Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia laser - ĐHBRVT

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy CNC laser chi tiết. Bao gồm bản vẽ, thuyết minh, quy trình lắp ráp và nguyên lý hoạt động.

• Tác giả: Nguyễn Minh Đức
• Người hướng dẫn: ThS. Phạm Chí Hiếu
• Trường học: Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện-Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Dùng Tia Laser
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Bà Rịa-Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Tính tối ưu của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ
• 2.1. Giới thiệu máy CNC
• 2.1.1. Khái niệm máy CNC
• 2.1.2. Hệ thống điều khiển máy CNC
• 2.1.3. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục
• 2.1.4. Phần cứng máy CNC
• 2.1.5. Phần mềm máy CNC
• 2.1.6. Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC
• 2.1.6.1. Cấu trúc chương trình
• 2.1.6.2. Những chức năng hỗ trợ
• 2.1.7. Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối
• 2.1.8. Chương trình gia công CNC
• 2.2. Lợi ích của máy CNC
• 2.2.1. Tự động hóa sản xuất
• 2.2.2. Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm
• 2.2.3. Tính linh hoạt máy CNC
• 2.3. Phạm vi sử dụng máy CNC
• 2.4. Giới thiệu về tia Laser
• 2.4.1. Giới thiệu chung
• 2.4.2. Cơ chế hoạt động
• 2.4.3. Laser chất rắn
• 2.4.4. Laser chất khí
• 2.4.5. Laser chất lỏng
• 2.4.6. Các chế độ hoạt động
• 2.4.7. Ứng dụng của laser
• 2.5. Giới thiệu về Mạch Arduino NANO
• 2.5.1. Nguồn sử dụng
• 2.5.2. Các chân năng lượng
• 2.5.3. Bộ nhớ sử dụng
• 2.5.4. Các cổng vào/ra trên Arduino Board
• 2.5.5. Lập trình cho Arduino
• 2.5.5.1. Cấu trúc chương trình
• 2.5.5.2. Cách viết chương trình trên IDE
• 2.5.5.3. Chương trình giao tiếp với máy tính
• 2.5.5.4. Nạp bootloader cho arduino
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY CNC
• 3.1. Sơ đồ khối của máy CNC
• 3.1.1. Phần điều khiển
• 3.1.1.1. Máy tính cài sẳn phần mềm điều khiển
• 3.1.1.2. Mạch Arduino Uno R3
• 3.1.1.3. Mạch CNC Shield
• 3.1.2. Cơ cấu chấp hành
• 3.1.2.1. Module Driver Laser
• 3.1.2.2. Động cơ chấp hành
• 3.2. Mô hình thực
• 3.2.1. Mô hình sườn máy và bàn máy
• 3.2.2. Mô hình thực của máy CNC
• 3.3. Viết chương trình cho máy CNC
• 3.3.1. Phần mềm tạo Gcode Inkscape
• 3.3.1.1. Các bước sử dụng Inkscape tạo file Gcode khác Laser
• 3.3.2. Phần mềm điều khiển Universal Gcode Sender
• 3.4. Một số kết quả đạt được của đề tài
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 4.1. Ưu điểm của đề tài
• 4.2. Nhược điểm của đề tài
• 4.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan đồ án thiết kế máy CNC laser và tiềm năng

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia laser là một đề tài mang tính ứng dụng cao, kết hợp kiến thức liên ngành từ cơ khí, điện tử đến lập trình. Bối cảnh công nghiệp hiện đại đòi hỏi các sản phẩm có độ chính xác và phức tạp cao, điều mà các công cụ truyền thống khó đáp ứng. Công nghệ cắt laser nổi lên như một giải pháp hiệu quả, cho phép gia công trên nhiều loại vật liệu với tốc độ và độ chính xác vượt trội. Mục tiêu chính của đồ án này không chỉ dừng lại ở việc tạo ra một sản phẩm hoạt động, mà còn là nghiên cứu sâu về nguyên lý hoạt động máy laser và hệ thống điều khiển số. Việc hoàn thành một máy khắc laser mini từ con số không giúp sinh viên áp dụng lý thuyết vào thực tiễn, từ khâu tính toán thiết kế cơ khí đến lập trình vi điều khiển. Sản phẩm cuối cùng có khả năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như làm quà tặng, trang trí, tạo mẫu sản phẩm, góp phần tự động hóa các quy trình sản xuất nhỏ lẻ. Tính tối ưu của đề tài thể hiện ở việc sử dụng các linh kiện phổ biến, chi phí thấp như vi điều khiển Arduino và khung nhôm định hình, giúp mô hình dễ dàng tiếp cận và nhân rộng.

1.1. Giới thiệu công nghệ cắt laser và máy CNC

Máy CNC (Computer Numerical Control) là dạng máy công cụ điều khiển tự động bằng máy tính, có khả năng thực hiện các chuỗi chuyển động được lập trình sẵn để tạo ra sản phẩm theo yêu cầu. Công nghệ laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) sử dụng một chùm ánh sáng cường độ cao, hội tụ tại một điểm để làm nóng chảy, cháy hoặc bốc hơi vật liệu. Khi kết hợp hai công nghệ này, chúng ta có một cỗ máy có khả năng gia công các chi tiết phức tạp trên nhiều loại vật liệu phi kim như gỗ, mica, da, vải với độ chính xác gần như tuyệt đối. Theo tài liệu nghiên cứu, cấu tạo máy CNC laser cơ bản gồm ba phần chính: hệ thống cơ khí (khung máy, hệ thống truyền động), hệ thống điện-điện tử (nguồn, động cơ, mạch điều khiển, đầu laser) và hệ thống phần mềm điều khiển. Nguyên lý hoạt động máy laser dựa trên việc khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích để tạo ra chùm tia đơn sắc, đồng bộ và có định hướng cao, mang năng lượng lớn.

1.2. Phân tích mục tiêu và tính tối ưu của đề tài

Mục tiêu cốt lõi của đề tài là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình máy CNC sử dụng tia laser có khả năng khắc, vẽ trên các bề mặt vật liệu phi kim. Đề tài hướng đến việc ứng dụng các kiến thức đã học để xây dựng một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh. Tính tối ưu của đồ án được thể hiện qua nhiều khía cạnh. Thứ nhất, về chi phí, việc lựa chọn các linh kiện phổ biến như vi điều khiển Arduino, mạch điều khiển CNC Shield, và động cơ bước Nema giúp giảm đáng kể giá thành so với các máy công nghiệp. Thứ hai, mô hình có tính linh hoạt cao, cho phép mở rộng và nâng cấp trong tương lai, ví dụ như thay thế module laser công suất cao hơn hoặc cải tiến hệ thống truyền động. Thứ ba, sản phẩm là một công cụ học tập hữu ích, giúp sinh viên rèn luyện tư duy thiết kế, kỹ năng lắp ráp máy CNC DIY và giải quyết các vấn đề kỹ thuật thực tế, tạo ra một báo cáo đồ án tốt nghiệp chất lượng và có giá trị.

II. Phân tích thách thức khi chế tạo máy CNC laser mini DIY

Việc thực hiện một đồ án chế tạo máy CNC laser mini DIY đặt ra nhiều thách thức đáng kể về cả kỹ thuật và chi phí. Một trong những khó khăn lớn nhất là đảm bảo độ chính xác cơ khí. Bất kỳ sai lệch nào trong quá trình lắp ráp khung nhôm định hình hay hệ thống truyền động đều có thể dẫn đến hiện tượng rung lắc, mất bước, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng. Việc lựa chọn linh kiện phù hợp cũng là một bài toán phức tạp. Cần phải cân bằng giữa chi phí và hiệu năng, ví dụ như quyết định giữa động cơ servo có độ chính xác cao nhưng đắt đỏ và động cơ bước Nema giá thành hợp lý nhưng có thể xảy ra tình trạng mất bước nếu quá tải. Tài liệu gốc đề cập: "...do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt… động cơ sẽ không giữ được độ chính xác theo yêu cầu". Hơn nữa, việc tích hợp phần cứng và phần mềm đòi hỏi kiến thức sâu rộng, từ việc đi dây mạch điện, cài đặt firmware phần mềm GRBL cho đến việc hiệu chỉnh thông số để máy hoạt động trơn tru.

2.1. Vấn đề lựa chọn động cơ và hệ thống truyền động

Lựa chọn động cơ là một quyết định quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và chi phí của máy. Động cơ servo cung cấp độ chính xác cao nhờ cơ chế phản hồi vòng kín, nhưng giá thành rất đắt và không phù hợp với quy mô đồ án sinh viên. Giải pháp thay thế được lựa chọn là động cơ bước Nema, loại động cơ phổ biến trong các dự án DIY nhờ giá thành hợp lý và điều khiển đơn giản. Tuy nhiên, thách thức của động cơ bước là hiện tượng mất bước khi gặp tải trọng lớn hoặc tốc độ quá cao. Để khắc phục, việc tính toán thiết kế cơ khí phải tối ưu, giảm thiểu ma sát và đảm bảo hệ thống truyền động (thường là dây đai hoặc vitme bi) hoạt động trơn tru. Lựa chọn driver điều khiển động cơ phù hợp, như A4988 hoặc DRV8825, và cài đặt dòng điện chính xác cũng là yếu tố then chốt để động cơ hoạt động ổn định.

2.2. Khó khăn trong việc đồng bộ phần cứng và phần mềm

Sự đồng bộ giữa phần cứng và phần mềm là yếu tố quyết định sự thành công của máy CNC. Phần cứng bao gồm vi điều khiển Arduino, mạch điều khiển CNC Shield, các driver động cơ và module laser. Việc kết nối sai một chân tín hiệu cũng có thể khiến toàn bộ hệ thống không hoạt động. Thách thức lớn nhất nằm ở phần mềm, cụ thể là firmware GRBL. Đây là một firmware mã nguồn mở, cần được biên dịch và nạp vào Arduino. Quá trình này đòi hỏi việc cấu hình các thông số quan trọng như số bước trên mỗi mm (steps/mm) cho từng trục, tốc độ tối đa, gia tốc. Việc cấu hình sai sẽ dẫn đến sản phẩm bị sai kích thước hoặc biến dạng. Sau đó, người dùng cần làm chủ các phần mềm LightBurn hoặc Universal Gcode Sender để gửi mã G-code đến máy, đòi hỏi một quá trình học hỏi và thử nghiệm để tìm ra các thông số khắc/cắt tối ưu.

III. Phương pháp thiết kế cơ khí và điện tử máy CNC laser

Quá trình thiết kế máy CNC laser được chia thành hai mảng chính: thiết kế cơ khí và thiết kế hệ thống điện điều khiển. Đây là nền tảng quyết định độ cứng vững, độ chính xác và sự ổn định của toàn bộ hệ thống. Trong phạm vi đồ án, phương pháp tiếp cận là sử dụng các phần mềm CAD như SolidWorks hoặc AutoCAD để xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh trước khi tiến hành gia công. Việc này cho phép mô phỏng chuyển động, kiểm tra va chạm và tối ưu hóa kết cấu. Thiết kế cơ khí tập trung vào việc xây dựng một bộ khung vững chắc từ khung nhôm định hình, kết hợp với các thanh trượt và ổ bi để đảm bảo chuyển động mượt mà. Hệ thống điện tử được xây dựng xoay quanh nền tảng Arduino, một lựa chọn phổ biến nhờ cộng đồng hỗ trợ lớn và chi phí thấp. Sơ đồ khối của máy cho thấy máy tính gửi lệnh G-code đến vi điều khiển Arduino, sau đó tín hiệu được xử lý và gửi qua mạch điều khiển CNC Shield để điều khiển trực tiếp các động cơ và module laser, tạo thành một quy trình khép kín và hiệu quả.

3.1. Thiết kế cơ khí với khung nhôm định hình và bản vẽ 3D

Phần cơ khí là xương sống của máy CNC. Vật liệu chính được lựa chọn là khung nhôm định hình vì các ưu điểm như trọng lượng nhẹ, độ cứng vững cao, dễ dàng lắp ráp và điều chỉnh. Cấu trúc khung máy được thiết kế dạng hình hộp chữ nhật để tối đa hóa sự ổn định. Kích thước của máy được xác định dựa trên vùng làm việc mong muốn, trong đồ án này là khoảng 400x300mm. Toàn bộ mô hình cơ khí được dựng trên phần mềm 3D, cho phép xuất ra các bản vẽ kỹ thuật 2D/3D chi tiết. Các bản vẽ này là cơ sở để gia công các chi tiết phụ trợ như gá động cơ, gá đầu laser và mặt bàn làm việc (thường làm bằng mica). Hệ thống truyền động cho trục X và Y sử dụng dây đai GT2 và puly, một giải pháp phổ biến cho máy CNC mini vì tốc độ cao và chi phí thấp.

3.2. Sơ đồ mạch điều khiển CNC Shield và vi điều khiển Arduino

Hệ thống điều khiển là bộ não của máy. Trung tâm xử lý là board vi điều khiển Arduino Uno R3, chịu trách nhiệm nhận và phiên dịch mã G-code từ máy tính. Để đơn giản hóa việc kết nối, mạch điều khiển CNC Shield V3 được sử dụng. Mạch này được thiết kế để cắm trực tiếp lên Arduino, cung cấp các socket để gắn các module driver điều khiển động cơ bước (như A4988) và các cổng kết nối cho cảm biến hành trình, nút dừng khẩn cấp và đầu ra điều khiển laser (PWM). Sơ đồ kết nối được tiêu chuẩn hóa, giúp quá trình lắp ráp máy CNC DIY trở nên dễ dàng hơn. Nguồn điện cung cấp cho hệ thống thường là nguồn tổ ong 12V-24V, đủ công suất để vận hành các động cơ bước Nema và module laser công suất cao một cách ổn định.

IV. Bí quyết điều khiển máy CNC laser với Arduino và GRBL

Để biến một bộ khung cơ khí và các linh kiện điện tử thành một chiếc máy CNC laser hoạt động, phần mềm đóng vai trò quyết định. Quy trình điều khiển máy CNC laser dựa trên nền tảng Arduino và GRBL bao gồm ba bước chính: cài đặt firmware, tạo file G-code và gửi lệnh đến máy. Phần mềm GRBL là một firmware mã nguồn mở, hiệu suất cao, được thiết kế chuyên dụng để chạy trên Arduino và điều khiển các chuyển động của máy CNC. Bí quyết để máy hoạt động chính xác nằm ở việc cấu hình đúng các thông số trong GRBL, đặc biệt là $ settings, nơi định nghĩa số bước/mm, gia tốc và tốc độ tối đa cho từng trục. Sau khi nạp firmware thành công, người dùng cần một phần mềm để thiết kế hình ảnh và chuyển đổi nó thành mã G-code – ngôn ngữ mà máy CNC có thể hiểu. Cuối cùng, một phần mềm giao diện như Universal Gcode Sender (UGS) hoặc phần mềm LightBurn được sử dụng để kết nối với máy, trực quan hóa đường chạy dao và gửi từng dòng lệnh G-code đến vi điều khiển Arduino để thực thi.

4.1. Cài đặt firmware và sử dụng phần mềm GRBL Controller

GRBL là firmware được nạp vào bộ nhớ flash của vi điều khiển Arduino. Quá trình cài đặt thường được thực hiện thông qua Arduino IDE. Sau khi nạp, việc kết nối với máy tính qua cổng USB sẽ tạo ra một cổng COM ảo. Phần mềm điều khiển, hay còn gọi là G-code Sender (ví dụ: GRBL Controller, UGS), sẽ giao tiếp với Arduino thông qua cổng COM này. Giao diện của các phần mềm này thường hiển thị tọa độ hiện tại của máy, cho phép người dùng điều khiển máy theo cách thủ công (jogging) để xác định gốc tọa độ, và quan trọng nhất là tải và gửi file mã G-code để bắt đầu quá trình gia công. Việc hiệu chỉnh các thông số $100, $101 (steps/mm cho trục X, Y) là cực kỳ quan trọng để đảm bảo sản phẩm khắc ra có kích thước chính xác như thiết kế.

4.2. Nguyên tắc tạo và tối ưu hóa mã G code cho máy khắc

Mã G-code là một tập hợp các lệnh điều khiển tuần tự. Ví dụ, lệnh G01 X10 Y20 F600 yêu cầu máy di chuyển thẳng đến tọa độ (10, 20) với tốc độ 600 mm/phút. Để tạo ra file G-code từ một hình ảnh hoặc bản vẽ vector, người dùng cần các phần mềm chuyên dụng. Inkscape với một plugin mở rộng hoặc phần mềm LightBurn là những lựa chọn phổ biến. Các phần mềm này cho phép người dùng nhập file ảnh (JPG, PNG) hoặc vector (SVG, DXF), sau đó thiết lập các thông số gia công như tốc độ di chuyển (Feed rate), công suất laser (S-value), và số lần lặp lại. Tối ưu hóa G-code bao gồm việc sắp xếp thứ tự các đường cắt để giảm thiểu thời gian di chuyển không cần thiết và điều chỉnh công suất/tốc độ phù hợp để có thể cắt mica, gỗ, da với vết cắt sắc nét và đẹp mắt.

V. Kết quả thực tiễn từ đồ án chế tạo máy CNC dùng tia laser

Kết quả cuối cùng của đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy cnc dùng tia laser là một mô hình máy hoạt động ổn định, đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Mô hình thực tế có kết cấu vững chắc từ khung nhôm định hình, các trục chuyển động trơn tru, không có hiện tượng kẹt hay rung lắc đáng kể trong quá trình vận hành. Hệ thống điện tử với trung tâm là vi điều khiển Arduino và mạch điều khiển CNC Shield hoạt động đồng bộ, nhận và thực thi chính xác các lệnh G-code từ máy tính. Thử nghiệm trên các vật liệu khác nhau cho thấy khả năng ứng dụng thực tiễn của máy. Máy có thể khắc logo, hoa văn, chữ viết lên gỗ, mica và da với độ chi tiết cao. Việc cắt mica mỏng (dưới 2mm) và các vật liệu mềm khác cũng được thực hiện thành công. Những sản phẩm này không chỉ minh chứng cho sự thành công của đồ án mà còn mở ra tiềm năng ứng dụng trong việc tạo mẫu nhanh, sản xuất đồ lưu niệm và cá nhân hóa sản phẩm.

5.1. Mô hình thực tế máy khắc laser mini và cấu tạo hoàn chỉnh

Mô hình hoàn thiện có kích thước tổng thể 400x300x220mm, với vùng làm việc hiệu dụng khoảng 300x200mm. Cấu tạo máy CNC laser bao gồm khung sườn bằng nhôm định hình, mặt bàn làm việc bằng mica. Trục X và Y được dẫn động bởi hai động cơ bước Nema 17 thông qua hệ thống truyền động bằng dây đai. Đầu khắc được trang bị một module laser công suất cao (thường từ 2.5W đến 5.5W cho các mô hình DIY), kèm theo quạt tản nhiệt để đảm bảo hoạt động liên tục. Hộp điều khiển chứa board vi điều khiển Arduino, mạch điều khiển CNC Shield và các driver A4988, được bố trí gọn gàng và có hệ thống dây điện được bọc bảo vệ. Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính thẩm mỹ mà còn an toàn cho người vận hành.

5.2. Ứng dụng cắt mica gỗ da và các vật liệu phi kim khác

Một trong những minh chứng rõ ràng nhất cho sự thành công của đề tài là khả năng gia công trên nhiều loại vật liệu phi kim. Với gỗ, máy có thể khắc các hình ảnh, logo với độ tương phản tốt, tạo ra các sản phẩm trang trí độc đáo. Với mica, máy có thể thực hiện việc cắt mica mỏng để làm móc khóa, biển tên hoặc các chi tiết mô hình. Trên chất liệu da, tia laser có thể khắc các hoa văn tinh xảo để làm ví, thắt lưng hay các sản phẩm thủ công mỹ nghệ. Kết quả từ báo cáo đồ án tốt nghiệp cho thấy, bằng cách điều chỉnh công suất laser và tốc độ khắc, người dùng có thể đạt được các hiệu ứng khác nhau, từ khắc nông trên bề mặt đến cắt đứt hoàn toàn vật liệu. Đây là những ứng dụng thực tế, chứng tỏ giá trị và tiềm năng thương mại hóa của sản phẩm.

VI. Đánh giá đồ án máy CNC laser và hướng phát triển tương lai

Việc hoàn thành đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia laser mang lại nhiều kết quả tích cực, nhưng cũng tồn tại một số hạn chế cần cải thiện. Về ưu điểm, đề tài đã ứng dụng thành công lý thuyết vào thực tiễn, tạo ra một sản phẩm hữu ích với chi phí thấp. Mô hình này là một công cụ học tập và nghiên cứu tuyệt vời, dễ dàng lắp đặt và sử dụng. Tuy nhiên, nhược điểm chính của mô hình là độ chính xác chưa thể sánh bằng các máy công nghiệp do sử dụng động cơ bước Nema thay vì động cơ servo và hệ truyền động bằng dây đai. Kích thước làm việc của máy còn hạn chế, chưa phù hợp cho các ứng dụng quy mô lớn. Hướng phát triển trong tương lai rất rộng mở. Việc cải tiến và nâng cấp hệ thống có thể biến mô hình này thành một sản phẩm thương mại cạnh tranh, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường DIY và các xưởng sản xuất nhỏ.

6.1. Tổng kết ưu điểm và nhược điểm của mô hình thực tế

Ưu điểm nổi bật của mô hình là tính thực tiễn, chi phí đầu tư thấp và khả năng tùy biến cao. Việc sử dụng nền tảng mã nguồn mở như vi điều khiển Arduino và phần mềm GRBL giúp cộng đồng dễ dàng tiếp cận, sửa đổi và cải tiến. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu là độ chính xác và tốc độ. Tài liệu gốc đã chỉ ra: "Để khắc chính xác hơn ta nên dùng động cơ servo... nhưng giá thành của động cơ servo cao". Hơn nữa, việc sử dụng dây đai trong hệ thống truyền động có thể bị giãn theo thời gian, ảnh hưởng đến độ chính xác lặp lại. Độ cứng vững của khung nhôm định hình cũng có giới hạn, có thể bị rung khi hoạt động ở tốc độ cao, ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt khắc.

6.2. Các hướng nghiên cứu và cải tiến máy trong tương lai

Để nâng cao hiệu suất và khả năng của máy, có nhiều hướng phát triển tiềm năng. Hướng thứ nhất là nâng cấp hệ thống truyền động bằng cách thay thế dây đai bằng vitme bi. Giải pháp này, như tài liệu gốc đề xuất, "có độ chính xác cao, chịu được tải lớn". Hướng thứ hai là tích hợp một module laser công suất cao hơn, cho phép cắt các vật liệu dày hơn và tăng tốc độ gia công. Hướng thứ ba là cải tiến hệ thống điều khiển, có thể chuyển sang sử dụng các board mạch 32-bit (như các board dựa trên ESP32) để xử lý mã G-code mượt mà hơn và tích hợp các tính năng thông minh như kết nối Wi-Fi. Cuối cùng, việc nghiên cứu và phát triển phần mềm điều khiển riêng, tối ưu hóa cho máy, cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn để hoàn thiện sản phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Công nghệ Laser đang ngày càng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công nghiệp hỗ trợ. Tại Việt Nam, các thiết bị Laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Các máy CNC cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác.

Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể vẽ tranh, khắc chữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh một cách tự động, nên nhóm đã thực hiện đề tài này. Ngoài ra, sản phẩm được chế tạo với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng. Sản phẩm là ứng dụng cụ thể của hệ thống tự động hóa có độ chính xác cao vào đời sống và sản xuất, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp cắt khắc truyền thống. Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, nên có khả năng đưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến.

Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu mô hình hệ thống máy CNC dùng tia Laser. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học. - Ứng dụng các công nghệ hiện đại để xây dựng hệ thống. Tính tối ưu của đề tài - Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu.

- Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sở thực tế. - Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích. SVTH: Nguyễn Minh Đức - Nguyễn Hoàng Dũng 1 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHBRVT CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Giới thiệu máy CNC 2.

Khái niệm máy CNC CNC là một dạng máy 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 theo yêu cầu. Trục máy CNC Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mối quan hệ này có thể được thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ. Hệ tọa độ Decac được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC.

Khi đó không gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công. Hệ thống điều khiển máy CNC 2. Tổng quát Các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định. Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím.

Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc thực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi. Sau đó hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi đi. Như vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thông theo một vòng kín).

SVTH: Nguyễn Minh Đức - Nguyễn Hoàng Dũng 2 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHBRVT Hình 2. Truyền dữ liệu trong vòng kín 2. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục Động cơ dẫn động trên máy CNC cho các trục trong thực tế là các động cơ servo, với khả năng điều khiển chính xác, đồng thời có một bộ phận phản hồi và bù sai số. Vì là mô hình thí nghiệm nên phương án dùng loại động cơ này là không khả thi, vì thực tế động cơ servo có giá thành rất đắt và hiếm thấy ở Việt Nam, nên chúng em thống nhất phương án dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý.

Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt… động cơ sẽ không giữ được độ chính xác theo yêu cầu, xảy ra tình trạng tụt bước hay mất bước. Khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu. Phổ biến ở thị trường hiện nay là loại động cơ bước có công suất khoảng 50W. Phần cứng máy CNC Trong một máy CNC bất kỳ, dù đơn giản hay phức tạp đều có sự hiện diện của các phần cứng cơ bản sau.

SVTH: Nguyễn Minh Đức - Nguyễn Hoàng Dũng 3 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHBRVT v Bộ xử lý trung tâm (CPU): Hình 2. Sơ đồ khối của CPU v Bộ nhớ: Một số bộ nhớ mở rộng được sử dụng: ROM, EEPROM, RAM. v Hệ thống truyền dẫn (BUS): Hệ thống CNC đòi hỏi sự liên hệ giữa CPU và các bộ phận khác trong hệ thống. Thiết bị truyền dẫn của CNC chính là BUS.

Có thể hiểu BUS là hệ thống các đường giao thông làm nhiệm vụ truyền dẫn thông tin từ CPU đến các bộ phận khác và ngược lại. Dưới đây là sơ đồ khối thể hiện vị trí vai trò của BUS trong hệ thống điều khiển CNC. Hệ thống liên lạc thông qua BUS 2. Phần mềm máy CNC Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy công cụ.

Cũng như những chiếc máy tính khác, SVTH: Nguyễn Minh Đức - Nguyễn Hoàng Dũng 4 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHBRVT CNC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mềm hệ thống. Chúng được thiết kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại máy là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ hoạ giả lập hay quá trình gia công nếu có. Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC Các thao tác gia công của máy CNC được thực hiện thông qua một đoạn chương trình.

Đoạn chương trình này mô tả chi tiết trình tự của các bước gia công, theo thứ tự để tạo ra sản phẩm như ý. Bộ điều khiển CNC thực thi các lệnh gia công dựa trên những dữ liệu mà nó nhận được, những thông số gia công có thể nằm ngay trên những dữ liệu nhận được hay nằm trong bộ nhớ của bộ điều khiển. Một điều rất quan trọng mà các bộ CNC phải tuân theo, đó là phải đi theo một dạng lập trình đã được chuẩn hoá, dựa trên một văn bản do hiệp hội chuẩn hoá quốc tế (ISO) đề ra. Ở Hoa Kỳ, chủ yếu theo chuẩn EIA RS244 hoặc RS358.

Cấu trúc chương trình Một chương trình gia công bao gồm nhiều dòng lệnh. Mỗi dòng lệnh bao gồm các ký tự và con số đi theo mỗi ký tự. Số lượng ký tự trong mỗi dòng lệnh là không cố định. Mỗi dòng lệnh thường bắt đầu bằng ký tự N và một con số liền sau đó dùng để chỉ thứ tự dòng lệnh trong chương trình.

Những chức năng hỗ trợ Trước khi máy thực hiện những chuyển động và gia công, những thông số về hình dáng và công nghệ phải được nhập vào bộ điều khiển. Sau đó các thông tin sẽ được tính toán và đưa ra các chức năng thích hợp. Thông số về hình dáng được xác định: - Vị trí điểm đến. - Hướng chạy dao.

- Chương trình gia công. Ngoài ra cũng cần đưa thêm các thông số công nghệ như loại dao dùng gia công, tốc độ trục quay, hướng quay, tốc độ chạy dao. Những chức năng hỗ trợ được dùng cho mục đích này, thường dùng các ký tự F, H, M, S, và T. Còn lại D, E, L, P là những ký tự còn dư cho lập trình, dùng cho những bộ điều khiển khác nhau, của các hãng khác nhau.

SVTH: Nguyễn Minh Đức - Nguyễn Hoàng Dũng 5 Đồ án tốt nghiệp Trường ĐHBRVT 2. Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối Thông số hình dạng có thể được nhập ở dạng tuyệt đối hay tương đối, và cả hai đều được chấp nhận ở các máy CNC ngày nay. Những kiểu định tọa độ 2. Chương trình gia công CNC Một chương trình gia công CNC là toàn bộ tất cả các lệnh cần thiết giúp cho máy CNC tiến hành công việc gia công chi tiết, được mô tả một cách cụ thể và được chuẩn hoá trong chương trình CNC cơ bản là hệ máy FANUC và hệ máy FAGOR.

Tùy thuộc vào nơi sản xuất các bộ điều khiển, có các quy định cụ thể, đặc trưng. Thông thường thuộc vào kích thước biểu thị theo đơn vị inch hoặc mm, ở đây chỉ trình bày cho trường hợp hệ mm. Nội dung của chương trình được tạo thành từ các khối lệnh, mô tả quá trình hoạt động của máy gia công theo từng dòng lệnh trong khối. Mỗi khối mô tả cho một bước gia công hình học hoặc một chức năng gia công cụ thể.

Các khối của các bước gia công liền nhau được xếp liên tiếp nhau và cách nhau bởi mã lệnh kết thúc khối (End of block). Mỗi khối được lập bởi các ký tự chữ và số gọi là chương trình gia công, được lưu trong bộ nhớ máy tính được định dạng theo quy định, là tập hợp các dòng lệnh. Một dòng lệnh được viết liên tục với các khối mã lệnh, giữa các khối mã lệnh không có khoảng trắng. Một loạt các dòng lệnh liên tiếp cấu thành nên khối chương trình, tập hợp các khối chương trình là toàn bộ chương trình gia công.