Thiết kế và thi công mô hình máy khắc Laser CNC

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY KHẮC LASER CNC

GVHD: Th.s Nguyễn Trƣờng Duy
SVTH: 1. Phan Thông

MSSV: 16141292

2. Nguyễn Hải Quang MSSV: 16141242

Tp. Hồ Chí Minh – 8/2020


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH
---------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHÊ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY KHẮC LASER CNC

GVHD: Th.s Nguyễn Trƣờng Duy
SVTH: 1. Phan Thông

MSSV: 16141292

2. Nguyễn Hải Quang MSSV: 16141242

Tp. Hồ Chí Minh – 8/2020


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o---Tp. HCM, ngày tháng năm 2020

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên:
Chuyên ngành:
Hệ đào tạo:
Khóa:

Phan Thơng

Nguyễn Hải Quang
Kỹ thuật Điện tử Cơng Nghiệp
Đại học chính quy
2016

MSSV: 16141292
MSSV: 16141242
Mã ngành: 41
Mã hệ:
1
Lớp:
16141DT2

I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÁY KHẮC LASER CNC
II. NHIỆM VỤ
1. Các số liệu ban đầu:
-

Tìm hiểu về các mơ hình máy khắc laser mini trên thị trƣờng.
Tìm hiểu về vi điều khiển phù hợp với đề tài này và phƣơng pháp lập trình.
Tìm hiểu về laser diode và động cơ bƣớc.
Tìm hiểu về các loại driver cho laser diode và động cơ bƣớc.
Tìm hiểu các phần mềm liên quan đến việc điều khiển máy khắc.

2. Nội dung thực hiện:
-

Thiết kế sơ đồ khối cho hệ thống.
Thiết kế, tính toán, lựa chọn linh kiện cho từng khối đã thiết kế.
Vẽ lƣu đồ giải thuật cho hệ thống.

Nghiên cứu chƣơng trình điều khiển máy khắc và các phần mềm liên quan.
Thi cơng mơ hình máy khắc.
Chạy thử và sửa lỗi.
Viết báo cáo.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

Th.s Nguyễn Trƣờng Duy

BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

i


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TRƢỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM
ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC
----o0o----

Tp. HCM, ngày tháng năm 2020

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ tên sinh viên 1: Phan Thông ........................................................................................
Lớp:16141DT2 .............................................................. MSSV:16141292 .......................
Họ tên sinh viên 2: Nguyễn Hải Quang ............................................................................
Lớp:16141DT2 .............................................................. MSSV:16141242 .......................
Tên đề tài:
Thiết kế và thi công máy khắc laser cnc
Tuần/ngày
Tuần 5

Tuần 6

Xác nhận
GVHD

Nội dung
Sơ đồ khối
Tìm hiểu đầu khắc laser, động cơ bƣớc,
phƣơng pháp điều khiển.
Tìm hiểu về ATmega328P, IC điều khiển động
cơ bƣớc, mạch điều khiển động cơ bƣớc, mạch
điều khiển cho đầu khắc laser.
Giải thuật điều khiển máy khắc laser.

Tuần 7,8

Tuần 9,10,11

Nghiên cứu chƣơng trình cho mạch điều khiển

máy khắc.
Chạy thử và hiệu chỉnh.

Tuần 12
Viết báo cáo
Tuần 13,14,15
GV HƢỚNG DẪN
(Ký và ghi rõ họ và tên)

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ii


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CAM ĐOAN
Đề tài này là do tôi tự thực hiện dựa vào một số tài liệu trƣớc đó và khơng sao chép từ tài
liệu hay cơng trình đã có trƣớc đó.
Ngƣời thực hiện đề tài
SV1 : Phan Thơng
SV2 : Nguyễn Hải Quang

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

iii


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN
Nhóm xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Nguyễn Trƣờng Duy _ Giảng viên bộ
môn Điện Tử Công Nghiệp đã trực tiếp hƣớng dẫn và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện để
hồn thành tốt đề tài.
Nhóm xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo
những điều kiện tốt nhất cho nhóm hồn thành đề tài.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, ngƣời đã ln ủng hộ, động viên nhóm học
tập, hỗ trợ chi phí cho nhóm nghiên cứu và thực hiện đồ án.
Nhóm cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16141DT2 đã chia sẻ trao đổi kiến
thức cũng nhƣ những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn!

Ngƣời thực hiện đề tài
SV1: Phan Thơng
SV2: Nguyễn Hải Quang

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

iv


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... i
LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ................................................ ii
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
LIỆT KÊ HÌNH VẼ ................................................................................................. vii

LIỆT KÊ BẢNG ....................................................................................................... xi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ................................................................................... xii
TÓM TẮT .................................................................................................................13
Chƣơng 1. TỔNG QUAN .........................................................................................14
1.1

ĐẶT VẤN ĐỀ .............................................................................................14

1.2

MỤC TIÊU ..................................................................................................15

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .......................................................................15

1.4

GIỚI HẠN ...................................................................................................15

1.5

BỐ CỤC ......................................................................................................16

Chƣơng 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................17
2.1

TÌM HIỂU VỀ MCU ATMEGA328. ..........................................................17

2.2

TÌM HIỂU VỀ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC. ..................21

2.2.1

Một vài đặc trƣng của IC A4988 ..........................................................21

2.2.2

Sơ đồ chân.............................................................................................22

2.2.3

Sơ đồ khối của IC A4988 .....................................................................23

2.2.4

Sơ đồ mạch ứng dụng ...........................................................................28

2.2.5

Cấu hình cho module A4988 ................................................................29

2.3

TÌM HIỂU VỀ IC CHUYỂN ĐỔI USB SANG UART – CH340G ...........30

2.3.1

Một số đặc trƣng của IC CH340G: .......................................................30

2.3.2

Sơ đồ chân: ...........................................................................................30

2.4

LASER DIODE ...........................................................................................32

2.4.1

Tìm hiểu về laser diode .........................................................................32

2.4.2

Các thơng số chính của laser diode.......................................................33

2.4.3

Điều khiển đầu khắc laser diode ...........................................................33

2.5

ĐỘNG CƠ BƢỚC .......................................................................................34

Chƣơng 3.

TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ ............................................................36

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

v


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
3.1

YÊU CẦU THIẾT KẾ .................................................................................36

3.2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ................................................36

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống ................................................................................36
3.2.2

Tính tốn và thiết kế sơ đồ ngun lý các khối ....................................38

3.2.3

Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ............................................................48

Chƣơng 4.

THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................................51

4.1

GIỚI THIỆU ................................................................................................51

4.2

THI CÔNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN .............................................................51

4.2.1

Thi công board mạch ............................................................................51

4.2.2

Lắp ráp và kiểm tra ...............................................................................55

4.3

ĐĨNG GĨI VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH ....................................................57

4.3.1

Đóng gói bộ điều khiển .........................................................................57

4.3.2

Thi cơng mơ hình ..................................................................................60

4.4

LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ...........................................................................64

4.4.1

Lƣu đồ giải thuật ...................................................................................64

4.4.2

Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ..................................................77

4.4.3

Phần mềm truyền dữ liệu từ máy tính đến máy khắc ...........................85

4.5

VIẾT TÀI LIỆU HƢỚNG DẪN SỬ DỤNG, THAO TÁC ........................87

4.5.1

Viết tài liệu hƣớng dẫn sử dụng ............................................................87

4.5.2

Quy trình thao tác ...............................................................................101

Chƣơng 5.

KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ...........................................103

5.1

KẾT QUẢ THỰC TẾ ................................................................................103

5.1.1

Kết quả thi công phần cứng ................................................................103

5.1.2

Kết quả chạy máy khắc và sản phẩm thực tế ......................................104

5.2

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ .........................................................................109

Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................112
6.1

KẾT LUẬN ...............................................................................................112

6.2

HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................112

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................113
PHỤ LỤC ................................................................................................................114

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vi


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LIỆT KÊ HÌNH VẼ
Hình

Trang

Hình 2.1. Sơ đồ chân của IC Atmega328....................................................................18
Hình 2.2. Sơ đồ chân của IC A4988 ...........................................................................22
Hình 2.3. Sơ đồ khối của IC A4988 ............................................................................23
Hình 2.4. Tự động lựa chọn chế độ điều khiển dịng điện với vi bƣớc là ¼ bƣớc .....26
Hình 2.5. Dịng điện của các chế độ điều khiển dịng.................................................26
Hình 2.6. Dòng điện trên tải khi động cơ chạy ở vận tốc thấp và tự động lựa chọn chế
độ .................................................................................................................................27
Hình 2.7. Dòng điện trên tải khi chỉ sử dụng chế độ Mixed decay ............................27
Hình 2.8. Sơ đồ ngun lí mạch ứng dụng .................................................................28
Hình 2.9. Module A4988 thực tế ................................................................................28
Hình 2.10. Sơ đồ chân IC CH340G ............................................................................31
Hình 2.11. Cấu tạo của Laser Diode ...........................................................................32
Hình 2.12. Cấu tạo động cơ bƣớc 2 pha ......................................................................34
Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống ..............................................................................37
Hình 3.2. Khối mạch giao tiếp ....................................................................................39
Hình 3.3. Khối mạch vi điều khiển .............................................................................41
Hình 3.4. Khối mạch điều khiển động cơ bƣớc trục X ...............................................44
Hình 3.5. Khối mạch điều khiển động cơ bƣớc trục Y ...............................................44
Hình 3.6. Mạch điều khiển laser .................................................................................45
Hình 3.7. Khối nút nhấn ..............................................................................................46
Hình 3.8. Khối cơng tắc hành trình .............................................................................46
Hình 3.9. Khối nguồn ..................................................................................................47
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển máy khắc laser .............................49
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

vii


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.1. Lớp dƣới của board mạch ...........................................................................51
Hình 4.2. Lớp trên của board mạch.............................................................................52
Hình 4.3. Lớp linh kiện mặt trên .................................................................................52
Hình 4.4. Mạch đặt in ..................................................................................................55
Hình 4.5. Đo điện áp ra ở khối nguồn .........................................................................56
Hình 4.6. Kiểm tra mạch đã có nguồn ni từ cổng USB ..........................................56
Hình 4.7. Mạch điều khiển khi hàn đầy đủ .................................................................57
Hình 4.8. Thiết kế phần khung giới hạn kích thƣớc ...................................................57
Hình 4.9. Thiết kế lỗ để gắn ốc ...................................................................................58
Hình 4.10. Thiết kế phần để gắn lên trục ....................................................................58
Hình 4.11. Thiết kế phần khung giới hạn kích thƣớc .................................................58
Hình 4.12. Thiết kế lỗ để gắn ốc .................................................................................59
Hình 4.13. Thiết kế phần khuyết cho 4 nút nhấn ........................................................59
Hình 4.14. Thiết kế phần khuyết cho các header ........................................................60
Hình 4.15. Thiết kế phần khuyết cho cơng tắc nguồn ................................................60
Hình 4.16. Kết nối động cơ trục X vào mạch điều khiển ...........................................61
Hình 4.17. Kết nối động cơ trục Y vào mạch điều khiển ...........................................61
Hình 4.18. Kết nối cơng tắc hành trình trục X vào mạch điều khiển..........................62
Hình 4.19. Kết nối mạch điều khiển laser với mạch điều khiển .................................62
Hình 4.20. Kết nối laser diode với mạch điều khiển laser ..........................................63
Hình 4.21. Kết nối mạch điều khiển với máy tính thơng qua cổng USB ...................63
Hình 4.22. Cấp nguồn nuôi cho mạch điều khiển và mạch điều khiển laser ..............64
Hình 4.23. Mơ hình sau khi hồn thành ......................................................................64
Hình 4.24. Giải thuật điều khiển máy khắc laser ........................................................66
Hình 4.25. Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình chính .......................................................69

Hình 4.26. Lƣu đồ biến đổi dữ liệu .............................................................................72
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

viii


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.27. Lƣu đồ chƣơng trình con về xử lý và phân tích dữ liệu ............................74
Hình 4.28. Lƣu đồ chƣơng trình con về kiểm tra các biến hệ thống và thực thi các
lệnh liên quan ..............................................................................................................76
Hình 4.29. Truy cập vào trang web oracle.com để tải Java ........................................78
Hình 4.30. Nhấn vào Download Java .........................................................................78
Hình 4.31. Nhấn vào JRE download ...........................................................................78
Hình 4.32. Tải phiên bản Java phù hợp với hệ điều hành ...........................................79
Hình 4.33. Truy cập vào trang web arduino.cc để tải Arduino IDE ...........................79
Hình 4.34. Nhấn vào Just Download ..........................................................................79
Hình 4.35. Cài đặt driver giao tiếp ..............................................................................80
Hình 4.36. Cài đặt thành cơng .....................................................................................80
Hình 4.37. Cửa sổ làm việc của phần mềm Arduino IDE ..........................................81
Hình 4.38. Truy cập vào trang web github.com để tải chƣơng trình GRBL ..............82
Hình 4.39. Nhấn vào Download Zip để tải .................................................................82
Hình 4.40. Nén chƣơng trình GRBL thành file.ZIP ...................................................82
Hình 4.41. Mở phần thêm thƣ viện file.ZIP ................................................................83
Hình 4.42. Thêm file nén grbl.zip vào phần mềm Arduino IDE ................................83
Hình 4.43. Mở sketch grblUpload ...............................................................................84
Hình 4.44. Chọn board Uno vào cổng COM tƣơng ứng .............................................84
Hình 4.45. Nạp chƣơng trình vào mạch điều khiển ....................................................85
Hình 4.46. Nhấn vào nút Download để tải ..................................................................86
Hình 4.47. Cửa số làm việc của phần mềm laserGRBL .............................................86
Hình 4.48. Mở phần code chƣơng trình GRBL bằng Notepad ++ .............................88

Hình 4.49. Trình tự Homing mặc định........................................................................88
Hình 4.50. Trình tự Homing sau khi thay đổi .............................................................89
Hình 4.51. Trƣớc khi chọn định nghĩa thay đổi vùng làm việc ..................................89
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

ix


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 4.52. Sau khi chọn đổi định nghĩa vùng làm việc ..............................................89
Hình 4.53. Nạp chƣơng trình GRBL vào mạch điều khiển ........................................90
Hình 4.54. Thơng số cấu hình máy mở trên Arduino IDE..........................................91
Hình 4.55. Thơng số cấu hình máy mở trên laserGRBL ............................................92
Hình 4.56. Nhấn chọn ảnh để chọn ảnh cần khắc .......................................................96
Hình 4.57. Điều chỉnh các tham số ảnh đầu ra ...........................................................96
Hình 4.58. Điều chỉnh tốc độ khắc và kích thƣớc ảnh đầu ra .....................................98
Hình 4.59. Thực hiện Homing hồn thành ..................................................................99
Hình 4.60. Máy khắc ở vị trí Homing và đặt vật cần khắc lên bàn khắc ....................100
Hình 4.61. Máy khắc đang hoạt động .........................................................................100
Hình 4.62. Quy tắc thao tác .........................................................................................101
Hình 5.1. Mạch sau khi hàn linh kiện .........................................................................103
Hình 5.2. Hộp đựng mạch điều khiển .........................................................................104
Hinh 5.3 Mơ hình máy khắc laser hồn chỉnh ............................................................104
Hình 5.4 Bàn cờ có kích thƣớc giống với ảnh bàn cờ sau khi xử lý ...........................105
Hình 5.5 Logo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM khắc trên gỗ .................105
Hình 5.6 Khắc chữ lên gỗ ...........................................................................................106
Hình 5.7 Logo trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp.HCM khắc trên mica đen .......106
Hình 5.8 Khắc hình trên ví giả da ...............................................................................107
Hình 5.9 Khắc hình trên vật liệu kim loại có phủ sơn đen .........................................107
Hình 5.10 Khắc hình trên bìa carton ...........................................................................108

Hình 5.11 Cắt hình trên giấy decal .............................................................................108
Hình 5.12 Cắt hình trên bìa giấy cứng màu đen .........................................................109
Hình 5.13 Ảnh gốc, ảnh qua xử lý và ảnh khắc ..........................................................110

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

x


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LIỆT KÊ BẢNG
Bảng

Trang

Bảng 2.1: Sự thật độ phân giải vi bƣớc ...................................................................29
Bảng 2.2: Phần trăm của dòng ITRIP max đối với mỗi chế độ bƣớc ........................30
Bảng 2.3: Chức năng của các chân IC CH340G .....................................................32
Bảng 3.1: Một số vi điều khiển phổ biến ................................................................38
Bảng 3.2: Một số IC chuyển đổi USB sang UART ................................................41
Bảng 3.3: Một số IC điều khiển động cơ bƣớc .......................................................43
Bảng 4.1: Các linh kiện đƣợc sử dụng trong mạch điều khiển ...............................55

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xi


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
CNC
SRAM
EEPROM
RISC
MCU
MIPS
PWM
QFN
TQFP
IC
UART
ADC
SPI
I2C
I/O
UVLO
TTL
AC
DC
SMD
IDE

Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)
Static Random Access Memory
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
Reduced Instructions Set Computer
Microcontroler Unit
Millions of instructions per second

Pulse Width Modulation
Quad-Flat No-leads
Thin Quad Flat Package
Integrated Circuit
Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
Analog to Digital Converter
Serial Peripheral Interface
Inter-Integrated Circuit
Input/Output
Undervoltage-Lockout
Transistor-Transistor Logic
Alternative Current
Directive Current
Surface-Mount Device
Integrated Development Environment

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

xii


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÓM TẮT
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, máy móc chiếm vai trò quan
trọng trong sản xuất và đời sống. Với sự chính xác và năng suất làm việc cao, máy móc
dần thay thế con ngƣời trong nhiều cơng việc để giảm tải sức lao động và tăng năng suất.
Với các máy móc hiện đại, con ngƣời chỉ cần giám sát và điều khiển, máy móc sẽ làm
phần việc cịn lại. Lấy ví dụ thực tế từ việc khắc, khi chƣa có máy móc, các thợ thủ cơng
sẽ dùng cƣa, đục, dũa, dao,… để có thể khắc lên gỗ, đá,… Khi có các máy khoan tiện

cầm tay, cơng việc đỡ nặng nhọc hơn nhƣng con ngƣời vẫn phải trực tiếp gia cơng. Sau
này, khi các máy móc hiện đại hơn xuất hiện nhƣ máy phay, tiện, khắc thì con ngƣời chỉ
cần nhấn nút điều khiển máy là sẽ có sản phẩm. Với suy nghĩ muốn giảm tải sức lao động
cho con ngƣời trong việc khắc, nhóm quyết định chọn đề tài “Thiết kế và thi công máy
khắc laser cnc”. Khái quát về cách vận hành của máy:
-

Sử dụng hình ảnh đƣợc vẽ trên máy tính, ngƣời dùng có thể khắc bất cứ hình vẽ nào
mình muốn lên vật liệu khắc.

-

Máy khắc sẽ đƣợc kết nối với máy tính để nhận dữ liệu để khắc và nhận lệnh điều
khiển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

13


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chƣơng 1.
1.1

TỔNG QUAN

ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay, cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển, nƣớc ta đang cố gắng

hƣớng tới năm 2020 cơ bản trở thành nƣớc cơng nghiệp hóa. Việc ứng dụng công nghiệp
mới vào sản xuất ngày càng trở nên phổ biến và đóng một vai trị rất quan trọng. Các máy
móc thiết bị làm việc nhanh, hiệu quả và chính xác để thay thế con ngƣời nhằm tăng năng
xuất và hiệu quả cơng việc.
Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát
triển đáng kể về độ chính xác và chất lƣợng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các
sai sót và giúp ngƣời vận hành có thời gian cho các cơng việc khác.
Thay vì sử dụng máy móc điều khiển bằng tay hoặc thuê ngƣời lao động, máy CNC
sẽ đƣợc lập trình sẵn. Sau đó, với chức năng tự động, máy sẽ thực hiện các công việc.
Máy làm việc với tốc độ nhanh gấp 3 đến 4 lần năng suất làm việc của ngƣời lao động.
Trong số các loại máy CNC, máy khắc (cắt) laser là loại máy khá phổ biến. Tùy vào
công suất của máy cũng nhƣ vật liệu thì nó có thể là máy khắc hoặc là máy cắt. Đối với
những đối tƣợng hay làm các sản phẩm thủ cơng nhƣ vẽ hình, hoa văn lên gỗ, mica, da
thuộc,… có thể sở hữu riêng cho mình một máy khắc laser mini để có thể tạo ra nhiều sản
phẩm hơn, tiết kiệm thời gian và cơng sức. Đó là lý do mà nhóm chọn đề tài “Thiết kế và
thi công máy khắc laser cnc”.
Ngày nay, các máy khắc (cắt) cnc đƣợc sản xuất khá phổ biến trong đó tiêu biểu là
máy khắc (cắt) cnc của hãng AiKO. Máy đƣợc sản xuất với khả năng có thể cắt hay khắc
trên nhiều vật liệu khác nhau tùy thuộc vào công suất của laser bao gồm loại 500mW,
2500mW hay 10W.
 Nguồn laser 500mW: Khắc gỗ, vải, da, hoa quả.
 Nguồn laser 2500mW: Khắc gỗ, nhựa PVC, vải, da, hoa quả với tốc độ cao hơn và
chiều sâu khắc mỗi lần lớn hơn.
 Nguồn laser 10W: Ngoài khắc trên gỗ, PVC, vải, da, hoa quả, đá, ceramic thì có
thể khắc trên kim loại nhƣ thép và thép không rỉ, vật liệu trong suốt nhƣ mica,
kính.
 Máy khắc laser cnc của hãng AiKO có nhƣng ƣu điểm nhƣ sau:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

14

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
- Nhiều chế độ khắc: black-white engraving, grayscale engraving, contour path
cutting, line scanning engraving, point engraving.
- Tốc độ cắt khắc nhanh.
- Điều chỉnh kích thƣớc hình, tốc độ khắc và độ sâu hình khắc dễ dàng.
- Máy đƣợc thiết kế dạng module tháo lắp dễ dàng khi vận chuyển đi xa, dễ dàng
thay thế khi hỏng hóc, nhỏ gọn, vận hành đơn giản.
Máy đƣợc sản xuất với số lƣợng lớn nên giá thành rẻ, linh kiện chính hãng, chế độ
bảo hành và tƣ vấn, hỗ trợ kĩ thuật tốt.

1.2

MỤC TIÊU
Thiết kế và thi công mô hình máy khắc laser cnc mini có thể sử dụng trong các nhà

xƣởng, các đơn vị làm việc liên quan đến việc cắt khắc trên các chất liệu nhƣ gỗ, giấy,
mica với chi phí thấp.

1.3

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Trong q trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi cơng mơ hình

máy khắc laser cnc mini, nhóm đã tập trung giải quyết và hồn thành đƣợc những nội
dung sau:
Nội dung 1: Chọn đầu khắc laser và động cơ bƣớc.
Nội dung 2: Sử dụng ATmega328P làm vi điều khiển, giao tiếp với mạch điều
khiển động cơ và mạch điều khiển đầu khắc laser.

Nội dung 3: Nghiên cứu chƣơng trình GRBL cho máy khắc để điều khiển máy khắc
laser.
Nội dung 4: Nghiên cứu phần mềm giao tiếp giữa máy tính với máy khắc.
Nội dung 5: Thiết kế và thi công phần cứng.
Nội dung 6: Chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
Nội dung 7: Viết báo cáo thực hiện.
Nội dung 8: Bảo vệ luận văn.

1.4

GIỚI HẠN
Sử dụng laser cơng suất tối đa 2000mW và có thể thay đổi.
Có thể khắc trên nhiều vật liệu khác nhau nhƣ gỗ, mica.
Kích thƣớc mơ hình 60x50.

BỘ MƠN ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP – Y SINH

15


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Bộ khung máy đơn giản, khơng có bàn gá cố định vật khắc vào bộ khung máy.
1.5

BỐ CỤC
 Chƣơng 1: Tổng Quan.
 Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết.
 Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Tốn.
 Chƣơng 4: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá.
 Chƣơng 5: Kết Luận và Hƣớng Phát Triển.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

16


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chƣơng 2.
2.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TÌM HIỂU VỀ MCU ATMEGA328.
Atmega328 là một vi điều khiển đƣợc sản xuất bởi hãng Atmel thuộc họ MegaAVR

có sức mạnh hơn hẳn Atmega8. Atmega328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến
trúc RISC bộ nhớ chƣơng trình Flash 32KB có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB
EEPROM, một bộ nhớ RAM nội lớn (2KB SRAM).
Một số đặc trƣng của vi điều khiển:
 Kiến trúc RISC cải tiến
-

Có 131 instruction mạnh mẽ, mỗi instruction chỉ mất 1 chu kỳ xung clock để
thực thi.

-

Có 32 thanh ghi 8bit.

-

Hoạt động tĩnh hoàn toàn.

-

Tốc độ xử lý dữ liệu nhanh lên đến 16MIPS tại tần số xung clock 16Mhz.

-

Bộ nhân 2 chu kỳ.

 Các phần bộ nhớ không bay hơi với độ bền cao
-

32KB bộ nhớ chƣơng trình flash.

-

1KB EEPROM.

-

2KB SRAM nội.

-

Chu kì ghi/xóa: 10000 lần với bộ nhớ flash, 100000 lần với EEPROM.

-

Khóa lập trình cho việc bảo vệ phần mềm.

 Các đặc trƣng ngoại vi:
-

2 bộ timer/counter 8bit với bộ chia trƣớc và chế độ so sánh.

-

1 bộ timer/counter 16bit với bộ chia trƣớc, chế độ so sánh và chế độ bắt.

-

Đếm thời gian thực với bộ dao động riêng.

-

6 kênh PWM.

-

8 kênh ADC 10bit trong gói IC TQFP và QFN/MLF (6 kênh ADC đối với gói
IC PDIP).

-

Giao tiếp USART có thể lập trình đƣợc.

-

Giao diện nối tiếp chủ/tớ SPI.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

17


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Chuẩn giao tiếp 2 dây (I2C).

-

Bộ định thời watchdog lập trình đƣợc với bộ dao động nội riêng.

-

Bộ so sánh tƣơng tự nội.

-

Ngắt và đánh thức khi thay đổi trạng thái chân.

 Điện áp làm việc từ 2.7V đến 5.5V đối với ATmega328P.
 Cấp tốc độ xung: từ 0 đến 8MHz tại điện áp 2.7V đến 5.5V, từ 0 đến 16MHz tại
điện áp 4.5V đến 5.5V.

Hình 2.1: Sơ đồ chân của IC Atmega328

Port B, C và D là các port I/O hai chiều có điện trở nội kéo lên (cho mỗi chân). Nếu
là ngõ ra và có sử dụng điện trở nội kéo lên thì ngõ ra sẽ ở mức cao, cịn khơng sử dụng
điện trở nội kéo lên sẽ là mức thấp.
Các chân ở port B:
 Chân PB0:
-

ICP1: Input capture của timer/counter 1.

-

CLKO: ngõ ra xung hệ thống.

-

PCINT0: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B0.

 Chân PB1:
-

OC1A: Output compare A của timer/counter 1.

-

PCINT1: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B1.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

18

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Chân PB2:
-

̅̅̅: chân chọn thiết bị tớ của giao tiếp SPI.

-

OC1B: Output compare B của timer/counter 1.

-

PCINT2: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B2.

 Chân PB3:
-

MOSI: chân ra của thiết bị chủ/ vào thiết bị tớ của giao tiếp SPI.

-

OC2A: Output compare A của timer/counter 2.

-

PCINT3: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B3.

 Chân PB4:
-

MISO: chân vào thiết bị chủ/ra thiết bị tớ của giao tiếp SPI.

-

PCINT4: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B4.

 Chân PB5:
-

SCK: ngõ vào xung clock của giao tiếp SPI.

-

PCINT5: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B5.

 Chân PB6:
-

XTAL1: chân 1 dao động xung clock của vi điều khiển hoặc ngõ vào xung
clock ngoại.

-

TOSC1: chân 1 dao động của timer.

-

PCINT6: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B6.

 Chân PB7:
-

XTAL2: chân 2 dao động xung clock của vi điều khiển.

-

TOSC2: chân 2 dao động của timer.

-

PCINT7: ngắt khi thay đổi trạng thái chân B7.

Các chân port C:
 Chân PC0:
-

ADC0: ngõ vào kênh 0 của ADC.

-

PCINT8: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C0.

 Chân PC1:
-

ADC1: ngõ vào kênh 1 của ADC.

-

PCINT9: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C1.

 Chân PC2:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

19


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

ADC2: ngõ vào kênh 2 của ADC.

-

PCINT10: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C2.

 Chân PC3:
-

ADC3: ngõ vào kênh 3 của ADC.

-

PCINT11: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C3.

 Chân PC4:
-

ADC4: ngõ vào kênh 4 của ADC.

-

SDA: đƣờng dây vào/ra dữ liệu của giao tiếp 2 dây.

-

PCINT12: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C4.

 Chân PC5:
-

ADC5: ngõ vào kênh 5 của ADC.

-

SCL: đƣờng dây xung clock của giao tiếp 2 dây.

-

PCINT13: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C5.

 Chân PC6:
-

̅̅̅̅̅̅̅̅̅ : chân reset vi điều khiển.

-

PCINT14: ngắt khi thay đổi trạng thái chân C6.

Các chân port D:
 Chân PD0:
-

RXD: chân nhận của giao tiếp USART.

-

PCINT16: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D0.

 Chân PD1:
-

TXD: chân truyền của giao tiếp USART.

-

PCINT17: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D1.

 Chân PD2:
-

INT0: ngõ ra ngắt ngoại 0.

-

PCINT18: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D2.

 Chân PD3:

-

INT1: ngõ ra ngắt ngoại 1.

-

OC2B: Output compare B của timer/counter 2.

-

PCINT19: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D3.

 Chân PD4:
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

20


BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

XCK: xung clock ngoại vào/ra của USART.

-

T0: ngõ vào đếm ngoại của timer/counter 0.

-

PCINT20: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D4.

 Chân PD5:
-

T1: ngõ vào đếm ngoại của timer/counter 1.

-

OC0B: Output compare B của timer/couter 0.

-

PCINT21: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D5.

 Chân PD6:
-

AIN0: ngõ vào dƣơng bộ so sánh tƣơng tự.

-

OC0A: Output compare A của timer/counter 0.

-

PCINT22: ngắt khi thay đổi trạng thái chân D6.

 Chân PD7:
-

AIN1: ngõ vào âm bộ so sánh tƣơng tự.

-

PCINT23: ngắt khi thay đổi trang thái chân D7.

 Chân VCC: nguồn cung cấp từ 2V đến 5V.
 Chân GND: nguồn cung cấp 0V.
 Chân AVCC: là chân cấp điện áp cho bộ chuyển đổi A/D (ADC). Chân này nên
đƣợc kết nối ngoài với VCC kể cả khi ADC khơng đƣợc dùng. Nếu ADC đƣợc
dùng thì nên kết nối với VCC thông qua mạch lọc thông thấp.
 Chân AREF: là chân điện áp tham chiếu cho ADC.

2.2

TÌM HIỂU VỀ MODULE ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƢỚC.

2.2.1 Một vài đặc trƣng của IC A4988
 Có Rds(on) ở ngõ ra thấp.
 Tự động phát hiện/lựa chọn chế độ điều khiển dịng điện trên tải.
 Có 2 chế độ điều khiển dòng điện trên tải là Mixed decay và Slow decay.
 Điều chỉnh đồng bộ cho cơng suất hao phí thấp.
 Có mạch khóa giảm áp nội (internal UVLO).
 Có bảo vệ dịng chéo.
 Nguồn ni IC tƣơng thích cả 2 mức điện áp 3.3V và 5V.
 Tắt mạch khi quá nhiệt.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

21

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Bảo vệ ngắn mạch.
 Bảo vệ ngắn tải.
 Có 5 chế độ điều khiển: tồn phần, bán phần, phần, phần,

phần.

2.2.2 Sơ đồ chân

Hình 2.2: Sơ đồ chân của IC A4988
Sơ lƣợc chức năng các chân:
 MS1, MS2, MS3: ba chân chọn chế độ điều khiển động cơ bƣớc.
 STEP: chân cấp xung điều khiển cho IC A4988.
 DIR: chọn hƣớng quay cho động cơ.
 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅: bật hoặc tắt chế độ ngủ.
 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ : bật hoặc tắt các ngõ ra FET.
 ̅̅̅̅̅̅̅̅̅ : đƣa bộ dịch về vị trí ban đầu đƣợc xác định trƣớc (Home) và tắt các ngõ
ra FET.
 VREF: chân điện áp tham chiếu.
 VDD: điện áp nuôi IC A4988.
 GND: chân nối mass.
 OUT1A, OUT1B: ngõ ra cầu toàn phần DMOS cho kênh 1 điều khiển pha 1 của
động cơ bƣớc.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

22

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 OUT2A, OUT2B: ngõ ra cầu toàn phần DMOS cho kênh 2 điều khiển pha 2 của
động cơ bƣớc.
 VBB1: điện áp cấp cho cầu 1.
 VBB2: điện áp cấp cho cầu 2.
 SENSE1: nối với điện trở ngoài cho cầu 1.
 SENSE2: nối với điện trở ngoài cho cầu 2.
 CP1, CP2: khối charge pump đƣa 2 chân ra ngoài để kết nối với 1 tụ gốm, nhằm
tạo ra nguồn cấp cho cực cổng (gate) lớn hơn VBB để điều khiển các cực cổng
FET phía cấp dịng (the source-side FET outputs).
 VCP: chân này kết nối với VBB thơng qua 1 tụ gốm, đóng vai trò là nguồn nạp
cho việc điều khiển các cực cổng FET phía cao (the high-side FET gates).
 VREG: điện áp đƣợc tạo ra bên trong đƣợc sử dụng để vận hành các ngõ ra FET
phía rút dịng (the sink-side FET outputs).
 ROSC: thiết lập thời gian tắt cố định.
2.2.3 Sơ đồ khối của IC A4988

Hình 2.3: Sơ đồ khối của IC A4988
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

23