trục Z khơng được kích hoạt. Để khắc
phục hiện tượng này cần chỉnh sửa lại cài đặt gốc của phần mềm. Vào thư
viện grbl trong file cài đặt arduino, tìm mở file config.h, tìm dịng #define
HOMING_CYCLE_0
HOMING_CYCLE_0
HOMING_CYCLE_1

(1<(1<
và

sửa
và

lại
sửa

((1<
thành

#define

dịng

#define

thành

#define

HOMING_CYCLE_1 (1<dịch lại phần mềm GRBL trên IDE arduino rồi nạp vào board arduino nano.

-

$23: Đảo hướng di chuyển chế độ Homing, khi nhấn Homing mà các trục di
chuyển ngược hướng về phía cơng tắc hành trình thì cần đảo hướng cho trục
bị ngược, giá trị cài đặt đảo hướng dựa trên Bảng 14. Cần đảo hướng
Homing trục X và trục Y nên đặt $23=3.

-

$24: Tốc độ Homing chậm, khi bắt đầu Homing, các trục sẽ chạy tìm các
cơng tắc hành trình với tốc độ $25, sau đó quay ngược lại một khoảng $27
rồi lại chạy về cơng tắc hành trình với tốc độ $24. Các bước này làm tăng độ
chính xác khi tìm cơng tắc hành trình, đặt giá trị $24 đủ nhỏ đảm bảo độ
chính xác cũng như không làm việc Homing quá chậm.

-

$25: Tốc độ Homing nhanh, là tốc độ các trục chạy về cơng tắc hành trình
nhanh, lưu ý tốc độ khơng q nhanh sẽ làm hỏng cơng tắc hành trình hoặc
kết cấu máy.

-

$26: Thời gian trễ phát hiện Homing, khoảng thời gian mà bộ điều khiển đặt

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 67


2019

trễ để tránh nhiễu, rung động cơ khí khi cơng tắc hành trình bị tác động,
thơng thường đặt khoảng thời gian này từ 5 đến 25 mili giây.
-

$27: Khoảng cách chạy ngược lại khi trục chạy về công tắc hành trình, có
tác dụng rời khỏi vị trí “chết” sau khi Homing trong chế độ cơng tắc hành
trình cứng.

-

$30: Tốc độ trục chính tối đa, thơng số này tùy thuộc vào tốc độ tối đa của
trục chính lắp cho máy phay CNC. Ví dụ tốc độ tối đa của trục chính là
12000rpm thì đặt $30=12000. Khi đó board arduino sẽ cấp điện áp 5V
PWM cho driver động cơ trục chính và giảm dần điện áp đơi với các tốc độ
thấp hơn. Đối với máy khắc laser CNC cũng tương tự, thay vì tốc độ trục
chính sẽ là điều chỉnh cường độ laser dựa vào PWM trên đầu ra D11 của
board arduino.

-

$31: Tốc độ trục chính tối thiểu, đặt $31=0 để tắt trục chính (laser).

-

$32: Bật/tắt chế độ laser, đặt $32=1.

-

$100, $101, $102: Số step/mm của động cơ các trục X,Y,Z. Thông số này
dựa vào số bước/vòng của động cơ, chế độ vi bước và bộ truyền động. Động

cơ sử dụng loại 200 bước/vòng, chế độ vi bước 1/16 nên động cơ sẽ trở
thành 3200 bước/vịng, bước xoắn vít của trục vít me là 8mm nên số
step/mm của mỗi trục là 400. Đặt $100=400, $101=400. Không sử dụng trục
Z nên để mặc định $102=250.

-

$110, $111, $112: Tốc độ tối đa của các trục Z,Y,Z. Các thông số này sẽ
ảnh hưởng tới tốc độ lớn nhất mà các trục đạt được, không nên đặt tốc độ
quá cao sẽ gây ra hiện tượng trượt bước của động cơ. Nên đặt thử và chạy
không tải thử máy, chọn thông số phù hợp. Đặt $110=3000, $111=3000.
Không sử dụng trục Z nên để mặc định $112=500.

-

$120, $121, $122: Gia tốc của các trục X,Y,Z. Thông số cài đặt càng lớn,
các trục càng nhanh chóng đạt tốc độ tối đa. Tuy nhiên không nên đặt gia
tốc quá lớn dễ gây hiện tượng trượt bước. Đặt $120=50, $121=50. Trục Z
không sử dụng nên đặt mặc định $122=10.

-

$130, $131, $132: Giới hạn hành trình các trục, được sử dụng khi kích hoạt

Nguyễn Xuân Đạo

Trang 68