Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công máy khắc laser CNC chi tiết

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế và thi công máy khắc laser CNC. Báo cáo chi tiết từ sơ đồ, linh kiện, lập trình đến sản phẩm hoàn thiện.

• Tác giả: Phan Thông
• Người hướng dẫn: Th.s Nguyễn Trường Duy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Máy Khắc Laser CNC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Máy khắc Laser CNC

Máy khắc laser CNC là một thiết bị hiện đại kết hợp công nghệ laser với hệ thống điều khiển số (CNC) để thực hiện các công việc khắc, cắt và đánh dấu trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Đồ án thiết kế và thi công máy khắc laser CNC là một dự án điển hình trong lĩnh vực điện tử công nghiệp, được thực hiện tại các trường đại học kỹ thuật nhằm rèn luyện kỹ năng thực tiễn cho sinh viên. Máy khắc laser CNC hoạt động dựa trên nguyên lý tập trung năng lượng laser cao vào một điểm nhỏ trên bề mặt vật liệu, làm bốc hơi hoặc làm cháy bỏ các phần vật liệu đó. Hệ thống điều khiển động cơ bước đảm bảo độ chính xác cao trong việc định vị tọa độ X, Y trên mặt phẳng khắc. Ứng dụng của máy khắc laser CNC rất đa dạng, từ khắc chữ, logo trên các sản phẩm gỗ, acrylic, da cho đến cắt các hình dạng phức tạp với độ chính xác cao.

1.1. Đặc điểm và ưu điểm của Laser CNC

Laser CNC có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khắc truyền thống. Độ chính xác cao với sai lệch chỉ vài micromet, tốc độ xử lý nhanh, không làm hỏng vật liệu xung quanh vùng khắc, và có khả năng khắc trên nhiều loại vật liệu như gỗ, acrylic, da, giấy, vải. Hệ thống CNC tự động giúp tăng năng suất lao động và giảm chi phí sản xuất.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của Máy khắc Laser CNC

Máy khắc laser được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế biến gỗ, sản xuất quà tặng, công nghiệp dệt may, sản xuất linh kiện điện tử. Đặc biệt, laser diode có công suất thấp được dùng cho các ứng dụng khắc trên vật liệu mỏng như acrylic, giấy, vải với chi phí hợp lý.

II. Cấu trúc và các thành phần chính

Một máy khắc laser CNC hoàn chỉnh bao gồm nhiều thành phần điện tử và cơ khí phối hợp với nhau. Phần điều khiển chính sử dụng vi điều khiển ATmega328 để xử lý các lệnh từ máy tính và điều khiển các bộ phận khác. Hệ thống điều khiển động cơ bước sử dụng IC A4988 để điều khiển hai động cơ bước 2 pha, mỗi động cơ được gán cho trục X và Y. Laser diode là nguồn phát sáng chính, được điều khiển bằng tín hiệu PWM. Mạch giao tiếp USB sử dụng IC CH340G để kết nối với máy tính và truyền dữ liệu thiết kế. Hệ thống công tắc hành trình giúp xác định vị trí tham chiếu và bảo vệ máy khỏi chuyển động vượt quá giới hạn.

2.1. Hệ thống điều khiển vi điều khiển

ATmega328 là vi điều khiển 8-bit phổ biến, có khả năng lập trình qua USB, tích hợp RAM và EEPROM đủ để xử lý các thuật toán điều khiển phức tạp. Vi điều khiển nhận tín hiệu từ các cảm biến công tắc hành trình và gửi lệnh điều khiển đến các module điều khiển động cơ bước cũng như điều khiển công suất laser.

2.2. Hệ thống điều khiển động cơ và laser

IC A4988 là driver đặc biệt cho động cơ bước, hỗ trợ vi bước 1/16 để tăng độ mịn chuyển động. Laser diode được điều khiển bằng tín hiệu PWM, cho phép điều chỉnh cường độ phát sáng. Module giao tiếp USB CH340G cung cấp cổng truyền dữ liệu ổn định, giúp tải chương trình và gửi lệnh khắc từ máy tính.

III. Quy trình thiết kế và tính toán

Quy trình thiết kế máy khắc laser CNC bắt đầu bằng xác định yêu cầu kỹ thuật: kích thước vùng khắc, độ chính xác, công suất laser và loại vật liệu cần xử lý. Tiếp theo, thực hiện tính toán các thông số cơ khí như tỷ số truyền cho trục X, Y, áp lực lên vật liệu và tốc độ chuyển động của laser. Phần thiết kế mạch điện bao gồm xác định các linh kiện, tính toán điện áp, dòng điện cho từng khối, và thiết kế mạch in (PCB). Sơ đồ khối hệ thống được vẽ để minh họa mối liên hệ giữa các thành phần. Sau đó, thiết kế sơ đồ nguyên lý chi tiết cho từng khối như khối giao tiếp, khối điều khiển, khối nguồn. Cuối cùng, tạo bản thiết kế mẫu PCB 2 lớp hoặc nhiều lớp, tối ưu hóa bố trí các linh kiện để giảm nhiễu điện từ.

3.1. Xác định yêu cầu thiết kế kỹ thuật

Yêu cầu thiết kế bao gồm vùng khắc khoảng 20×20cm, độ chính xác ±1mm, laser diode công suất 2-5W cho khắc acrylic và gỗ, tốc độ khắc tối đa 100mm/s. Hệ thống giao tiếp USB cho phép nạp thiết kế trực tiếp từ máy tính, có nút khẩn cấp dừng máy.

3.2. Tính toán thông số cơ khí và điện

Tính toán mô men xoắn của động cơ bước dựa trên lực cần thiết để di chuyển khung chứa laser. Tính toán công suất nguồn là tổng của công suất laser (5W), vi điều khiển (1W) và động cơ (10W), cộng lề an toàn 20%. Thiết kế mạch cấp nguồn sử dụng adapter DC 12V hoặc pin LiPo với khả năng cung cấp ít nhất 2A.

IV. Thi công lập trình và hướng dẫn sử dụng

Thi công máy khắc laser CNC bao gồm nhiều bước: thực hiện in PCB mạch điều khiển, hàn các linh kiện điện tử, lắp ráp khung cơ khí từ các profile nhôm, gắn động cơ bước và laser diode, lắp đặt các công tắc hành trình. Phần lập trình vi điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C/Arduino, xử lý các tín hiệu từ cảm biến, điều khiển xung của động cơ bước và tín hiệu PWM cho laser. Phần mềm giao tiếp cho máy tính được phát triển để chuyển đổi file thiết kế (G-code hoặc vector) thành các lệnh điều khiển gửi qua cổng USB. Sau khi thi công hoàn thành, cần viết tài liệu hướng dẫn sử dụng chi tiết, bao gồm: hướng dẫn lắp ráp, cài đặt phần mềm, quy trình hiệu chuẩn máy, các lưu ý an toàn khi sử dụng laser, và hướng dẫn bảo dưỡng định kỳ.

4.1. Các bước thi công phần cứng

Thi công mạch điểm bằng cách hàn từng linh kiện theo sơ đồ, kiểm tra điện áp ở các điểm ngành. Lắp ráp khung máy sử dụng profile nhôm 2020, gắn động cơ bước bằng các vít M5, sắp xếp hệ thống truyền động. Lắp đặt laser diode trong vỏ bảo vệ, gắn các công tắc hành trình ở vị trí tính toán.

4.2. Lập trình và hướng dẫn sử dụng

Lập trình vi điều khiển để nhận tín hiệu USB từ máy tính và điều khiển các khối. Viết tài liệu hướng dẫn bao gồm cài đặt phần mềm máy tính, hiệu chuẩn máy trước sử dụng, các tính năng điều chỉnh công suất laser và tốc độ khắc, quy trình thao tác từng bước cho người dùng mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng phát triển, nƣớc ta đang cố gắng hƣớng tới năm 2020 cơ bản trở thành nƣớc công nghiệp hóa. Việc ứng dụng công nghiệp mới vào sản xuất ngày càng trở nên phổ biến và đóng một vai trò 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 công 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 công 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 công 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 công 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.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.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Trong quá trình thực hiện Đồ án tốt nghiệp với đề tài Thiết kế và thi công mô hình máy khắc laser cnc mini, nhóm đã tập trung giải quyết và hoàn 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.4 GIỚI HẠN Sử dụng laser công suất tối đa 2000mW và có thể thay đổi. Có thể khắc trên nhiều vật liệu khác nhau nhƣ gỗ, mica. Kích thƣớc mô hình 60x50. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 15 BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bộ khung máy đơn giản, không có bàn gá cố định vật khắc vào bộ khung máy.5 BỐ CỤC  Chƣơng 1: Tổng Quan.

 Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết.  Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Toán.  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 2.1 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. - 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. - 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 2.5V đối với ATmega328P.  Cấp tốc độ xung: từ 0 đến 8MHz tại điện áp 2.5V, từ 0 đến 16MHz tại điện áp 4.1: 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, còn không 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 không đƣợc dùng.