ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CẮT
KHẮC LASER

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC
NGUYỄN THANH MINH
HỒNG HỮU KÍNH

Đà Nẵng, 05/2017


TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài : THIẾT KẾ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CẮT KHẮC LASER
Họ và tên SV : Hồng Hữu Kính
Mã SV:101120350
Họ và tên SV

: Nguyễn Thanh Minh

Lớp

: 12CDT

Mã SV:101120304

GV hướng dẫn : Ths.Nguyễn Đắc Lực
GV duyệt
:
Nội dung đã làm được bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài.
Trong một thời gian khá dài, ngành cơ điện tử đã tập trung nghiên cứu để giải
quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn (hàng loạt và
hàng khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mơ sản xuất hàng loạt
vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, địi hỏi các xí nghiệp này
phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động, đều này đã dẫn tới vấn đề
nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền
sản xuất.
Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật
vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã
tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay
đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất.
Từ những cơ sở trên, chúng em quyết định chọn MÁY CẮT KHẮC LASER làm
đề tài tốt nghiệp.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:
Trong đề tài này chúng em thiết kế cơ cấu cho máy, tìm hiều các phương pháp
điều khiển để đưa ra phương án tối ưu nhất, nghiên cứu chất lượng sản phẩm và đưa ra
giải pháp phù hợp để đảm bảo năng suất chất lượng sản phẩm, từ đó:
-

Tính tốn thiết kế các hệ truyền động chính


-

Thiết kế và thi cơng mơ hình.

3. Nội dung đề tài đã thực hiện :
-

Số trang thuyết minh:

70 trang

-

Số bản vẽ:

5 A0

-

Mơ hình: 1 mơ hình máy cắt khắc laser

iii


4. Kết quả đã đạt được:
* Phần lý thuyết đã tìm hiểu:
- Tổng quan về tia laser và các ứng dụng của tia laser.
- Các sản phẩm của máy cắt khắc laser và một số máy trên thị trường.
- Giới thiệu một số bộ truyền, lựa chọn phương án thiết kế máy cắt khắc laser.

- Tính tốn lựa chọn các thành phần, bộ truyền sử dụng trong máy cắt khắc laser.
- Giới thiệu thành phần và các module chức năng điều khiển động cơ.
- Giới thiệu phần mềm điều khiển từ xa, phần mềm tạo các tập tin và lập trình gia cơng.
* Đã lựa chọn và thiết kế phần:
- Lựa chọn thiết kế các bộ phận chính.
- Lựa chọn chất liệu làm khung máy và diện tích làm việc.
- Cơ cấu truyền động theo trục X và trục Y.
- Chọn các loại động cơ sử dụng.
- Bộ truyền đai răng – puly.
- Chọn ổ trượt và trục trượt.
- Nghiên cứu các mạch điều khiển.
- Sử dụng các phần mềm chun dụng xuất tập tin lập trình gia cơng.
* Kèm mơ hình máy cắt khắc laser.

i


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên :
Họ và tên sinh viên :
Lớp :


12CDT

Hoàng Hữu Kính
Nguyễn Thanh Minh
Khóa :

2012 - 2017

Số thẻ sinh viên : 101120350
Số thẻ sinh viên : 101120304
Ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1. Tên đề tài tốt nghiệp :
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY CẮT KHẮC LASER
2. Đề tài thuộc diện:  Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
3. Các số liệu ban đầu:
Tham khảo thực tế
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn
- Tổng quan về máy CNC
- Thiết kế kết cấu bộ phận máy
- Chọn lựa cơ cấu hệ thống truyền động
- Nghiên cứu và ứng dụng các module điều khiển
- Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm chuyên dụng để thiết kế và điều khiển
5. Các bản vẽ và đồ thị:
- Bản vẽ tổng quát (A0)
- Bản vẽ sơ đồ động (A0)
- Bản vẽ trục x (A0)
- Bản vẽ trục y (A0)
- Bản vẽ hệ thống điều khiển (A0)

6. Họ và tên người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Đắc Lực
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
02/02/2017
8. Ngày hoàn thành đồ án :

29/05/2017
Đà Nẵng, ngày tháng năm 2017

Trưởng bộ môn

Người hướng dẫn

i


LỜI CÁM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa Cơ khí và bộ mơn Cơ
điện tử trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Đà Nẵng đã tận tụy dạy dỗ, truyền đạt
cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua để chúng em có
kiến thức hồn thành được đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đắc Lực đã tận tình hướng dẫn,
chỉ bảo chúng em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài này.
Chúng con xin chân thành cảm ơn gia đình và người thân đã ủng hộ, động viên
chúng con trong quá trình học tập, nghiên cứu.
Xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp 12CDT đã tham gia đóng góp ý
kiến trong suốt q trình thực hiện để nhóm có thể hồn thành tốt đề tài này.
Mặc dù được sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Nguyễn Đắc Lực, nhưng do
cơng nghệ cịn hạn chế, kinh nghiệm thiết kế chưa trau dồi nhiều, tài liệu phục vụ cho
công việc thiết kế cịn q ít nên cũng khơng tránh khỏi những bỡ ngỡ. Sau thời
gian 3 tháng làm đề tài này bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của

thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong
khoa chúng em đã hoàn thành xong đồ án này đúng thời gian quy định. Một lần nữa
cho phép chúng em gửi đến quý thầy cô cùng các bạn lịng biết ơn sâu nhất.

Đà Nẵng, ngày

tháng

năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hồng Hữu Kính

Nguyễn Thanh Minh

ii


CAM ĐOAN

Kính gửi: - Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
- Khoa Cơ Khí
Chúng em xin cam đoan nội dung của đồ án không phải sao chép bất cứ đồ án
hay cơng trình nào đã có trước đây. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện đồ án này đã
được cảm ơn, các thơng tin trích dẫn trong đồ án đã được ghi nguồn gốc rõ ràng và được
phép công bố.

Nhóm sinh viên thực hiện:


Hồng Hữu Kính

Nguyễn Thanh Minh

ii


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

MỤC LỤC

Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án
Lời nói đầu và cảm ơn
Lời cam đoan liêm chính học thuật
Mục lục
Danh sách các bảng biểu, hình vẽ và sơ đồ
Danh sách các cụm từ viết tắt
Trang
MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC ...................................................2
1.1 Lịch sử phát triển .....................................................................................2
1.1.1 Lịch sử .................................................................................................2
1.1.2. Một số máy NC. ..................................................................................4
1.1.3. Các thành phần cơ bản của máy NC. ...................................................5
1.2 Máy CNC là gì? ........................................................................................6
1.2.1 Khái niệm.............................................................................................6
1.2.2 Đặc điểm chung ...................................................................................7
1.3 Giới thiệu về máy CNC cắt khắc laser ...................................................7
1.3.1 Cơ chế bóc vật liệu ...............................................................................8

1.3.2 Các loại Laser ......................................................................................8
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng ................................................. 11
1.4 Ứng dụng của máy cắt khắc laser ........................................................ 12
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

5


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

1.4.1 Khắc khn mẫu ................................................................................ 12
1.4.2 Ngành sản xuất bao bì ........................................................................ 13
1.4.3 Ứng dụng trong ngành quảng cáo ....................................................... 15
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU BỘ PHẬN MÁY ................................. 18
2.1 Thông số kỹ thuật chung của máy ......................................................... 18
2.1.1 Vùng làm việc .................................................................................... 18
2.1.2 Bàn máy ............................................................................................ 18
2.1.3 Tải trọng, động cơ ............................................................................. 18
2.1.4 Cơ cấu truyền động ........................................................................... 19
2.1.5 Đầu cắt laser ...................................................................................... 20
2.2 Phân tích các phương án thiết kế máy.................................................. 20
2.2.1 Lựa chọn kiểu bàn máy ...................................................................... 20
2.2.2 Phương án thiết kế bộ truyền .............................................................. 21
2.3 Thiết kế máy .......................................................................................... 27
2.3.1 Khung máy......................................................................................... 27
2.3.2 Cơ cấu dẫn hướng .............................................................................. 28
2.3.3 Cụm chuyển động trục X.................................................................... 34
2.3.4 Cụm chuyển động trục Y.................................................................... 37

2.3.5 Chọn động cơ bước ........................................................................... 39
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .................................. 42
3.1

Tổng quát về các thành phần của hệ thống ....................................... 42

3.2

Phần cứng ........................................................................................... 43

3.2.1. Giới thiệu về arduino UNO R3 .......................................................... 43
3.2.2. Driver động cơ bước ......................................................................... 48
3.2.3 Mạch điều khiển Laser ....................................................................... 53

SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

6


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

3.3 Phần mềm .............................................................................................. 54
3.3.1. Giới thiệu phần mền Inkscape ........................................................... 54
3.3.2. Giới thiệu phần mềm GLBL .............................................................. 56
3.3.3. Giới thiệu phần mền Teamviewer...................................................... 54
CHƯƠNG 4: KẾT NỐI VỚI MÁY TÍNH VÀ SỬ DỤNG MÁY .................. 60
5.2 Khởi động và sử dụng phần mềm Inkscape .......................................... 60
5.2 Khởi động và sử dụng phần mềm GRBL Controller............................ 62

5.2.1 Thiết lập thông số cho phần mềm GRBL Controller ........................... 63
5.2.2 Chạy thử máy ..................................................................................... 67
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 70
PHỤ LỤC

SVTT: Hoàng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

7


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Trang
Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống NC ...............................................5
Hình 1.2 Khắc laser ngành khn mẫu .............................................................. 13
Hình 1.3 Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì ................................................. 14
Hình 1.4 Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo .......................................... 15
Hình 1.5 Ứng dụng máy khắc laser để khắc dấu ................................................. 16
Hình 1.6 Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí ............. 16
Hình 1.7 Đột mã hiệu , mã 2D, thơng tin... lên động cơ xe, máy móc ................. 17
Hình 2.1 Sơ đồ khối của máy ............................................................................. 18
Hình 2.2 Bộ truyền bulong – đai ốc ................................................................... 21
Hình 2.3 Trục vít – đai ốc .................................................................................. 22
Hình 2.4 Ghép nối trục vít – đai ốc .................................................................... 22
Hình 2.5 Mơ phỏng phương án trục vít me – đai ốc ........................................... 23

Hình 2.6 Trục vít me bi – đai ốc ........................................................................ 24
Hình 2.7 Trục vít me bi – đai ốc ........................................................................ 24
Hình 2.8 Truyền động bằng đai răng .................................................................. 25
Hình 2.9 Đai – pulley răng ................................................................................. 25
Hình 2.10 Mơ phỏng phương án truyền động bằng đai răng ............................... 26
Hình 2.11 Thép hộp vng mạ kẽm ................................................................... 27
Hình 2.12 Khung máy mơ phỏng trên solidworks 2013 ..................................... 28
Hình 2.13 Con trượt trịn SBR ........................................................................... 30
Hình 2.14 Con trượt trịn SCS ........................................................................... 30
Hình 2.15 Gối đỡ ray trượt trịn SK ................................................................... 31
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

8


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

Hình 2.16 Gối đỡ ray trượt trịn SHF ................................................................. 31
Hình 2.17 Ray trượt trịn có đế .......................................................................... 32
Hình 2.18 Trục trượt trịn .................................................................................. 33
Hình 2.19 Dây đai và Pulley GT2 ...................................................................... 33
Hình 2.20 Cụm chuyển động trục X .................................................................. 34
Hình 2.21 Cụm chuyển động trục Y .................................................................. 37
Hình 2.22 Động cơ bước 42............................................................................... 41
Hình 2.23 Động cơ bước 23............................................................................... 41
Hình 3.1 Các thành phần chính của hệ điều khiển .............................................. 42
Hình 3.2 Mạch Arduino UNO R3 ...................................................................... 43
Hình 3.3 Chip Atmega trên board Arduino UNO ............................................... 44

Hình 3.4 Các cổng vào/ra trên board Arduino UNO .......................................... 46
Hình 3.5 Mơi trường lập trình Arduino IDE ...................................................... 48
Hình 3.6 Driver điều khiển động cơ TB6560 ..................................................... 48
Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển driver động cơ bước ......................................... 50
Hình 3.8 Sơ đồ mạch nguồn driver .................................................................... 51
Hình 3.9 Sơ đồ mạch điều khiển và cách ly driver ............................................. 51
Hình 3.10 Các cơng tắc điều chỉnh các chế độ driver ......................................... 52
Hình 3.11 Sơ đồ mạch điều khiển động cơ của driver ........................................ 53
Hình 3.12 Driver điều khiển đầu khắc laser ....................................................... 53
Hình 3.13 Phần mềm Xử lý đồ họa vector inkscape ........................................... 55
Hình 3.14 Phần mềm điều khiển máy khắc laser GRBL controller .................... 56
Hình 3.15 Giao diện chính của phần mềm TeamViewer 12 ............................... 57
Bảng 3.1 Quy tắc điều chỉnh độ mịn trong motor driver .................................... 50

SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

9


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

SVTT: Hoàng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

10



Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án tốt nghiệp là đồ án cuối cùng của sinh viên trường đại học Bách Khoa
nói chung và của sinh viên ngành Cơ điện tử nói riêng. Đồ án tốt nghiệp là thước đo
cuối cùng của sinh viên Cơ điện tử trước khi trở thành một kỹ sư. Đồ án tốt nghiệp
nghành kỹ thuật Cơ điện tử đòi hỏi sinh viên phải nắm vững về cả lý thuyết và thực
hành.
Trong số rất nhiều các sản phẩm Cơ điện tử ứng dụng vào trong cơng nghiệp
thì máy cơng cụ CNC là một trong những lĩnh vực mũi nhọn trong công nghiệp. Được
ứng dụng cực kỳ rộng rãi trong nhiều ngành nghề, tạo ra các sản phẩm chất lượng mà
tiết kiện thời gian công sức cho người lao động. Một trong những ứng dụng được sử
dụng nhiều nhất là máy công cụ cắt khắc laser CNC.
Vậy, chúng em xin thực hiện đồ án tốt nghiệp ngành kỹ thuật Cơ điện tử với
nội dung nghiên cứu chế tạo máy cắt khắc laser CNC. Đồ án này gồm 4 chương với nội
dung như sau:
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Thiết kế kết cấu bộ phân máy
- Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
- Chương 4: Kết nối và sử dụng máy

Đà Nẵng, ngày tháng

năm 2017

Nhóm sinh viên thực hiện:

Hồng Hữu Kính
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh


Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

1


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
1.1.1 Lịch sử
CNC (Computer Numercal Control) có tiền thân từ máy cơng cụ NC (Numercal
Control). NC là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hoá bởi các con
số, các chữ cái, các kí tự mà bộ sử lý trung tâm có thể hiểu được. Những lệnh này
được điều chế thành các xung áp hay dịng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ
cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy. Những con số, chữ cái, ký tự trong tập
lệnh dùng để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu
và thao tác trên phôi.
NC được sớm sử dụng trong các mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy
diệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo. Thậm chí sớm
hơn nữa, những chiếc máy đánh chuông tự động được sử dụng ở nhà thờ lớn châu Âu
và một số nhà thờ ở Hoa Kỳ. Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời. Nó dùng các
cuộn giấy đục lỗ săn, dựa vào các lỗ thủng đó để tự động điều khiển các phím ấn.
Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Whitney, đã chuyển
đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa trên kỹ năng của thợ thủ
công nay được làm trên máy . Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời , hệ thống sản xuất
hàng loạt nhanh chóng được nền cơng nghiệp chấp nhận và đua vào để sản xuất một số

lượng lớn các chi tiết giống hệt nhau. Ở nửa sau của thế kỷ 19,một số lượng lớn các
máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt , máy khoan,
máy cán, máy mài. Cùng với nó, các cơng nghệ điều khiển bằng thuỷ lực, khí nén,
bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động địi hỏi sự chính xác trở nên
dễ dàng hơn.
Năm 1974, không lực Hoa kỳ thấy rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình dạng
của các chi tiết máy bay, như cánh quạt của trực thăng hay các chi tiết của đầu phóng
tên lửa chính là ngun nhân khiến các nhà sản xuất khơng giao hàng đúng hẹn. Khi
đó, John Parsons, Parsons Corporion, thành phố Traverse, bang MIchigan đã bắt đầu
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

2


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

nghiên cứu với ý tưởng về một chiếc máy cơng cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử
dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy. Năm 1949, USAMD giao cho
Parsons một hợp đồng phát triển NC và phương pháp tăng tốc trong sản xuất. Parsons
sau đó đã chuyển thầu lại cho phịng thí nghiệm Servomechanism đại học
Massachusetts Institute ị Technology (MIT). Năm 1952 họ đã thành cơng với chiếc
máy có đầu cắt chuyển động ba chiều. Rất nhanh sau đố, hầu hết các nhà sản xuất máy
công cụ đều cho ra các máy NC. Năm 1960, tại triển lãm máy công cụ ở Chicago, hơn
100 máy NC đã được trưng bày. Hầu hết các máy đều giống nhau ở nguyên tắc điều
khiển vị trí điểm - điểm. Nguyên lý của máy NC được thiết lập một cách vững chãi.
Từ đây, NC được cải tiến nhanh chóng trong công nghiệp điện tử để phát triển các sản
phẩm mới. Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Sự phát
triển của máy công cụ, các bộ điều khiển khiến cho chúng được sử dụng nhiều hơn.

Cho đến năm 1976, những máy NC điều khiển hồn tồn tự động theo chương
trình mà các thơng tin viết dưới dạng số đã được sử dụng rộng rãi. Cũng vào năm đó,
người ta đưa một máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc
tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy, các máy này được gọi là các máy CNC
(Computer Numerical Control). Và sau đó, các chức năng trợ giúp cho q trình gia
cơng ngày càng phát triển. Vào năm 1965 thì hệ thống CAD-CAM-CNC ra đời. Năm
1984 thì đồ hoạ máy tính phát triển, được ựng dụng để mơ phỏng q trình gia cơng
trên máy cơng cụ điều khiển số.
Năm 1994, hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm
CAD cho phép mô phỏng được các bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đồng thời
nó cho phép tính tốn mơ phỏng các bề mặt phức tạp, từ đó tính tốn chính xác đường
nội suy với độ mịn, độ sắc nét cao.
Cho đến ngày nay, người ta cịn ứng dụng cơng nghệ nano vào hệ điều khiển
máy CNC. Năm 2001 hãng FANUC đã chế tạo hệ điều khiển nano cho máy CNC, mở
ra một trang mới về công nghệ chế tạo máy công cụ.
1.1.2. Một số máy NC.
Với những chiếc máy công cụ trước đây, luôn phải có người đứng bên máy để
điều khiển các hoạt động của máy. Những loại này đã mất dần ưu thế khi máy NC ra
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

3


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

đời, người điều khiển không phải điều khiển các chuyển động của máy nữa. Ở các máy
cơng cụ truyền thống, chỉ có 20% thời gian hoạt động là để gia công vật liệu. Khi thêm
phần điều khiển điện tử thì thời gian gia cơng tăng lên 80%, thậm chí cao hơn. Đồng

thời cũng giam bớt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí u cầu.
Trước đây, các máy cơng cụ sản suất sao cho càng đơn giản càng tốt để giảm
giá thành. Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với bộ điều
khiển điện tử ra đời, khiến cho nền cơng nghiệp có thể cho ra những sản phẩm tốt hơn
với giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh với những nền cơng nghiệp nước ngồi.
NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp
nhất. Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy
phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng.
* Máy khoan thẳng đơn trục.
Một trong những máy NC đơn gian nhất là máy khoan đơn trục. Hầu hết các
máy khoan đều được lập trình trên 3 trục:
- Trục X điều khiển bàn máy di chuyển sang trai hoặc sang phải.
- TrucY điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.
- Trục Z điều khiển chuyển động lên xuống của mũi khoan.
* Máy tiện.
Là một trong những chiếc máy có hiệu quả nhất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc
gia cơng các khối trịn. Máy tiện được lập trình trên 2 trục:
- Truc X điều khiển chuyển động dọc của đầu dao, vào hay ra.
- Trục Z điều khiển chuyển động của mẫu vật tiến vào hay rời khỏi bệ đỡ.
* Máy phay
Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiệp. Các
công năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay
có thể đảm nhiệm. Máy phay thường dùng thường được lập trình trên ba trục:
- Trục X điều khiển bàn máy chuyển động sang trái, phải.
- Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.
- Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao.
* Trung tâm gia công tiện

SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh


GVHD: Nguyễn Đắc Lực

4


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

Trung tâm gia công tiện (Turing Center) ra đời giữa thập niên 60 sau khi nhóm
nghiên cứu chỉ ra rằng 40% các loại gia công kim loại được làm bằng phương pháp
tiện. Chiếc máy NC này có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, hiệu suất cao
hơn so với chiếc máy tiện thông thường. Turing Center cơ bản chỉ thao tác trên hai
trục :
a) Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện
b) Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện
+) Trung tâm cơ khí đa năng.
Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60. Được tích hợp nhiều tính năng
tại cùng một địa điểm. Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mẫu vật có thể thực
hiện chỉ với một lần cài đặt duy nhất. Nhờ vậy mà tốc độ, năng suất máy tăng lên đáng
kể so với những máy điều khiển số thông thường
1.1.3 Các thành phần cơ bản của máy NC
Chương trình

Hệ thống điều khiển

Máy cơng cụ

Hình 1.1 : Các thành phần cơ bản của hệ thống NC
a. Chương trình điều khiển
Là những tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì. Các lệnh này được
mã hóa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bị điều khiển có thể nhận dạng được. Chương

trình điều khiển có thể được lưu trữ trên phiếu đục lỗ băng đục lỗ, băng từ. Thí dụ
chương trình gia cơng:

SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

5


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

b. Bộ điều khiển
Là thành phần thứ 2 của hệ thống điều khiển số.
Nó bao gồm các bo mạch điện tử và phần cứng có thể đọc và biên dịch chương
trình điều khiển và truyền đến máy công cụ.
Các thành phần cơ bản của bộ điều khiển:
-

Bộ lưu dữ liệu

-

Bộ phân phối dữ liệu

-

Bộ liên hệ ngược

-


Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên.
Cần phải lưu ý là gần như tất cả các máy NC hiện đại được bán là có trang bị bộ

điều khiển gọi là Microcomputer. Vì vậy mà chúng được gọi là máy CNC.
1.2

MÁY CNC LÀ GÌ?
1.2.1 Khái niệm
CNC (Computer numerical control) là một dạng máy NC điều khiển tự động có

sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động
theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra
được mẫu vật với hình dạng và kích thước u cầu
1.2.2 Đặc điểm chung
Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thơng qua việc điều khiển số
vẫn được duy trì khơng đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện. Tuy nhiên các chức năng và
công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho
phép sử dụng ở mức độ tự động hố cao.
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

6


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy
thơng thường được một người cơng nhân có tay nghề điều khiển bằng tay. Anh ta đọc

bản vẽ chi tiết rồi sư dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế
chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành.
Các máy công cụ NC là các thiết bị gia cơng có thể lập trình tự do và phù hợp
với việc sản xuất tự động loạt nhỏ và trung bình.
Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các
chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay. Tính linh hoạt của máy NC
đật được là do:
- Khả năng lặp lai trong các chương trình thực hiện.
- Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao
trên máy cơng cụ khi u cầu.
- Khơng cịn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm
mẫu, nghĩa là khơng cần mọi sự điều chỉnh cơ khí.
- Khả năng đưa các giá trị công nghệ
1.3

GIỚI THIỆU VỀ MÁY CNC CẮT KHẮC LASER
Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là

loại laser hồng ngọc (rắn). Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium,
laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd: YAG, laser hóa, laser khí
kim loại,…
Để sử dụng gia cơng vật liệu, laser phải có đủ năng lượng. Người ta thường
dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy
tinh và laser excimer. Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì cơng
suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện. Laser rất thích hợp cho việc gia
cơng các vật liệu mà các phương pháp gai cơng truyền thống khó hoặc khơng thể gia
cơng được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số
vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và
gốm.


SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

7


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

1.3.1 Cơ chế bóc vật liệu
Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có
chùm tia laser được nung nóng. Q trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp,
tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi
tiết. Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha,
chảy, và/hoặc bốc hơi. Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của
chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng
chảy rồi bốc hơi vật liệu. Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma
trên bề mặt của vật liệu. Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của q trình gia cơng do
làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết.
Q trình gia cơng xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất
mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ. Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập và
được và bên trong vật liệu. Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn
nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau. Do đó các yếu tố
nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu. Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng,
tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng, mức độ oxy hóa vật liệu
cũng như nhiệt độ. Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm
nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu.
1.3.2 Các loại Laser
Theo vật liệu cấu tạo nên mơi trường hoạt tính, có thể chia laser thành bốn loại
chính sau: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng.

Laser rắn:
Trong laser rắn thì mơi trường hoạt tính là chất rắn. Vật liệu của chất rắn kích
thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc
tổnghợp, tri-nhôm-granat (YAG), Neodim-ytrinhôm-granat Nd… tạp chất tích cực
chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium. Vật
liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo.
Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%. Tuy nhiên, loại
laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau như trong thơng tin liên lạc, vơ tuyến truyền hình, trong cơng nghiệp, y tế,
qn sự, …
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

8


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

Laser bán dẫn:
Mơi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani,
silic, axenit gali,…). Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào
khác. Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên,
trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán
dẫn cũng cịn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được
cao lắm. Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn
(hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều. Tuy vậy, công suất bức xạ của loại
laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác
được.
Laser khí:

Ưu điểm của loại laser khí là cơng suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng
cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục. Dải bước sóng của loại laser
khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại. Mơi trường hoạt tính của loại laser khí
là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau. Thơng dụng nhất là khí ngun tử neon,
agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt
cacbon, cacbonic, hơi nước, …
So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất
cao, nó khơng gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ
laser trong chất khí rất cao.
Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu
thuật mắt. Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen. Trong một lần
phóng điện, một ngun tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một
chất nhị trùng.
Laser lỏng:
Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có mơi trường hoạt tính
chất lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất
màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Mơi
trường hữu cơ đóng vai trị trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích
thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi. Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là
mơi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

9


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

sáng kích thích. Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vơ cơ để tránh sự phân

hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vơ cơ có cơng suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có
thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vơ cơ
lỏng có thể cho cơng suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn
với năng lượng hàng trăm Jun.
Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con
người, do đó khi làm việc với nó phải tn theo nhiều biện pháp an tồn phức tạp. Nói
chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của
nó.
Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội mơi trường hoạt tính rất đơn giản,
bằng phương pháp lưu thơng dịng chất lỏng trong laser.
Laser Gamma:
Cơ sở vật lý của laser gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá
trình bức xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia gamma với chất lượng cao. Trong laser
gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân
phóng xạ. Hạt nhân sẽ bức xạ tia gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng lượng
cao xuống các mức năng lượng thấp hơn. Hiện tượng bức xạ tia gamma này gọi là hiện
tượng phân rã gamma. Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các
notron, proton hay tia Gamma.
Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác.
Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong mơi trường hoạt tính của loại laser này phức
tạp hơn nhiều. Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn. tuy nhiên kỹ thuật chế tạo
nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi. Nhờ sự ra
đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước
sóng một vài amstrong (Ao). Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương
pháp cuối cùng của kỹ thuật laser.
1.3.3 Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng
Ưu điểm:
 Không cần dùng buồng chân khơng.
 Khơng có vấn đề tích điện trong mơi trường.
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh


GVHD: Nguyễn Đắc Lực

10


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

 Không có phóng xạ Rơn-ghen.
 Có khả năng làm việc trong mơi trường khơng khí, khí trở, chân khơng, hoặc
ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang.
 Có thể gia cơng tất cả vật liệu.
 Khơng có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi.
 Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh
do nhiệt độ.
 Sự chính xác và khả năng gia cơng các lỗ nhỏ và đường cắt chuẩn xác với biến
dạng xung quanh vùng gia cơng ít.
 Thời gian tồn tại của xung gia cơng ngắn do đó năng suất cao.
 Có khả năng tạo ra các rãnh rất hẹp.
 Chế độ gia công êm hơn các gia công khác.
Nhược điểm:
 Hiệu suất thấp.
 Khó điều chỉnh cơng suất ra.
 Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử.
 Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng.
 Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn.
 Giá thành cao.
 Cần phải xác định chính xác điểm gia cơng.
 Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi.
Phạm vi sử dụng:

 Trong công nghiệp, laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt, tiện, phay...
các loại vật liệu có độ nóng chảy cao kể cả phi kim.
 Các các rãnh nông, chạm khắc các dụng cụ đo và các chi tiết thép, khắc logo
trên vật liệu kim loại và phi kim.
 Gia công các chi tiết cực nhỏ.
 Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim
cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia
cơng.
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

11


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

 Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ.
 Cân bằng động lực cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ
chính xác cao khơng có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng,
bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết.
 Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh
khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử.
 Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính.
 Gia cơng các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC). Làm vi
mạch điện tử.
 Tạo mẫu nhanh.
 Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải.
Ngồi ra laser cịn được ứng dụng trong y khoa như giải phẫu, điều trị bệnh bong
võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu. Trong cuộc sống hàng ngày thì laser có trong

máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khác nữa.

1.4 ỨNG DỤNG CỦA MÁY CẮT KHẮC LASER
1.4.1 Khắc khuôn mẫu
Công nghệ khắc khuôn mẫu bằng laser mang lại cho nền công nghiệp chế tạo
cơng cụ, khn mẫu khá nhiều lợi ích quan trọng. Một trong những lợi thế đó là khả
năng xử lý vật liệu không tiếp xúc, khả năng tập trung các chùm tia cao giúp tạo ra các
vết khắc bền, khơng dễ bị hư hỏng hay bong tróc. Trên thực tế, quy trình xử lý khơng
tiếp xúc giúp làm giảm nguy cơ gây hại và gây biến dạng khuôn mẫu. Bên cạnh đó, do
đặc tính khơng làm hao mịn vật liệu, công nghệ laser luôn đảm bảo độ khắc chính xác
cao và có khả năng khắc lặp lại cùng hàng loạt các ưu điểm tiêu biểu sau:

SVTT: Hoàng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

12


Thiết kế và chết tạo máy cắt khắc laser

Hình 1.2 Khắc laser ngành khn mẫu
Có thể khắc trên các vùng làm việc khó tiếp cận và những phơi khắc lồi/ lõm
với độ chính xác cao.
Khắc với tốc độ cực nhanh 1500 mm/ giây - tăng gấp 30 lần so với phương pháp trước
đây.
An tồn với mơi trường xung quanh vì tia laser không sản sinh các chất độc hại
như phương pháp khắc axis.
1.4.2 Ngành sản xuất bao bì
Ngày nay, cơng nghệ laser được sử dụng phần lớn trong ngành sản xuất bao

bì sản phẩm để khắc mã hiệu, hạn sử dụng trực tiếp lên vỏ sản phẩm, thường được
dùng để thay các phương thức khác như in phun mực nhằm mang lại chất lượng cao
hơn cho sản phẩm bao bì. Cơng nghệ khắc laser cịn được ứng dụng rất linh hoạt trên
nhiều loại chất liệu bao bì khác nhau như nhựa, kim loại, thuỷ tinh, giấy... và mang lại
hiệu quả nhất định cho mục đích sử dụng bao bì sản phẩm đó. Sau đây là hàng loạt
cơng dụng chính mà cơng nghệ laser có thể giúp ích cho nhu cầu sản xuất bao bì của
bất kỳ doanh nghiệp sản xuất nào.
Cơng nghệ Laser có thể:
+ Laser làm cho bao bì dễ mở hơn
SVTT: Hồng Hữu Kính – Nguyễn Thanh Minh

GVHD: Nguyễn Đắc Lực

13