Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và Chế tạo Mô hình Máy khắc Laser - SV. Phạm Thanh Vũ

Tải miễn phí đồ án tốt nghiệp thiết kế, chế tạo mô hình máy khắc laser CNC. Tài liệu chi tiết về nguyên lý, tính toán, bản vẽ và hệ thống điều khiển.

• Tác giả: Phạm Thanh Vũ
• Người hướng dẫn: Ths. Trần Ngọc Hải
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Máy Khắc Laser
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Toàn văn Đồ án Thiết kế Máy khắc Laser CNC chi tiết nhất

Đồ án Thiết kế và Chế tạo Máy khắc Laser CNC là một công trình nghiên cứu khoa học điển hình, thể hiện sự vận dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn chế tạo. Đây là một đề tài phổ biến trong các đồ án tốt nghiệp cơ khí và cơ điện tử, đòi hỏi sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa thiết kế cơ khí, điều khiển tự động và lập trình máy tính. Tài liệu gốc "Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser" của sinh viên Phạm Thanh Vũ (Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2017) là một minh chứng tiêu biểu, cung cấp một lộ trình hoàn chỉnh từ khâu lên ý tưởng, tính toán, lựa chọn linh kiện đến lắp ráp và vận hành. Mục tiêu chính của đồ án là chế tạo một máy khắc laser có khả năng hoạt động ổn định, tạo ra sản phẩm khắc có độ chính xác và thẩm mỹ cao trên các vật liệu phi kim. Quá trình thực hiện không chỉ củng cố kiến thức chuyên ngành mà còn rèn luyện tư duy sáng tạo, kỹ năng giải quyết vấn đề và tiếp cận với công nghệ CNC hiện đại. Toàn bộ thuyết minh đồ án được cấu trúc một cách khoa học, bao gồm các chương tổng quan, thiết kế nguyên lý, tính toán động lực học, thiết kế hệ thống điều khiển và quy trình chế tạo. Đây là nguồn tài liệu tham khảo vô giá cho sinh viên và những người đam mê tự chế máy laser CNC, cung cấp một cái nhìn tổng thể và chi tiết về mọi khía cạnh của dự án. Việc nghiên cứu các luận văn chế tạo máy tương tự giúp người thực hiện rút kinh nghiệm, tối ưu hóa thiết kế và tránh được những sai sót không đáng có.

1.1. Phân tích mục tiêu và phạm vi của đồ án chế tạo máy

Mục tiêu cốt lõi của đồ án là thiết kế và chế tạo thành công một mô hình máy khắc laser mini. Máy phải đáp ứng các thông số kỹ thuật cơ bản được đề ra trong nhiệm vụ đồ án. Cụ thể, theo tài liệu gốc, kích thước vùng gia công là 500x300mm, công suất đầu khắc laser là 0.5W và độ chính xác gia công đạt 0.1mm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng cho sản xuất nhỏ lẻ, khắc các sản phẩm trang trí, quà tặng trên các vật liệu như gỗ, decal, giấy, và mica. Đồ án không đi sâu vào các công nghệ laser công suất cao hay gia công kim loại, mà tập trung vào giải pháp kinh tế và dễ tiếp cận. Đối tượng nghiên cứu chính bao gồm kết cấu cơ khí, hệ thống truyền động đai răng, hệ thống điều khiển sử dụng Arduino CNC shield, và các phần mềm mã nguồn mở.

1.2. Cấu trúc thuyết minh và bản vẽ kỹ thuật CAD đi kèm

Một thuyết minh đồ án hoàn chỉnh thường bao gồm 5 đến 6 chương chính. Bắt đầu bằng phần tổng quan về lịch sử công nghệ CNC và ứng dụng của máy khắc laser. Tiếp theo là chương thiết kế nguyên lý, nơi các phương án thiết kế được phân tích và lựa chọn. Chương tính toán động lực học và sức bền vật liệu là phần cốt lõi, xác định các thông số cho trục, ổ lăn và động cơ. Sau đó là chương thiết kế hệ thống điều khiển điện tử và phần mềm. Cuối cùng là quy trình chế tạo, lắp ráp và kết quả thử nghiệm. Đi kèm với thuyết minh là các bản vẽ kỹ thuật CAD, bao gồm bản vẽ lắp tổng thể, bản vẽ chi tiết các cụm cơ khí và sơ đồ mạch điện. Các bản vẽ này là tài liệu quan trọng để hiện thực hóa mô hình từ lý thuyết.

II. Nguyên lý hoạt động máy laser và các thách thức thiết kế

Để chế tạo thành công một máy khắc, việc nắm vững nguyên lý hoạt động máy laser là yêu cầu tiên quyết. Quá trình gia công bằng laser dựa trên việc hội tụ một chùm tia năng lượng cao vào một điểm cực nhỏ trên bề mặt vật liệu. Năng lượng này làm vật liệu nóng chảy, bay hơi hoặc biến đổi tính chất, từ đó tạo ra các đường khắc. Tùy thuộc vào loại laser, mật độ năng lượng và thời gian tác động, cơ chế bóc tách vật liệu sẽ khác nhau. Thách thức lớn nhất trong thiết kế là đảm bảo sự đồng bộ và chính xác giữa chuyển động của đầu khắc và việc phát tia laser. Bất kỳ sai lệch nào trong hệ thống cơ khí hoặc điều khiển đều ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Các vấn đề cần giải quyết bao gồm: lựa chọn nguồn laser phù hợp (module laser diode hay ống phóng laser CO2), thiết kế kết cấu cơ khí đủ cứng vững để chống rung động, tối ưu hệ thống truyền động để đạt tốc độ và độ chính xác yêu cầu, và xây dựng một hệ thống điều khiển đáng tin cậy. Việc lựa chọn vật liệu khắc cũng là một yếu tố quan trọng, bởi mỗi loại vật liệu khắc (gỗ, mica, da) có khả năng hấp thụ năng lượng laser khác nhau, đòi hỏi phải điều chỉnh công suất và tốc độ khắc cho phù hợp. Quá trình này đòi hỏi sự nghiên cứu kỹ lưỡng và thử nghiệm thực tế để tìm ra bộ thông số tối ưu.

2.1. Tìm hiểu cơ chế bóc tách vật liệu bằng chùm tia laser

Cơ chế chính là sự hấp thụ năng lượng quang học. Khi chùm tia laser chiếu vào bề mặt, một phần năng lượng bị phản xạ, phần còn lại được vật liệu hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt năng. Nhiệt độ tại điểm tiếp xúc tăng nhanh chóng. Nếu mật độ năng lượng đủ lớn, vật liệu sẽ nóng chảy và bay hơi, tạo thành rãnh khắc. Quá trình này xảy ra gần như tức thời. Hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào bước sóng của tia laser và đặc tính của vật liệu. Ví dụ, laser CO2 có bước sóng dài, được hấp thụ tốt bởi các vật liệu hữu cơ như gỗ, acrylic, trong khi laser sợi quang (fiber laser) phù hợp hơn cho kim loại.

2.2. So sánh giữa module laser diode và ống phóng laser CO2

Việc lựa chọn nguồn phát laser là quyết định quan trọng. Module laser diode có ưu điểm là nhỏ gọn, giá thành rẻ, tuổi thọ cao và dễ tích hợp vào các máy mini. Chúng hoạt động ở điện áp thấp, an toàn hơn và thường được sử dụng trong các dự án DIY hoặc máy khắc công suất thấp. Tuy nhiên, công suất của chúng thường bị giới hạn. Ngược lại, ống phóng laser CO2 cung cấp công suất lớn hơn nhiều, cho phép cắt các vật liệu dày hơn với tốc độ nhanh hơn. Nhược điểm của laser CO2 là kích thước cồng kềnh, yêu cầu hệ thống làm mát bằng nước và nguồn điện cao áp phức tạp, làm tăng chi phí và độ phức tạp của máy.

III. Hướng dẫn thiết kế cơ khí cho máy khắc laser CNC tối ưu

Phần thiết kế cơ khí là xương sống của toàn bộ đồ án máy khắc laser. Một kết cấu vững chắc và chính xác sẽ quyết định đến hiệu suất và độ bền của máy. Lựa chọn phổ biến và hiệu quả nhất cho khung máy là sử dụng khung nhôm định hình. Vật liệu này có ưu điểm nhẹ, cứng vững, chống ăn mòn và rất linh hoạt trong việc lắp ráp nhờ hệ thống rãnh chữ T. Dựa trên phân tích trong tài liệu gốc, phương án bàn máy đứng yên và giàn trục X-Y di chuyển được lựa chọn để giảm khối lượng di động, tăng tốc độ và giảm rung lắc. Đối với hệ thống truyền động đai răng, đây là giải pháp lý tưởng cho các trục X và Y vì cho phép di chuyển nhanh, êm ái và chi phí hợp lý. Việc sử dụng đai và puly GT2 đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu độ trễ (backlash). Trong khi đó, trục Z, chỉ chịu tải trọng nhỏ của đầu laser và không yêu cầu tốc độ cao, thường sử dụng hệ thống truyền động vitme bi hoặc vitme-đai ốc thông thường để tăng độ chính xác vị trí và khả năng tự hãm. Toàn bộ thiết kế phải được mô hình hóa bằng các phần mềm CAD như Creo Parametric hoặc AutoCAD để kiểm tra sự phù hợp, phát hiện va chạm và xuất bản vẽ kỹ thuật CAD cho quá trình gia công, chế tạo. Quá trình thiết kế phải cân bằng giữa các yếu tố: chi phí, độ chính xác, tốc độ và tính khả thi trong chế tạo.

3.1. Phân tích và lựa chọn hệ thống truyền động phù hợp

Việc lựa chọn hệ thống truyền động là một bước quan trọng. Hệ thống truyền động đai răng được ưu tiên cho các trục X và Y do khả năng đáp ứng tốc độ cao, chi phí thấp và dễ lắp đặt trên các hành trình dài. Loại đai GT2 là tiêu chuẩn cho các máy CNC mini vì bước răng nhỏ, giúp tăng độ phân giải chuyển động. Ngược lại, hệ thống truyền động vitme bi mang lại độ chính xác và lực đẩy lớn hơn, phù hợp cho trục Z hoặc các máy yêu cầu độ chính xác cực cao, nhưng chi phí cao hơn và tốc độ bị giới hạn. Đồ án đã lựa chọn kết hợp cả hai để tối ưu hiệu năng và chi phí.

3.2. Thiết kế kết cấu khung máy sử dụng khung nhôm định hình

Sử dụng khung nhôm định hình (ví dụ loại 40x20mm như trong đồ án) giúp đơn giản hóa quá trình chế tạo. Thay vì phải hàn hoặc gia công phức tạp, các thanh nhôm có thể được cắt theo kích thước và lắp ráp với nhau bằng các loại ke góc và bu lông T-nut chuyên dụng. Thiết kế này không chỉ đảm bảo độ cứng vững mà còn cho phép dễ dàng điều chỉnh, nâng cấp hoặc sửa chữa sau này. Cơ cấu dẫn hướng cho các trục thường kết hợp các thanh nhôm này với các bánh xe V-slot hoặc các con lăn trượt trên rãnh, tạo ra một hệ thống chuyển động mượt mà và ít ma sát.

IV. Phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển máy khắc laser

Hệ thống điều khiển là bộ não của máy khắc laser CNC, có nhiệm vụ phiên dịch các lệnh từ máy tính thành chuyển động cơ học và điều khiển laser. Một phương án điều khiển phổ biến, tiết kiệm và mạnh mẽ cho các dự án DIY là sự kết hợp giữa vi điều khiển Arduino và firmware GRBL. Mạch điều khiển GRBL (G-code Interpreter) là một phần mềm mã nguồn mở được nạp vào Arduino, biến nó thành một bộ điều khiển CNC hiệu suất cao. Để kết nối Arduino với các động cơ bước (stepper motor), người ta thường sử dụng một bo mạch mở rộng gọi là Arduino CNC shield. Shield này cung cấp các khe cắm cho driver điều khiển động cơ (như A4988 hoặc DRV8825) và các cổng kết nối cho công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp và điều khiển spindle/laser. Sơ đồ mạch điện của hệ thống khá đơn giản: máy tính gửi G-code cho máy laser qua cổng USB đến board Arduino. Firmware GRBL sẽ phân tích G-code và gửi các tín hiệu xung (Step) và hướng (Direction) đến driver động cơ, làm cho động cơ quay chính xác. Đồng thời, nó gửi tín hiệu PWM (Pulse Width Modulation) để điều khiển công suất của module laser diode. Sự kết hợp này tạo ra một hệ thống điều khiển mạnh mẽ, linh hoạt và được cộng đồng hỗ trợ rộng rãi.

4.1. Lựa chọn board Arduino Uno R3 và Arduino CNC Shield V3

Board Arduino Uno R3 là lựa chọn hàng đầu cho các dự án CNC nhỏ vì sự phổ biến, giá thành rẻ và có cộng đồng hỗ trợ lớn. Nó có đủ các chân I/O cần thiết để điều khiển 3-4 trục. Arduino CNC Shield V3 được thiết kế để cắm trực tiếp lên Arduino Uno, giúp đơn giản hóa việc đi dây. Shield này tích hợp sẵn các socket cho driver A4988, các chân cắm cho công tắc hành trình, và đầu ra điều khiển laser (chân Z+ hoặc SpnEn), làm cho việc lắp ráp hệ thống điện trở nên nhanh chóng và gọn gàng. Đây là bộ đôi hoàn hảo cho người mới bắt đầu hướng dẫn lắp ráp máy khắc.

4.2. Vai trò của phần mềm LightBurn và phần mềm LaserGRBL

Để vận hành máy, cần có phần mềm giao diện trên máy tính. Phần mềm LaserGRBL là một lựa chọn miễn phí, nhẹ và mạnh mẽ, chuyên dụng cho các máy khắc laser chạy firmware GRBL. Nó cho phép người dùng tải file ảnh, chuyển đổi thành G-code và gửi lệnh điều khiển máy trực tiếp. Một lựa chọn cao cấp hơn là phần mềm LightBurn. Mặc dù là phần mềm trả phí, LightBurn cung cấp giao diện đồ họa trực quan, nhiều công cụ thiết kế, khả năng điều khiển camera và quản lý các lớp cắt/khắc với các thông số khác nhau. Cả hai phần mềm đều là cầu nối hiệu quả giữa người thiết kế và máy CNC.

V. Phân tích động lực học và quy trình chế tạo máy thực tế

Sau khi hoàn thành thiết kế lý thuyết, bước tiếp theo là tính toán và lựa chọn linh kiện cụ thể, sau đó tiến hành chế tạo. Chương tính toán động lực học trong thuyết minh đồ án đóng vai trò cực kỳ quan trọng, giúp xác thực các lựa chọn thiết kế và đảm bảo máy hoạt động ổn định. Các tính toán này bao gồm: xác định lực tác dụng lên các trục, tính toán mô-men xoắn cần thiết để chọn động cơ bước (stepper motor) phù hợp, và tính toán sức bền cho các chi tiết chịu lực như trục truyền động và ổ lăn. Ví dụ, trong tài liệu gốc, việc tính toán lực căng đai, mô-men uốn trên trục puly và lựa chọn ổ lăn được trình bày chi tiết. Dựa trên các tính toán này, động cơ servo hoặc stepper motor với mô-men giữ (holding torque) phù hợp sẽ được lựa chọn để tránh mất bước khi hoạt động. Quá trình chế tạo thực tế là bước hiện thực hóa bản vẽ kỹ thuật CAD. Nó bao gồm việc cắt khung nhôm định hình theo đúng kích thước, lắp ráp các cụm cơ khí, đi dây cho hệ thống điện theo sơ đồ mạch điện, và cài đặt phần mềm. Bước này đòi hỏi sự tỉ mỉ và chính xác. Sau khi lắp ráp hoàn tất, máy sẽ được hiệu chỉnh và chạy thử nghiệm trên các vật liệu khắc (gỗ, mica, da) để tinh chỉnh các thông số như tốc độ, công suất laser và gia tốc cho đến khi đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn. Đây cũng là nội dung cốt lõi của một báo cáo thực tập chế tạo máy.

5.1. Tính toán và lựa chọn động cơ bước stepper motor

Việc lựa chọn động cơ bước (stepper motor) phải dựa trên tính toán động lực học. Cần xác định tổng khối lượng của các bộ phận di động trên mỗi trục và lực ma sát. Từ đó, tính toán mô-men xoắn cần thiết để thắng lực cản và tạo ra gia tốc mong muốn. Động cơ NEMA 17 là lựa chọn phổ biến cho các máy khắc laser mini vì kích thước nhỏ gọn và mô-men xoắn đủ dùng. Ví dụ, động cơ được chọn trong đồ án có mô-men cực đại 520mN.m, đủ khả năng kéo các trục truyền động bằng đai răng một cách mượt mà và không bị mất bước.

5.2. Hướng dẫn lắp ráp máy khắc và hiệu chỉnh G code

Quá trình lắp ráp cần tuân thủ nghiêm ngặt theo bản vẽ thiết kế. Cần đảm bảo các trục vuông góc với nhau, các thanh dẫn hướng song song và dây đai được căng ở mức độ phù hợp. Sau khi lắp ráp phần cứng, bước tiếp theo là nạp firmware GRBL cho Arduino và cấu hình các thông số cơ bản (như số bước/mm cho mỗi trục) thông qua giao diện dòng lệnh. Việc hiệu chỉnh G-code cho máy laser cũng rất quan trọng. Các thông số như tốc độ di chuyển (Feed rate - F) và công suất laser (Spindle speed - S) cần được tinh chỉnh cho từng loại vật liệu và độ sâu khắc khác nhau để đạt kết quả tốt nhất. Đây là bước cuối cùng để hoàn thiện một dự án tự chế máy laser CNC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1. Lịch sử phát triển 1. Lịch sử CNC (Computer Numercal Control) có tiền thân là máy NC (Numercal Control) 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 dòng, 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 Ưhitney, 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 công 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 công nghệ điều khiển bằng thuỷ lực , khí nén, bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên dễ dàng hơn.

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 đời, người điều khiển không phải điều khiển các chuyển động của máy nữa. Ở các máy công 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 công tăng lên 80%, thậm chí cao hơn.

Đồng thời cũng giam bớt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí yêu cầu. Trước đây, các máy công 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 công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm tốt hơn với giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh với những nền công nghiệp nước ngoài. Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS.

Trần Ngọc Hải 2 Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser 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 giản 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 công các khối tròn. 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 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 : - Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện; - Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện. 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 yêu cầu. Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải 3 Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser 1.

Đặc điểm chung Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển số vẫn được duy trì không 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 hoá cao. Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công 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 công 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 công cụ khi yêu cầu; - Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí.Khả năng đưa các giá trị công nghệ. Các thành phần cơ bản của máy nc Chương trình Hệ thống điều khiển Máy công cụ Hình 1. Các thành phần cơ bản của hệ thống NC 1.

Chương trinh 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 về gia công: Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS.

Trần Ngọc Hải 4 Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser Hình 1. Ví dụ về gia công 1. 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. Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng như các mô tơ và các bộ điều khiển cần thiết để máy hoạt động.

Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đồ gá và các thiết bị phụ khác cần cho việc gia công. Các máy NC rất đa dạng, từ những máy khoan lỗ, đục lỗ đơn giản đến các trung tâm gia công thông minh. Thuật toán nội suy trên máy CNC 1. Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation) a) Khái niệm Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụng của dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục.Đầu phun được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoạn thẳng.

b) Thực hiện Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng, gồm các thông số yêu cầu: - Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối; - Tốc độ di chuyển trên mỗi trục. Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải 5 Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser c) Khả năng Về lí thuyết, nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kì, nhưng lượng dữ liệu cần xử lí rất lớn. Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình.

Nội suy đường thẳng d) Phương pháp thực hiện Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E. Sử dụng phương pháp “Phân tích vi phân số” DDA (Digital Differenttial Analyse). Xét một dao cần chuyển động từ:PA (điểm khởi xuất) đến PE (điểm kết thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định. Gọi L: đoạn đường từ PA đến PE.

Vậy trong thời gian T = L/u các đoạn đường thành phần (xE - xA) và (yE - yA) phải được thực hiện. Sinh viên thực hiện: Phạm Thanh Vũ Hướng dẫn: ThS. Trần Ngọc Hải 6 Thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser Hình 1. Phương pháp nội suy dường thẳng Tọa độ vị trí các điểm trung gian được tính theo hàm thời gian: xE  xA x ( t )  x A   Vx dt  x A   dt 0 0 T yE  yA y( t )  y A   Vy dt  y A   dt 0 0 T Chia thời gian T thành các khoảng t= T/N đủ nhỏ, phép tích phân cho phép thay bởi phép cộng số: xB  xA x ( t )  x (n.