Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy công cụ điều khiển số (Computer Numerical Control - CNC) đóng vai trò then chốt trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp và chế tạo cơ khí hiện đại. Tại thời điểm tác giả thực hiện đề tài (năm 2016), hầu hết các máy CNC hoạt động tại Việt Nam đều được nhập khẩu nguyên chiếc từ các quốc gia như Đức, Nhật Bản và Trung Quốc với chi phí đầu tư rất cao. Việc tự nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy CNC trong nước còn rất hạn chế, phần lớn mới dừng lại ở mức độ lắp ráp thử nghiệm đơn giản ("chế máy CNC chạy được").

Mặt khác, các dòng máy CNC cơ khí truyền thống (khoan, phay, tiện, doa) đều hoạt động dựa trên nguyên lý dùng dao cắt gọt tác động trực tiếp lực cơ học vào phôi để tách phoi. Cơ chế này đòi hỏi kết cấu khung máy và hệ thống ray trượt phụ trợ phải rất cứng vững, chịu lực lớn, cấu hình tối thiểu phải từ 3 trục trở lên, dẫn đến giá thành chế tạo đắt đỏ và thời gian nghiên cứu kéo dài. Để giải quyết bài toán chi phí và kỹ thuật trong điều kiện nghiên cứu của sinh viên, tác giả lựa chọn phương án ứng dụng chùm tia laser nhiệt kết hợp công nghệ CNC 2 trục (X-Y) nhằm đơn giản hóa kết cấu cơ khí, tận dụng phần cứng nhúng và phần mềm nguồn mở.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài gồm 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan về nguyên lý vận hành của hệ thống máy công cụ điều khiển số CNC và công nghệ gia công bằng tia laser.
  2. Khảo sát cấu trúc hệ thống điều khiển của máy phay CNC 3 trục công nghiệp tiêu chuẩn (sử dụng mạch điều khiển AKZ250, phần mềm Mach3, động cơ AC Servo và biến tần trục chính) để làm cơ sở đối sánh.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in bo mạch điều khiển trung tâm 2 trục tích hợp vi điều khiển nhúng và khối lái động cơ bước.
  4. Xây dựng phần mềm giao diện điều khiển máy khắc laser trên máy tính cá nhân bằng ngôn ngữ C#.
  5. Gia công, lắp ráp hoàn thiện mô hình cơ khí máy khắc CNC 2 trục và tiến hành thử nghiệm gia công thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là hệ thống điều khiển số và mô hình máy khắc laser 2 trục. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian được thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Phạm vi thời gian thực hiện theo nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp từ ngày 31 tháng 09 năm 2016 đến ngày 31 tháng 12 năm 2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Nguyên lý điều khiển số và hệ tọa độ gia công: Áp dụng hệ tọa độ Descartes theo nguyên tắc bàn tay phải theo tiêu chuẩn ISO để xác định quỹ đạo chuyển động tịnh tiến (X, Y, Z) và quay (A, B, C); mô hình tích hợp sản xuất có trợ giúp của máy tính (CIM).
  • Vật lý quang học và công nghệ bức xạ Laser: Bản chất khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation); nguyên lý cấu tạo buồng cộng hưởng gồm hoạt chất laser, nguồn nuôi và hai gương phản xạ; cơ chế đảo lộn mật độ tích lũy điện tử. Khảo sát các dòng laser thông dụng như laser chất rắn (YAG-Neodym phát bước sóng 1060 nm, Rubi phát bước sóng 694,3 nm), laser chất khí (He-Ne 632,8 nm, Argon 488 nm và 514,5 nm, CO2 10.600 nm) và đi-ốt laser bán dẫn tiếp giáp p-n.
  • Tiêu chuẩn an toàn bức xạ Laser: Phân loại an toàn từ cấp độ I đến IV theo khả năng gây tổn thương võng mạc mắt và bỏng mô da, cùng quy chuẩn trang bị kính bảo hộ chống bức xạ.
  • Nguyên lý truyền động cơ điện: Cấu tạo và đặc tính của động cơ bước đơn cực kiểu lai (hybrid single-polar stepper motor) với rotor nam châm vĩnh cửu và stator 200 răng (bước góc 1,8°); nguyên lý băm xung PWM điều khiển công suất tia laser; kỹ thuật vi bước (microstepping) trên IC điều khiển A4988.

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu kỹ thuật từ datasheet linh kiện điện tử (ATmega328P, driver A4988), tài liệu hệ thống CNC công nghiệp (mạch AKZ250, chuẩn giao tiếp Mach3, động cơ AC Servo Mitsubishi).
  • Phương pháp thiết kế và mô phỏng kỹ thuật: Ứng dụng phần mềm Proteus 7 để thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện tử và layout mạch in 3D bo mạch điều khiển trung tâm.
  • Phương pháp phát triển phần mềm: Lập trình phần mềm giao diện người dùng và thuật toán truyền thông nối tiếp qua cổng USB trên môi trường Microsoft Visual Studio 2010 bằng ngôn ngữ C#.
  • Phương pháp thực nghiệm - chế tạo mẫu: Thi công cơ khí khung máy bằng thanh nhôm định hình và vật liệu phụ trợ; lắp ráp mạch điện tử, kết nối hệ thống truyền động đai puly và chạy thực nghiệm khắc vật liệu.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật của mô hình máy khắc laser CNC 2 trục được phân tách thành 3 khối chính: kết cấu cơ khí, phần cứng điều khiển điện tử và phần mềm điều khiển trên máy tính.

Cấu trúc kết cấu cơ khí

Khung máy được định hình dạng bàn phẳng chữ nhật, sử dụng vật liệu nhôm định hình kích thước tiết diện 20 x 40 mm. Rãnh trượt của thanh nhôm định hình được tận dụng trực tiếp làm đường dẫn hướng cơ học kết hợp với cụm bánh xe lăn chuyên dụng. Chuyển động tịnh tiến của hai trục X và Y được truyền động qua cơ cấu dây đai răng và puly gắn vào trục động cơ bước. Phần bệ đỡ mặt đáy sử dụng gỗ công nghiệp kết hợp tấm nhựa Mica để giảm tải trọng toàn bộ khung máy nhưng vẫn đảm bảo độ phẳng làm việc.

Hạng mục thông số Giá trị kỹ thuật
Kích thước tổng thể bàn máy (Dài x Rộng x Cao) 800 x 600 x 200 mm
Kích thước phôi gia công tối đa 650 x 450 mm
Vật liệu khung chính Nhôm định hình 20 x 40 mm
Vật liệu bệ đế Gỗ kết hợp nhựa Mica
Cơ cấu dẫn động Bánh xe tì dây đai vào puly trên ray nhôm
Động cơ truyền động trục Động cơ bước đơn cực kiểu lai, stator 200 răng (1,8°/bước)
Đầu công tác gia công Đi-ốt Laser bán dẫn công suất 2W (ánh sáng xanh - Blue Laser)

Thiết kế phần cứng mạch điều khiển trung tâm

Để giảm giá thành so với các dòng mạch công nghiệp như AKZ250, tác giả tự thiết kế một bo mạch điều khiển trung tâm trên phần mềm Proteus 7 với các thành phần:

  • Khối xử lý trung tâm: Sử dụng vi điều khiển ATmega328P trên module Arduino Nano (kiến trúc 8-bit, xung nhịp 16 MHz, điện áp làm việc 5V DC, dòng tiêu thụ 30 mA, bộ nhớ Flash 32 KB với 2 KB dành cho bootloader, SRAM 2 KB, EEPROM 1 KB).
  • Khối công suất truyền động: Tích hợp 2 driver điều khiển động cơ bước A4988 dạng chân cắm trực tiếp trên mạch. Driver này hỗ trợ 5 chế độ vi bước (Full, Half, 1/4, 1/8, 1/16) được thiết lập thông qua mức điện áp 5V cấp vào các chân MS1, MS2, MS3. Dòng điện định mức cấp cho động cơ bước tối đa đạt 3A, có cơ chế ngắt bảo vệ quá nhiệt tự động.
  • Khối giao tiếp và ngoại vi: Kết nối máy tính qua cổng USB; trang bị 4 cổng đầu vào nhận tín hiệu từ công tắc hành trình hoặc cảm biến giới hạn vùng làm việc; 1 cổng đầu ra logic điều khiển đóng/ngắt nguồn phát laser; tích hợp cầu chì bảo vệ mạch điện chống quá tải.

Phần mềm điều khiển và quy trình gia công

Phần mềm điều hành trên máy tính cá nhân được lập trình bằng ngôn ngữ C# trong môi trường Microsoft Visual Studio 2010. Giao diện phần mềm tiếp nhận dữ liệu thiết kế sản phẩm, chuyển đổi thành tập lệnh điều khiển, truyền thông nối tiếp hai chiều với Arduino Nano qua cổng COM ảo của giao tiếp USB. Tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) độ phân giải 8-bit được vi điều khiển xuất ra để điều chỉnh năng lượng phát của đi-ốt laser 2W, đồng thời phân bổ xung dịch bước đến hai driver A4988 để dịch chuyển tọa độ đầu khắc theo đúng biên dạng yêu cầu.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quát về máy CNC và hệ thống điều khiển

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển số từ các ứng dụng quân sự - hàng không ban đầu cho đến các hệ thống vi xử lý 32-bit và mô hình nhà máy tự động hóa linh hoạt (CIM). Tác giả trình bày chi tiết cơ sở toán học và quy chuẩn kỹ thuật của máy CNC:

  • Quy chuẩn hệ tọa độ Descartes theo tiêu chuẩn ISO với 3 trục tịnh tiến (X, Y, Z) và 3 trục quay tương ứng (A, B, C).
  • Phân loại máy CNC dựa trên dạng nguồn truyền động (điện, thủy lực, khí nén), phương pháp điều khiển (tọa độ điểm hay đường liên tục), hệ thống định vị (tuyệt đối hay tương đối), vòng lặp phản hồi (vòng hở, vòng kín, nửa kín) và nhóm công năng (tiện, phay, khoan, mài, trung tâm gia công).
  • Cấu trúc chức năng của hệ thống CNC: Chương trình gia công chi tiết lưu trữ trên vật mang tin hoặc truyền trực tiếp qua giao thức DNC; khối tính toán CPU ghép nối Bus vào ra (I/O) với bộ nhớ Flash/RAM; khối điều khiển logic tiếp nhận phản hồi từ cảm biến vị trí (encoder) để điều phối các cơ cấu chấp hành như van thủy lực, rơ-le, bơm dung dịch làm mát và lệnh quay trục chính.
  • Quy trình tự động hóa chuẩn bị chương trình gia công bằng máy tính nhằm hạn chế lỗi tính toán thủ công và tối ưu hóa đường chạy dao.

Chương 2: Công nghệ máy CNC ứng dụng tia Laser

Chương 2 phân tích sự khác biệt về mặt bản chất giữa gia công cắt gọt cơ học truyền thống và công nghệ gia công chùm tia năng lượng cao:

  • So sánh ưu nhược điểm: Máy CNC cổ điển tuy đa năng trên mọi vật liệu nhưng đòi hỏi tối thiểu 3 trục, hệ thống cơ khí chịu lực nặng nề và chi phí nghiên cứu vượt quá khả năng tài chính của đồ án sinh viên. Ngược lại, máy khắc laser chỉ cần 2 trục tịnh tiến X-Y, không chịu lực tì đè cơ học nên ray dẫn hướng nhẹ hơn, có thể tận dụng phần cứng giá rẻ, dù phạm vi xử lý chỉ giới hạn ở việc cắt hoặc khắc nhiệt bề mặt.
  • Nguyên lý phát xạ kích thích: Cấu tạo buồng cộng hưởng chứa hoạt chất và cơ chế gương bán mạ - gương phản xạ toàn phần giúp nhân đôi liên tục các phô-tông đồng hướng, đồng tần số và đồng pha.
  • Đặc tính vật lý của tia laser: Tính định hướng cao (chùm tia song song chiếu xa không phân tán), tính đơn sắc tuyệt đối (không bị tán xạ khi chuyển đổi môi trường chiết suất) và mật độ năng lượng tập trung cực lớn trong các xung phát ngắn (cỡ mili, nano hoặc pico giây).
  • Khảo sát các loại hoạt chất: Laser chất rắn (YAG-Neodym phát xạ 1060 nm công suất liên tục tới 100W; tinh thể Rubi 694,3 nm; bán dẫn Gallium Arsen 890 nm) và laser chất khí (He-Ne 632,8 nm, Argon 488/514,5 nm, CO2 10.600 nm).
  • Cấu tạo đi-ốt laser bán dẫn: Cơ chế phát quang tại vùng tiếp giáp p-n khi electron tái hợp lỗ trống dưới tác động của điện áp kích hoạt; khảo sát dải bước sóng thương mại (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm) và lựa chọn module đi-ốt laser blue 2W.
  • An toàn lao động: Cảnh báo mức độ bức xạ từ cấp I đến IV; nhấn mạnh nguy cơ tổn thương vĩnh viễn tế bào võng mạc trong vài giây ngay cả ở nguồn laser vài mW và yêu cầu bắt buộc phải sử dụng kính chống bức xạ chuyên biệt.

Chương 3: Thiết kế và xây dựng máy khắc Laser 2 trục

Chương này là nội dung trọng tâm của đồ án, được triển khai qua hai giai đoạn: khảo sát hệ thống công nghiệp tiêu chuẩn và thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm.

  1. Khảo sát hệ thống điều khiển máy phay CNC 3 trục tiêu chuẩn:

    • Cấu trúc hệ thống công nghiệp gồm máy tính chạy phần mềm Mach3, mạch giao tiếp AKZ250, bộ Driver và động cơ AC Servo cho 3 trục X-Y-Z, động cơ không đồng bộ 3 pha làm trục chính quay dao điều khiển vô cấp qua biến tần theo công thức tốc độ $n = \frac{60f}{p}(1-s)$, cùng hệ thống công tắc hành trình cơ học SHL-W225.
    • Phân tích thông số mạch AKZ250: Tương thích phần mềm Mach3 (gồm cả bản Mach3 R3) trên nền tảng Windows 2000/XP/Vista/Win 7; giao tiếp USB cắm chạy (Plug and Play) không cần cài thêm driver; tần số phát xung tối đa 200 kHz; có 16 đầu ra điều khiển.
    • Nhận định nguyên nhân không áp dụng giải pháp này cho đề tài: Chi phí bộ điều khiển AKZ250 và các bộ driver AC Servo (như của Mitsubishi) có giá thành quá đắt, cấu trúc điều khiển vị trí vòng kín phức tạp.

  2. Thiết kế hệ thống điều khiển máy khắc Laser 2 trục:

    • Thay thế động cơ AC Servo bằng động cơ bước đơn cực kiểu lai 6 dây ra, stator 200 răng, bước góc 1,8°. Dù có nhược điểm làm việc vòng hở dễ mất bước khi quá tải, động cơ bước có ưu điểm mô-men giữ lớn, cấu trúc điều khiển đơn giản và giá thành thấp.
    • Ứng dụng IC lái chuyên dụng A4988 để tạo xung vuông điều khiển cuộn dây stator; lập bảng ma trận chọn chế độ vi bước (Full, Half, 1/4, 1/8, 1/16) qua 3 chân logic MS1, MS2, MS3.
    • Tích hợp vi điều khiển Arduino Nano sử dụng chip ATmega328P 8-bit, 16 MHz, kích thước nhỏ gọn 1,3 cm, trang bị 14 chân Digital I/O (với 6 chân PWM 8-bit), 8 chân Analog 10-bit.
    • Thiết kế mạch in trung tâm trên Proteus 7: Tích hợp socket cắm Arduino Nano và module A4988; bố trí khối mạch công suất nuôi động cơ dòng cực đại 3A, khối bảo vệ máy tính và mạch bằng cầu chì, 4 ngõ vào cảm biến và 1 ngõ ra điều khiển laser.
    • Xây dựng phần mềm máy tính trên Visual Studio 2010 bằng ngôn ngữ C# kết nối qua cổng USB.
    • Chế tạo cơ khí bàn máy kích thước 800 x 600 x 200 mm từ nhôm định hình 20 x 40 mm, thiết kế cụm bánh xe tì đai vào puly để tạo chuyển động trượt dọc ray nhôm, xử lý phôi gia công thực tế kích thước lên tới 650 x 450 mm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng máy khắc laser CNC 2 trục hoàn chỉnh với kích thước bàn máy 800 x 600 x 200 mm và diện tích làm việc hữu ích đạt 650 x 450 mm.
  • Thiết kế, thi công hoàn chỉnh bo mạch điều khiển trung tâm 2 trục kích thước gọn, tương thích giao tiếp USB với máy tính, tích hợp vi điều khiển ATmega328P và mạch công suất A4988 cấp dòng tối đa 3A, có sẵn 4 cổng vào cho cảm biến hành trình và 1 ngõ ra điều khiển laser.
  • Lập trình thành công phần mềm giao diện điều khiển bằng ngôn ngữ C# trên Visual Studio 2010, cho phép tải dữ liệu gia công, phát xung PWM điều chế công suất đầu khắc và xuất lệnh dịch bước hai trục X-Y.
  • Thử nghiệm thành công quá trình khắc nhiệt bằng chùm tia của module đi-ốt laser bán dẫn 2W trên một số vật liệu phẳng phù hợp.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

Đề tài đề xuất giải pháp thay thế toàn diện hệ thống điều khiển công nghiệp đắt tiền bằng hệ thống nhúng mã nguồn mở chi phí thấp:

  • Thay thế bộ điều khiển AKZ250 và máy tính chạy Mach3 bằng vi điều khiển Arduino Nano kết hợp phần mềm tự viết bằng C#.
  • Thay thế hệ truyền động động cơ AC Servo đắt tiền bằng động cơ bước đơn cực kiểu lai kết hợp driver băm xung vi bước A4988.
  • Tận dụng kết cấu rãnh của nhôm định hình 20 x 40 mm vừa làm khung chịu lực vừa làm ray trượt dẫn hướng cho cụm bánh xe truyền động đai puly, loại bỏ nhu cầu sử dụng các bộ ray trượt bi công nghiệp tốn kém.

Đóng góp của đề tài

Đồ án đã chứng minh tính khả thi của việc tự chế tạo thiết bị CNC laser 2 trục tại các xưởng nhỏ hoặc môi trường phòng thí nghiệm sinh viên với nguồn kinh phí hạn chế. Kết quả nghiên cứu cung cấp một tài liệu thiết kế hệ thống chi tiết từ sơ đồ mạch in Proteus, cấu hình phần cứng nhúng đến thuật toán phần mềm giao tiếp máy tính.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Số trục điều khiển và phương pháp gia công: Mô hình chỉ gồm 2 trục tọa độ phẳng (X, Y), sử dụng năng lượng nhiệt laser nên chỉ phù hợp để cắt hoặc khắc bề mặt trên một số vật liệu phi kim cụ thể, không gia công tạo hình khối không gian 3 chiều (3D) được như máy phay CNC cổ điển.
  • Đặc tính vòng hở của truyền động: Việc sử dụng động cơ bước không có encoder phản hồi vị trí khiến hệ thống vận hành ở chế độ vòng hở (open-loop), tiềm ẩn nguy cơ mất bước (missed steps) nếu cơ cấu cơ khí bị kẹt hoặc khi tăng tải đột ngột.
  • Giới hạn công suất phát: Nguồn nhiệt sử dụng đi-ốt laser bán dẫn công suất 2W nên tốc độ xử lý vật liệu còn chậm, độ sâu vết khắc bị hạn chế và không thể gia công trên các vật liệu có độ phản xạ cao hoặc vật liệu kim loại dày.

Hướng phát triển tiếp

  • Nâng cấp nguồn phát sang các dòng laser có công suất và bước sóng tối ưu hơn (như laser chất khí CO2) nhằm mở rộng dải vật liệu gia công và tăng tốc độ cắt khắc.
  • Bổ sung cảm biến phản hồi vị trí góc quay trên trục động cơ để xây dựng thuật toán điều khiển vòng kín, loại bỏ hiện tượng sai lệch bước và nâng cao độ chính xác định vị cơ học.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên các ngành Điện Tự động công nghiệp, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa đang thực hiện các đồ án môn học hoặc đồ án tốt nghiệp liên quan đến máy CNC cỡ nhỏ và hệ thống nhúng.
  • Kỹ thuật viên, người nghiên cứu tự chế (maker) tại các cơ sở chế tác, xưởng thủ công mỹ nghệ quy mô nhỏ muốn tự lắp ráp máy khắc laser phẳng với chi phí đầu tư thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao nhất trong tài liệu:

  • Sơ đồ phân tích đối sánh chi tiết giữa cấu trúc máy CNC 3 trục công nghiệp (Mach3 + AKZ250 + AC Servo) và giải pháp máy 2 trục rút gọn.
  • Bản vẽ thiết kế nguyên lý và bố trí mạch in (layout 3D) của bo mạch điều khiển trung tâm trên phần mềm Proteus 7 kết nối vi điều khiển ATmega328P với module driver A4988.
  • Phương pháp thiết kế cơ cấu ray trượt cơ khí bằng cách tận dụng rãnh nhôm định hình 20 x 40 mm kết hợp bánh xe tì đai và động cơ bước đơn cực kiểu lai.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận sử dụng loại vi điều khiển nào và bộ lái động cơ bước gì trong hệ thống điều khiển máy khắc?

Hệ thống điều khiển máy khắc laser sử dụng vi điều khiển ATmega328P (8-bit, 16 MHz) trên bo mạch Arduino Nano, kết hợp với các bộ lái động cơ bước chuyên dụng là module IC A4988. Driver A4988 hỗ trợ dòng cấp tối đa 3A, có tính năng tự ngắt khi quá nhiệt và hỗ trợ 5 chế độ phân giải bước từ Full step đến 1/16 microstep thông qua thiết lập mức logic trên các chân MS1, MS2, MS3.

2. Khung máy và hệ thống truyền động cơ khí của mô hình được chế tạo từ những vật liệu và cơ cấu nào?

Khung máy có kích thước tổng thể 800 x 600 x 200 mm, sử dụng vật liệu chính là thanh nhôm định hình kích thước 20 x 40 mm. Rãnh nhôm định hình được tận dụng làm ray trượt dẫn hướng kết hợp cụm bánh xe lăn. Phần bệ đỡ mặt bàn máy làm bằng gỗ kết hợp nhựa Mica. Truyền động dịch chuyển trên hai trục X và Y sử dụng cơ cấu dây đai răng tì vào puly gắn trực tiếp trên trục động cơ bước.

3. Tại sao tác giả chọn công nghệ khắc bằng đi-ốt Laser thay vì xây dựng máy CNC gia công cắt gọt 3 trục cơ khí?

Tác giả chọn công nghệ laser vì máy CNC cơ khí cổ điển đòi hỏi tối thiểu 3 trục tọa độ, dùng dao cắt tì đè trực tiếp lên phôi gây ra lực cắt lớn, yêu cầu khung máy và ray trượt chịu lực phức tạp, tốn kém chi phí chế tạo và thời gian nghiên cứu. Trong khi đó, máy khắc laser không tiếp xúc cơ học nên kết cấu giá đỡ và ray trượt nhẹ hơn, chỉ cần 2 trục tịnh tiến (X, Y), tận dụng được phần cứng vi điều khiển và phần mềm nguồn mở giá rẻ, phù hợp với năng lực tài chính và quy mô đề tài sinh viên.

4. Phần mềm điều khiển máy khắc trên máy tính được tác giả lập trình bằng ngôn ngữ gì và công cụ nào?

Phần mềm điều khiển máy tính giao tiếp với mô hình máy khắc laser được tác giả tự lập trình bằng ngôn ngữ C# trên bộ công cụ Microsoft Visual Studio 2010, truyền nhận dữ liệu với mạch điều khiển trung tâm qua cổng giao tiếp USB.

5. Mạch điều khiển máy phay CNC 3 trục tiêu chuẩn được tác giả khảo sát ở Chương 3 có tên mã là gì và có những đặc điểm kỹ thuật nào?

Mạch điều khiển được khảo sát là mạch AKZ250. Mạch này có các đặc điểm kỹ thuật chính: giao tiếp qua cổng USB và tương thích với các phiên bản phần mềm Mach3 (bao gồm Mach3 R3) trên hệ điều hành Windows 2000/XP/Vista/Win 7; không cần cài đặt thêm USB driver; tần số xung nhịp tối đa đạt 200 kHz (hỗ trợ cả động cơ bước và động cơ AC Servo); trang bị 16 đầu ra điều khiển; hỗ trợ đèn LED báo trạng thái và lấy nguồn trực tiếp từ cổng USB.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Hoàng Minh Vũ (ngành Điện Tự động công nghiệp, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, năm 2016) đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy khắc laser 2 trục ứng dụng công nghệ điều khiển số CNC. Hệ thống tích hợp hiệu quả giữa kết cấu khung nhôm định hình 20 x 40 mm (kích thước gia công 650 x 450 mm), bo mạch nhúng tự thiết kế dùng vi điều khiển ATmega328P kết hợp driver A4988 và phần mềm máy tính viết bằng C#. Đề tài chứng minh tính khả thi của giải pháp gia công nhiệt bằng đi-ốt laser bán dẫn 2W với chi phí chế tạo thấp, cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho hoạt động nghiên cứu, học tập và ứng dụng tại các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ.