Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, việc ứng dụng các thiết bị tự động hóa điều khiển số bằng máy tính (CNC - Computerized Numerical Control) đóng vai trò then chốt nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu sai sót kỹ thuật và tối ưu hóa độ chính xác gia công. So với các phương thức gia công thủ công truyền thống (sử dụng cưa, đục, dũa) hoặc máy cầm tay đòi hỏi thao tác trực tiếp của con người, máy CNC có thể vận hành tự động theo chương trình đã lập trình sẵn với tốc độ nhanh gấp 3 đến 4 lần. Trong số các thiết bị gia công CNC, máy khắc/cắt laser là dòng máy phổ biến nhờ tính linh hoạt trên nhiều loại vật liệu. Đối với các xưởng sản xuất quy mô nhỏ, đơn vị thủ công mỹ nghệ cần tạo hoa văn trên gỗ, mica, da thuộc hoặc giấy, việc đầu tư các thiết bị công nghiệp quy mô lớn thường tốn kém chi phí. Do đó, nhu cầu chế tạo các hệ thống máy khắc laser CNC mini với giá thành hợp lý, kết cấu gọn nhẹ và vận hành đơn giản trở nên thiết thực.
Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình máy khắc laser CNC mini phục vụ nhu cầu cắt khắc trên các chất liệu thông dụng như gỗ, giấy, mica với chi phí chế tạo thấp, hướng đến ứng dụng trong các nhà xưởng nhỏ và cơ sở thủ công.
Nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm 8 nội dung cụ thể:
- Lựa chọn đầu khắc laser và động cơ bước phù hợp với yêu cầu hệ thống.
- Sử dụng vi điều khiển ATmega328P để giao tiếp và điều khiển mạch công suất động cơ bước cùng mạch điều khiển đầu khắc laser.
- Nghiên cứu chương trình điều khiển mã nguồn mở GRBL phục vụ biên dịch lệnh chuyển động cho máy khắc laser.
- Nghiên cứu phần mềm truyền dữ liệu và giao tiếp từ máy tính đến máy khắc (LaserGRBL).
- Thiết kế và thi công phần cứng (mạch điều khiển điện tử và kết cấu khung máy).
- Chạy thử nghiệm thực tế, đánh giá chất lượng khắc và hiệu chỉnh hệ thống.
- Viết tài liệu báo cáo kỹ thuật và hướng dẫn vận hành.
- Bảo vệ đồ án tốt nghiệp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử máy khắc laser CNC 2 trục (X-Y) sử dụng nguồn phát laser bán dẫn (laser diode) và hệ thống điều khiển nhúng thời gian thực.
- Phạm vi không gian và kết cấu: Bộ khung máy có kích thước 50 × 60 cm (hoặc 60 × 50 cm), hỗ trợ diện tích vùng làm việc gia công từ tối thiểu 1 × 1 cm đến tối đa 40 × 40 cm. Khung máy có cấu trúc tối giản, không trang bị bàn gá phôi cố định chuyên dụng.
- Phạm vi công suất: Sử dụng đầu phát laser diode có công suất quang điều chỉnh được, tối đa đạt 2000 mW (2 W), vận hành trên các vật liệu phi kim (gỗ, da, mica đen, bìa giấy) và bề mặt kim loại có phủ sơn.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết điều khiển chuyển động số, nguyên lý phát quang bán dẫn, kỹ thuật vi điều khiển và truyền thông nối tiếp:
- Vi điều khiển AVR ATmega328P: Cấu trúc 8-bit RISC với 131 tập lệnh thực thi trong một chu kỳ xung nhịp, tốc độ xử lý đạt 16 MIPS tại tần số dao động thạch anh 16 MHz. Bộ nhớ gồm 32 KB Flash, 2 KB SRAM nội và 1 KB EEPROM. Tích hợp sẵn bộ truyền thông nối tiếp USART, các bộ định thời Timer/Counter hỗ trợ phát xung điều chế độ rộng xung (PWM) và các kênh ngắt ngoại vi.
- IC điều khiển động cơ bước A4988: Mạch tích hợp lái động cơ bước 2 pha lưỡng cực dạng cầu DMOS kép, cho phép điện áp cấp tải từ 8 V đến 35 V và dòng đỉnh đạt 2 A mỗi pha. Tích hợp bộ chuyển dịch (Translator) hỗ trợ 5 chế độ phân giải vi bước (toàn bước, bán bước, 1/4, 1/8 và 1/16 bước) thông qua tổ hợp 3 chân MS1, MS2, MS3. IC hỗ trợ 2 chế độ điều khiển triệt tiêu dòng (Mixed decay và Slow decay) nhằm tối ưu độ gợn sóng dòng điện và hạn chế trượt bước khi chạy tốc độ thấp thông qua chân ROSC. Dòng điện giới hạn qua cuộn dây được xác định theo công thức:
$$I_{TRIP\max} = \frac{V_{REF}}{8 \times R_S}$$
- IC chuyển đổi USB sang UART CH340G: Đóng vai trò cầu nối giao tiếp chuẩn USB 2.0 tốc độ toàn phần giữa máy tính và vi điều khiển, hỗ trợ tốc độ Baud từ 50 bps đến 2 Mbps, sử dụng thạch anh ngoài 12 MHz và chân DTR để kích hoạt tự động Reset nạp chương trình.
- Đầu phát Laser Diode và nguyên lý kích thích: Laser diode (LD) chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện thành bức xạ quang học thông qua tái hợp electron - lỗ trống tại tiếp điểm p-n khi được phân cực thuận. Quá trình phát xạ kích thích tạo chùm sáng đơn sắc, có tính kết hợp và hội tụ cao. Việc điều khiển công suất laser sử dụng phương pháp điều khiển dòng không đổi (Automatic Current Control - ACC) kết hợp điều chế xung PWM ngõ vào TTL.
- Động cơ bước 2 pha: Sử dụng động cơ bước Nema 17 (mã 17HS1538) cho trục X và động cơ bước (mã STP-43D1036) cho trục Y, điều khiển theo nguyên lý đảo chiều phân cực tuần tự các cuộn dây pha.
Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:
- Phân tích - tổng hợp và so sánh lựa chọn linh kiện theo tiêu chí kỹ thuật và giá thành.
- Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) bằng phần mềm chuyên ngành điện tử.
- Thiết kế mô hình cơ khí định hình chuyển động 2 trục phẳng.
- Ghép nối phần mềm: Cấu hình mã nguồn mở firmware GRBL trên nền tảng Arduino IDE và tích hợp phần mềm LaserGRBL trên máy tính để chuyển đổi ảnh bitmap sang mã lệnh G-code.
- Phương pháp thực nghiệm: Chạy máy thử nghiệm thực tế trên nhiều mẫu vật liệu khác nhau để đo đạc và xác định thông số khắc tối ưu.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống máy khắc laser CNC mini được thiết kế theo cấu trúc khối chức năng độc lập và liên kết chặt chẽ:
[Máy tính / Laptop (LaserGRBL)]
[Khối giao tiếp CH340G]
[Khối điều khiển trung tâm ATmega328P]
[Driver A4988] [Driver A4988] [Driver Laser]
[Động cơ X] [2 Động cơ Y] [Laser Diode]
(Nema 17) (Mắc song song) (2000 mW)
1. Phân tích và lựa chọn linh kiện
Hệ thống đã so sánh và đưa ra các quyết định chọn lựa linh kiện phù hợp với yêu cầu chi phí thấp và độ tin cậy vận hành:
| Khối chức năng |
Linh kiện được chọn |
Linh kiện so sánh |
Lý do lựa chọn |
| Vi điều khiển |
ATmega328P (8-bit, 32KB Flash, 2KB SRAM) |
ATmega8 (8KB Flash), PIC16F887 (16KB Flash) |
Đủ bộ nhớ Flash/SRAM cho firmware GRBL, hỗ trợ UART, chi phí thấp, tương thích tốt với Arduino IDE. |
| Giao tiếp USB |
CH340G (Hỗ trợ USB 2.0, UART) |
FT232RL, CP2102, PL2303HX |
Giá thành rẻ, đáp ứng đúng yêu cầu chuyển đổi dữ liệu nối tiếp cơ bản giữa PC và vi điều khiển. |
| Lái động cơ bước |
Module A4988 (8-35V, 2A, vi bước 1/16) |
A3967 (Tối đa 750mA, vi bước 1/8), TB6560 |
Chịu dòng tốt hơn A3967, hỗ trợ chia bước tới 1/16, kích thước module nhỏ gọn, giá rẻ hơn TB6560. |
| Động cơ trục X |
Nema 17 42×42mm (17HS1538) |
Động cơ bước nhỏ |
Lực kéo khỏe, đáp ứng mang tải đầu khắc laser di chuyển liên tục trên trục X. |
| Động cơ trục Y |
2 động cơ STP-43D1036 |
1 động cơ đơn |
Bố trí đối xứng 2 bên khung máy, mắc song song vào một driver A4988 để đồng bộ kéo cả trục X. |
2. Thiết kế chi tiết các khối mạch
- Khối vi điều khiển trung tâm: Mạch dao động thạch anh 16 MHz kèm 2 tụ gốm 22 pF và điện trở 1 MΩ. Chân Reset (PC6) kết nối mạch nút nhấn và liên kết chân DTR của CH340G qua tụ 100 nF để tự động nạp code. Cổng PC0, PC1, PC2 tiếp nhận tín hiệu từ các nút nhấn quản lý tác vụ (RESET/ABORT, FEED HOLD, RESUME). Cổng PD2, PD3, PD5, PD6, PB0 xuất tín hiệu điều khiển STEPX, STEPY, DIRX, DIRY, ENABLE. Chân PB1, PB2 nhận tín hiệu công tắc hành trình (LIMX, LIMY). Chân PB3 phát xung PWM điều khiển laser.
- Khối giao tiếp CH340G: Chân D+ và D- nối trực tiếp với cổng USB máy tính. Thạch anh 12 MHz tạo dao động cho IC. Nguồn cấp 5 V lấy từ cổng USB đi qua cầu chì tự hồi phục MSMF050-2 (15 V, 0.5 A) nhằm chống ngắn mạch và ngăn dòng ngược bảo vệ cổng USB của máy tính.
- Khối lái động cơ bước: Hai module A4988 được cấp nguồn động lực 12 V (VMOT) qua tụ hóa lọc nguồn 47 µF. Chân SLEEP và RESET nối tắt với nhau. Các chân MS1, MS2, MS3 được nối ra jump cắm để tùy biến thiết lập độ phân giải vi bước theo bảng logic:
| MS1 |
MS2 |
MS3 |
Độ phân giải vi bước |
| Low |
Low |
Low |
Toàn bước (Full step) |
| High |
Low |
Low |
Bán bước (1/2 step) |
| Low |
High |
Low |
1/4 bước |
| High |
High |
Low |
1/8 bước |
| High |
High |
High |
1/16 bước |
- Khối điều khiển công suất Laser: Module driver chuyên dụng nhận điện áp vào 8–14 VDC (khuyến nghị 12 VDC), sử dụng mạch hạ áp DC-DC cung cấp dòng điện không đổi 3 A cho diode laser và cấp nguồn 12 VDC cho quạt làm mát. Đầu vào TTL nhận xung PWM từ chân PB3 vi điều khiển để điều chế độ sâu và cường độ tia khắc.
- Khối nút nhấn và công tắc hành trình: Sử dụng tiếp điểm thường mở (NO) của công tắc hành trình xác định gốc tọa độ Home. Tín hiệu được gắn thêm điện trở kéo lên 4.7 kΩ và tụ lọc gốm 100 nF chống nhiễu trên đường dây kéo dài từ khung máy.
- Khối nguồn và mạch chọn nguồn tự động: Sử dụng IC ổn áp LM1117 hạ điện áp 12 VDC từ adapter xuống 5 VDC cấp cho mạch logic. Mạch sử dụng giải pháp 2 diode 1N4001 đấu kiểu diode-OR tại đường nguồn 5 V từ cổng USB và đầu ra LM1117 để tự động ưu tiên nhận nguồn adapter khi máy vận hành đồng thời với cáp nối máy tính.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan
Trình bày bối cảnh công nghiệp hóa và tầm quan trọng của việc ứng dụng công nghệ CNC tự động vào sản xuất gia công nhằm nâng cao năng suất (nhanh gấp 3 đến 4 lần so với thợ thủ công). Giới thiệu khảo sát các dòng máy khắc laser CNC thương mại trên thị trường (tiêu biểu như các dòng máy hãng AiKO với các mức công suất nguồn laser 500 mW, 2500 mW và 10 W). Xác định mục tiêu đề tài, 8 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm và các giới hạn kỹ thuật của mô hình (công suất laser tối đa 2000 mW, kích thước máy 50 × 60 cm, vùng khắc tối đa 40 × 40 cm, khung máy đơn giản không có bàn gá kẹp).
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trình bày chi tiết kiến trúc phần cứng và tập lệnh của vi điều khiển ATmega328P (sơ đồ chân, các cổng vào/ra, bộ định thời và truyền thông USART). Giới thiệu nguyên lý làm việc của IC điều khiển động cơ bước A4988, sơ đồ khối nội, cơ chế điều khiển dòng PWM cố định thời gian tắt (Fixed Off-Time), hai chế độ xả dòng Mixed decay / Slow decay và công thức tính toán dòng định mức qua biến trở VREF. Phân tích chức năng sơ đồ chân IC chuyển đổi USB-UART CH340G. Phân tích nguyên lý quang điện của Laser Diode, cấu trúc chuyển tiếp p-n, các thông số quang học (bước sóng, dòng ngưỡng, công suất quang đầu ra) cùng hai phương pháp điều khiển laser (ACC và APC). Giới thiệu nguyên lý điều khiển kích từ tuần tự cho động cơ bước 2 pha lưỡng cực.
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Xác định yêu cầu kỹ thuật chi tiết của hệ thống máy khắc 2 trục X-Y. Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 7 khối chức năng chính (Máy tính, Giao tiếp, Điều khiển trung tâm, Điều khiển động cơ bước, Điều khiển laser, Nút nhấn/Công tắc hành trình, Khối nguồn). Lập các bảng so sánh tiêu chí kỹ thuật để lựa chọn vi điều khiển (ATmega328P), IC truyền thông (CH340G) và IC công suất lái động cơ (A4988). Tính toán, thiết kế chi tiết sơ đồ nguyên lý cho từng khối mạch chức năng và tổng hợp thành sơ đồ nguyên lý toàn mạch hoàn chỉnh.
Chương 4: Thi công hệ thống
Trình bày quy trình thi công mạch in (thiết kế layout mạch 2 lớp, in mạch, hàn ráp linh kiện SMD và linh kiện xuyên lỗ, đo kiểm điện áp ngõ ra nguồn 5V và kết nối USB). Thiết kế và gia công cơ khí bộ khung máy, gá lắp động cơ bước trục X, liên kết cơ cấu truyền động dây đai/trục trượt, hộp bảo vệ đóng gói bo mạch điều khiển. Xây dựng lưu đồ giải thuật chương trình chính và các chương trình con xử lý phân tích dữ liệu G-code, biến đổi dữ liệu tọa độ, kiểm tra biến hệ thống. Hướng dẫn quy trình cài đặt môi trường phần mềm (Java Runtime Environment, Arduino IDE, driver CH341, nạp thư viện và firmware GRBL, cấu hình phần mềm LaserGRBL). Biên soạn quy trình thao tác vận hành chuẩn từ bước nạp ảnh, chỉnh thông số đến thực hiện lệnh Homing và khắc phôi.
Chương 5: Kết quả, nhận xét và đánh giá
Công bố hình ảnh mô hình thực tế của bo mạch điều khiển sau khi lắp ráp hoàn thiện và toàn bộ kết cấu máy khắc laser CNC hoàn chỉnh. Trình bày các kết quả khắc và cắt thử nghiệm trên các mẫu vật liệu thực tế: khắc bàn cờ, khắc logo trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trên gỗ, khắc chữ trên gỗ, khắc logo trên mica đen, khắc họa tiết lên ví giả da, khắc hình trên kim loại có phủ sơn đen, khắc hình trên bìa carton, cắt chi tiết hình học trên giấy decal và cắt bìa giấy cứng màu đen. Đưa ra nhận xét khách quan về chất lượng đường nét gia công và độ ổn định hệ thống.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Đánh giá mức độ hoàn thành so với mục tiêu ban đầu đề ra của đề tài và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm cải tiến nâng cấp hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả thực nghiệm hệ thống
Hệ thống đã hoàn thiện chế tạo phần cứng bo mạch điều khiển đóng gói trong hộp bảo vệ và cơ cấu khung máy 2 trục chuyển động chính xác. Kết quả thử nghiệm gia công trên các loại vật liệu được tổng hợp chi tiết:
| STT |
Loại vật liệu |
Chế độ gia công |
Kết quả thực nghiệm |
| 1 |
Gỗ tự nhiên / Gỗ ép |
Khắc ảnh, khắc chữ, khắc logo |
Nét khắc sắc nét, thể hiện rõ các chi tiết phức tạp của logo trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, chữ viết rõ ràng, tạo đường kẻ bàn cờ chính xác theo tỷ lệ ảnh xử lý. |
| 2 |
Mica đen (Acrylic) |
Khắc hình ảnh / logo |
Bề mặt mica phản ứng tốt với chùm tia laser, các đường nét biên dạng logo trường hiển thị tương phản rõ rệt. |
| 3 |
Ví giả da (Simili/PU) |
Khắc hoa văn / hình họa |
Tia laser bóc tách lớp bề mặt tạo hình ảnh rõ nét, không làm cháy lẹm hay biến dạng bề mặt da xung quanh. |
| 4 |
Kim loại phủ sơn đen |
Khắc bóc lớp sơn |
Chùm tia laser 2000 mW đốt cháy chính xác lớp sơn phủ bề mặt theo biên dạng ảnh, làm lộ phần kim loại bên dưới tạo độ tương phản cao. |
| 5 |
Bìa carton |
Khắc hình ảnh |
Đường khắc đồng đều, không làm rách hoặc bắt lửa bìa giấy. |
| 6 |
Giấy decal |
Cắt biên dạng |
Cắt đứt hoàn toàn lớp decal theo đường viền đồ họa với độ chính xác cao. |
| 7 |
Bìa giấy cứng màu đen |
Cắt biên dạng |
Cắt ngọt mép cắt, không để lại muội than lớn. |
2. Đóng góp kỹ thuật của đồ án
- Tối ưu hóa chi phí sản xuất: Chế tạo thành công máy khắc CNC mini hoàn chỉnh từ các linh kiện bán dẫn và module phần cứng phổ thông (ATmega328P, A4988, CH340G) giúp hạ giá thành đáng kể so với các dòng máy nhập khẩu trên thị trường.
- Giải pháp phần cứng hiệu quả: Thiết kế mạch nguồn thông minh tự động chọn nguồn qua mạch Diode-OR, tích hợp cầu chì tự phục hồi MSMF050-2 bảo vệ cổng giao tiếp máy tính; giải quyết bài toán đồng bộ trục Y bằng cách mắc song song hai động cơ bước trên một kênh điều khiển A4988.
- Làm chủ quy trình tích hợp hệ thống: Làm chủ kỹ thuật cấu hình firmware GRBL nhúng trên vi điều khiển AVR kết hợp phần mềm mã nguồn mở LaserGRBL, xây dựng tài liệu quy trình khép kín từ khâu nạp ảnh bitmap, xử lý đồ họa vector đến vận hành khắc thực tế.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
1. Hạn chế của đề tài
- Giới hạn công suất quang: Đầu phát laser sử dụng công suất cực đại 2000 mW (2 W), chỉ gia công hiệu quả trên các vật liệu mềm (gỗ, da, giấy, mica đen) hoặc kim loại có sơn phủ; không thể khắc trực tiếp lên kim loại trần, thủy tinh trong suốt hoặc cắt các tấm vật liệu có độ dày lớn.
- Kết cấu cơ khí tối giản: Bộ khung máy chưa tích hợp bàn gá/kẹp phôi chuyên dụng, việc định vị vật liệu khắc còn phụ thuộc vào việc đặt thủ công trên mặt phẳng làm việc.
- An toàn lao động và môi trường: Chưa trang bị buồng kín bảo vệ chống phát tán bức xạ laser phản xạ và chưa tích hợp hệ thống hút/lọc khói mùi sinh ra trong quá trình đốt cháy vật liệu.
2. Hướng nghiên cứu tiếp
- Nâng cấp nguồn phát laser sang các module có công suất cao hơn (5 W, 10 W) hoặc nguồn laser CO2 để mở rộng khả năng cắt vật liệu dày và khắc kim loại trần.
- Bổ sung trục Z điều khiển tự động hoặc cơ cấu thấu kính tự động lấy nét (Auto-focus) nhằm tối ưu chùm tia laser theo độ dày vật liệu.
- Thiết kế buồng bao che kín có gắn kính lọc bước sóng an toàn và tích hợp quạt hút khói qua màng lọc than hoạt tính.
- Nâng cấp bàn gá kẹp phôi có cữ định vị cơ khí chính xác.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án là nguồn tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Công nghiệp, Kỹ thuật Cơ điện tử, Công nghệ Tự động hóa và Kỹ thuật Máy tính khi thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến điều khiển số CNC và quang điện tử.
Các nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:
- Sơ đồ nguyên lý và thiết kế bo mạch nhúng: Mạch nguồn bảo vệ kép (LM1117 + Diode-OR + cầu chì tự hồi phục) và mạch điều khiển động cơ bước A4988.
- Tài liệu cấu hình firmware GRBL: Quy trình thay đổi các định nghĩa giới hạn vùng làm việc, quy trình Homing và thiết lập thông số vi bước trong mã nguồn GRBL trên Arduino IDE.
- Quy trình vận hành phần mềm LaserGRBL: Hướng dẫn xử lý ảnh đầu vào và căn chỉnh các thông số công suất, tốc độ quét cho từng loại vật liệu gia công.
Câu hỏi thường gặp
1. Hệ thống phân bổ động cơ và điều khiển chuyển động cho hai trục X và Y như thế nào?
Trục X sử dụng 1 động cơ bước Nema 17 (17HS1538) để kéo trực tiếp đầu khắc laser di chuyển ngang. Trục Y sử dụng 2 động cơ bước (STP-43D1036) bố trí đối xứng hai bên khung máy, được đấu nối song song vào cùng một module driver A4988 để đảm bảo chuyển động đồng bộ khi kéo toàn bộ cụm trục X.
2. Tại sao đồ án lựa chọn vi điều khiển ATmega328P và IC CH340G thay vì các vi điều khiển hay IC giao tiếp khác?
ATmega328P cung cấp bộ nhớ đủ lớn (32 KB Flash, 2 KB SRAM), đầy đủ kênh PWM và chuẩn USART, tương thích hoàn toàn với mã nguồn GRBL và có giá thành thấp hơn các dòng chip chuyên dụng. IC CH340G đáp ứng chuẩn xác nhiệm vụ chuyển đổi USB sang UART với chi phí rẻ và mạch thiết kế tối giản so với FT232RL hay CP2102.
3. Khối nguồn của hệ thống xử lý tình trạng cấp nguồn kép (USB máy tính và adapter 12 V) bằng nguyên lý nào?
Khối nguồn sử dụng mạch Diode-OR gồm 2 diode 1N4001 nối ở ngõ ra 5 V của cổng USB và ngõ ra 5 V của IC ổn áp LM1117 (hạ áp từ adapter 12 V). Khi cắm adapter 12 V, điện áp ngõ ra LM1117 cao hơn nguồn USB, giúp hệ thống tự động ưu tiên lấy dòng từ adapter để cấp cho mạch điều khiển hoạt động ổn định và bảo vệ cổng USB máy tính.
4. Phương pháp điều khiển dòng điện nào được áp dụng cho đầu phát Laser Diode trong đồ án?
Đồ án sử dụng phương pháp điều khiển dòng không đổi (Automatic Current Control - ACC) qua module driver chuyên dụng kết hợp điều biến độ rộng xung PWM ngõ vào TTL (chân PB3 vi điều khiển). Phương pháp này giúp mạch có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và đáp ứng tốt cho các ứng dụng công suất dưới 2000 mW.
5. Kích thước làm việc và khả năng gia công thực tế của máy đạt được những thông số nào?
Kích thước khung máy là 50 × 60 cm, hỗ trợ vùng làm việc khắc từ 1 × 1 cm đến 40 × 40 cm. Máy gia công thực nghiệm thành công các tác vụ khắc chữ, logo và hình ảnh trên gỗ tự nhiên, mica đen, ví giả da, bìa carton, bề mặt kim loại phủ sơn đen; đồng thời cắt được giấy decal và bìa giấy cứng màu đen.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và thi công máy khắc laser CNC" đã hoàn thành trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng điện tử, gia công khung cơ khí đến cấu hình firmware điều khiển nhúng. Hệ thống máy khắc laser 2 trục mini vận hành ổn định trên nền tảng vi điều khiển ATmega328P, firmware GRBL và phần mềm LaserGRBL, đáp ứng tốt yêu cầu gia công khắc chữ, khắc họa tiết và cắt biên dạng trên nhiều vật liệu phi kim với chi phí chế tạo thấp. Kết quả thực nghiệm minh chứng tính khả thi và độ tin cậy của mô hình, đồng thời tạo tiền đề kỹ thuật vững chắc cho việc nâng cấp công suất laser và tự động hóa hệ thống trong tương lai.
