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 do an 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 do an 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 do an 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 do an 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 do an 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 do an 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 do an 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).