LỜI NÓI ĐẦU
Những năm trở lại đây nền kinh tế của các nước trên thế giới phát triển nhanh
chóng bằng việc vận dụng các phát minh hiện đại mới nhất vào mọi mặt của cuộc
sống đặc biệt là ngành công nghiệp .Ở hầu hết các nước phát triển thì ngành công
nghiệp luôn là ngành đóng vai trò quan trọng ,đóng góp nhiều nhất vào nền kinh
tế đất nước. Ở Việt Nam cũng vậy, những năm trở lại đây ngành công nghiệp
cũng đang dần phát triển bằng việc đưa vào các dây truyền, máy móc hiện đại.
Với nhiệm vụ hướng đến tự động hóa giúp con người giảm sức lao động thay vào
đó là máy móc thực hiện điều đó một cách chính xác, nhanh chóng. Đây là một
thách thức với những người kỹ sư ngày nay để đưa nền công nghiệp nước ta sánh
ngang với các nước trên thế giới.
Sau thời gian học tập tại trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội, được sự chỉ bảo
dạy giỗ nhiệt tình của các thầy cô trong khoa cơ điện tử và khoa cơ khí trường Đại
Học Công Nghiệp Hà Nội, em sắp kết thúc khóa học và cũng đã tích được một
vốn kiến thức. Được sự đồng ý của nhà trường và thầy NHỮ QUÝ THƠ em đã
được giao đề tài tốt nghiệp: Tính toán, thiết kế và chế tạo bàn máy của máy gia
công Laser:
Bằng sự nỗ lực của cả nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo của thầy
giáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, nhóm em đã hoàn thành đồ án đúng thời hạn. Em rất
mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô để bản đồ án này được hoàn
thiện hơn nữa .Em xin cảm ơn thầy giáo TH.S NHỮ QUÝ THƠ, các thầy cô giáo
trong trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ nhóm em
trong thời gian qua.
Hà Nội, ngày 20 tháng 4 năm 2015
Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Ngọc Hanh :CKCLC 1
Nguyễn Văn Ngọc :CKCLC 1
Phạm Thái Hưng : CKCLC 1

1


2


của sản phẩm. Bên trong hệ thống bàn máy chứa hệ thống chuyền động, động cơ
hoạt động và rất nhiều hệ thống khác, độ chính xác, độ cứng vững ảnh hưởng đến
quá trình làm việc cũng như là độ chính xác gia công, dó đó khi tính toán thiết kế
hệ thống bàn máy gia công Laser cần phải giải quyết một số vấn đề sau:
-

Tính toán hệ thống truyền động: hệ thống xích, trục vít, động cơ.
Lựa chọn vật liệu phù hợp cho hệ thống bàn máy để có khả năng chống ăn

-

mòn, chịu nhiệt, tăng khả năng cứng vững cho máy.
Chế tạo chi tiết, lắp đặt và có khả năng hiệu chỉnh.

-

Xác định được phạm vi không gian của máy khi thiết kế.

-

Xây dựng phương án công nghệ.

1.3 Phương pháp nghiện cứu
Tính toán, thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser là nghiên cứu thuộc lĩnh
vực Cơ khí. Vì vậy, nhóm áp dụng cơ sở tính toán, phương pháp thiết kế ngành
cơ khí. Từ những nhiệm vụ ở trên, nhóm đã thảo luận và đưa ra những phương
hướng cụ thể để bắt tay vào thực hiện đề tài như sau:

-

Lắp ráp phần bàn máy với các bộ phận khác của máy để tạo thành
chiếc máy hoàn chỉnh.

-

Gia công chế tạo các mẫu cắt thử và kiểm nghiệm.

Để hoàn thành đề tài, nhóm đã áp dụng nhiều kiến thức chuyên ngành cơ
khí đã học và một số kiến thức liên ngành khác.
Cùng các tài liệu trên Internet, sách tham khảo, đồ án của các anh chị khóa
trước, đặt câu hỏi với các vấn đề đó để tìm ra phương án tối ưu nhất, đưa ra các
giả định rồi thử nghiệm chứng minh…
Áp dụng một số kiến thức được học về khóa học tư duy kỹ thuật, các công
cụ giải quyết vấn đề như Process Map, cách nghĩ MECE, biểu khảo sát...
1.4 Phạm vi giới hạn đề tài
Ý tưởng thiết kế hệ thống bàn máy CNC Laser rất đa dạng, có rất nhiều kiểu
dáng và mẫu mã khác nhau. Tuy nhiên, trong phạm vi “ Đồ án tốt nghiệp “ với
những giới hạn về thời gian, tài chính và tầm hiểu biết, nhóm chỉ thiết kế và chế
tạo được hệ thống bàn máy CNC Laser với những tính năng đảm bảo được các
yêu cầu sau:
-

Hệ thống bàn máy thiết kế theo dạng nhỏ gọn, tiện trong quá trình sử
dụng, sửa chữa, bảo trì, vận chuyển. Thuộc lĩnh vực cơ khí và tự động
hóa, thuộc loại máy cỡ vừa và nhỏ (có công suất từ 40-60W)

-


Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California.
Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và
xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Robert N. Hall phát triển
laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962. Laser bán dẫn đầu tiên với tia
phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó. Năm 1970,
Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí
nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong
phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối, tu sửa.
Gia công bằng tia laser là quá trình cắt vật liệu, nung chảy hay thay đổi cấu trúc
vật liệu bằng cách tập trung một tia sáng đơn sắc vào chi tiết gia công. Gia công
cắt gọt laser không cho phép bóc tách vật liệu với khối lượng lớn nhưng nó cho
tốc độ cắt cao và với dụng cụ dễ điều khiển, không tiếp xúc và không mòn.

5


Hình 2.1 Cắt laser.
2.1.2 Khái quát về thiết kế máy CNC Laser
2.1.2.1 Cấu tạo về máy CNC Laser thiết kế
Máy gia công laser thiết kế là thiết bị gia công được thiết kế điều khiển bằng
phần mềm do nhóm tự phát triển thông qua thuật toán nội suy và xử lý hình ảnh.
Cấu tạo máy CNC Laser bao gồm 2 phần :
-

Cơ khí : + Hệ thống vỏ máy
+ Hệ thống bàn máy gia công
+ Hệ thống chuyển động

-



,, một chùm tia năng lượng

cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết gia
công nhờ hệ thống thấu kính.
Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một cùng vật liệu nóng chảy cục
bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0.5mm.
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp
lực cao, đồng trục với chùm tia Laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí
này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.

Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo
một quỹ đạo vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di
chuyển chùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hay chuyển động cơ khí
theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC, máy được thiết kế cả hai loại chuyển
động này. Khi đó, chùm tia Laser này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiết
gia công được di chuyển theo phương còn lại để tạo ra hình dạng vết cắt.
2.1.2.3 Ứng dụng của máy laser
Máy gia công laser được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí, đặc biệt là
lĩnh vực cơ khí chính xác, những chi tiết gia công đòi hỏi phải có độ chính xác
cao như các chốt pin,…Ngoài ra, máy gia công còn được ứng dụng nhiều trong
lỉnh vực hội họa như khắc tranh nghệ thuật, cắt chi tiết trang trí trong gia đình…
2.1.3 Hệ thống vỏ máy

8


Vỏ máy là nền tảng của một máy trung tâm, nó cần nặng hơn, chắc chắn
hơn và tốt hơn. Giá của nó có thể cao hơn, nhưng sự chịu lực và độ bền sẽ
làm giảm rung động. Quá trình rung động sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác gia


Hình 3.4 Mô hình hóa hệ thống điều khiển
Bộ xử lý trung tâm:
Là một thiết bị có khả năng nhận và lập trình xử lý được các tín hiệu vào theo
yêu cầu đầu vào của hệ thống này, đồng thời xuất được các tín hiệu theo yêu cầu.
Với đề tài này, nhóm sử dụng một vi điều khiển: AT128, với các tính năng phù

10


hợp như: số đầu vào, ra lớn, khả năng làm việc ổn định, bộ nhớ chương trình đủ
lớn để lập trình.
2.1.5 Hệ thống chuyển động X – Y
- Hệ thống chuyển động X-Y là một cơ cấu của máy CNC laser thiết kế. Chức
năng của nó là để chuyền chuyển động theo hai trục x và y cho ống laser chuyển
động tương đối so với bàn máy để tạo ra biên dạng cắt mong muốn.

Hình 3.4 Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia công laser khí CO2
Trong đó:
1.
2.
3.
4.
5.
6.

Ống laser CO2
Tấm đỡ ống laser
Thanh trượt
Động cơ bước

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác. Tia từ laser
thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao). Độ chuẩn trực tuyệt đối là
không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ. Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ
hơn so với các nguồn sáng. Laser được dùng trong gia công như khoan (Khoan
đập, khoan cắt), khắc laser được dùng rất phổ biến chiếm 20% thị phần ứng dụng
của tất cả các ứng dụng laser, sửa đá mài bằng laser,… Công nghệ hàn laser đã
được sử dụng phổ biến trong mọi ngành công nghiệp xuất phát từ yêu cầu hàn
những vết hoặc điểm rất nhỏ trên linh kiện điện tử, nữ trang, khuôn mẫu… đến
việc tự động hóa hàn khung vỏ ô tô. Máy cắt laser được tạo thành từ hai phần
chính: nguồn laser và chuyển động. Tùy theo ứng dụng mà sử dụng các nguồn
laser khí hoặc tinh thể. Hiện nay 2 loại laser chủ yếu sử dụng là laser CO2 và
laser sợi (YAG, Fiber …). Laser CO2 có công suất từ vài watt đến hàng nghìn
watt. Công suất thấp được dùng để cắt các vật liệu phi kim trong khi các hệ công
suất lớn thường dùng để cắt kim loại. Đa số trang bị kiểu chạy bàn trong khi các
robot chủ yếu được dùng tự động trong công nghiệp ô tô.

13


2.4 Công nghệ cắt gọt bằng tia laser
Sơ đồ nguyên lý đầu phát chùm tia laser

14


1. Môi trường hoạt tính:
Là môi trường chứa các hợp chất giúp biến đổi mức năng lượng nguồn sáng kích
thích (có mức năng lượng thấp) thành nhưng tia sáng có năng lượng cao laze: có
nhiều môi trường kể trên như CO2, Nd-YAG, thanh hồng ngọc…
2. Nguồn sáng kích thích:

laser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại
điểm đó tăng cao cục bộ. Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ.

16


Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiều
bước sóng khác nhau. Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất
để có cộng hưởng cao. Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ
ánh sáng.
Gương phản xạ tia laser, có tác dụng phản xạ các chùm tia laser chiếu đến, làm
cho tia laser được sáng được phản xạ tới các gương khác và tới thấu kính hội tụ
tia laser.
Gương kim loại: Đường kính (20mm, 25mm, 30mm...), hệ số phản xạ: 95%.
Gương Silic: Đường kính (20mm, 25mm, 30mm....), hệ số phản xạ: 99%
Thấu kính hội tụ laser, có tác dụng hội tụ các chùm tia laser, làm cho công suất
của tia tập trung hơn và do đó công suất cắt, khắc của máy cũng tăng lên, đạt độ
chĩnh xác cao hơn.
Thấu kính hội tụ (được làm bằng thủy tinh hoặc chất liệu plastic trong suốt):
Dùng thấu kính hội tụ. Khi dùng thấu kính cầu (hình 3.13a) thì tia laser tập trung
trên bề mặt gia công là hình tròn nên có thể dùng để gia công lỗ, hàn điểm. Nếu
cung cấp cho chi tiết gia công một chuyển động tương đối phù hợp với hình dạng
yêu cầu thì có thể gia công được các lỗ, rãnh hoặc hàn những mối hàn có hình
dáng phức tạp. Khi dùng thấu kính hình trụ (hình 3.13b) vết tập trung sẽ có dạng
dài, hẹp để gia công các rãnh hẹp, … Phương pháp này có ưu điểm là tập trung
tồn bộ năng lượng chùm tia vào vị trí gia công, nhưng mật độ năng lượng phân
bố không đều, càng xa tâm trục quang mật độ càng thấp dẫn đến lỗ, rãnh sẽ bó
côn hoặc hẹp dần theo chiều sâu.

17

-

Cắt bằng laser cho chất lượng cắt gọt cao và thời gian cắt được rút ngắn so
với cắt bằng các phương pháp khác: dập, cắt plasma, cắt bằng tia nước,
cưa, phay, cắt bằng tia lửa điện.

-

Có thể tự động.

-

80% công nghệ cắt gọt bằng laser được Nhật Bản dùng để cắt kim loại.

-

Dụng cụ không tiếp xúc với chi tiết, không bị mòn dụng cụ cắt gọt.

19


Bảng 2.1 So sánh các chế độ cắt gọt khác nhau.
Chất lượng

Bước tiến.
Chất lượng lưỡi cắt.
Độ rộng vết cắt.
Phần vụn và phoi.
Biến dạng.
Tạp chất


Plasma Kìm








×

×
×

×
×
×
×
×
×

Tia
Cắt Phay Cưa Sóng Tia
nước có dây NC
siêu lửa
hạt mài
âm điện
×
×
















×
×

× 
× 
 

×
× 
 

×
× 

×



× 
×
×
× 

×

2.4.3 Đặc điểm của quá trình cắt gọt bằng chùm tia laser
a. Ưu điểm:
• Nó cho phép cắt gọt nhanh hơn.
• Phôi không nhất thiết phải kẹp chặt, nhưng dụng cụ kẹp chặt không
được xê dịch với bàn gá chính xác và với vị trí khi sử dụng chương
chình CNC.

20


• Không sảy ra mòn dụng cụ trong quá trình cắt gọt.
• Cắt có thể tạo ra trong quá trình phân cực trực tiếp có tác động hiệu
quả khi cắt gọt.
• Độ nhẵn thấp.
• Gia công tự động hóa dễ dàng mang lại triển vọng tốt cho hệ thống
điều khiển thích nghi trong tương lai.
• Một vài vật liệu có thể được chồng lên nhau khi cắt, tuy nhiên nó có
thể sảy ra vấn đề giữa các lớp cắt gọt.
• Gần như toàn bộ các vật liệu cơ khí có thể cắt gọt được. Như các vật
liệu giòn, dễ vỡ, dẫn nhiệt hoặc không dẫn nhiệt, vật liệu cứng và
mềm.

đập vào vật liệu gia công. Quá trình này có thể chia làm các giai đoạn dưới đây:
-

Giai đoạn 1: Vật liệu gia công hấp thụ năng lượng của tia laser và năng
lượng này chuyển thành nhiệt năng làm nóng vật liệu.

-

Giai đoạn 2: Vật liệu gia công bị chảy ra khi nó bị nung nóng đến nhiệt độ
chảy.

-

Giai đoạn 3: Giai đoạn bay hơi – vật liệu gia công bị bay hơi và bị lấy đi
nhờ khí thổi vào vùng gia công.

• Chùm tia sẽ đưa ngang qua theo một chương trình 2D tới vật liệu giúp cắt
bỏ vật liệu qua tác dụng đa cơ học.
• Nóng chảy:

22


-

Vật liệu sẽ nóng chảy bởi độ dai dòng vật liệu giảm, như thép và
hợp kim, nhựa chịu nhiệt sẽ bị cắt bởi hoạt động của chùm tia laser
với mật độ năng lượng là 104Wmm-2.

-

Miêu tả

Mức năng lượng

1.Bay hơi

40

2.Nóng chảy và

20

thổi

3.Nóng chảy, đốt

10

và thổi
4.Áp

lực

nhiệt

1

gây nứt

5.Vạch dấu


hóa học.

bằng khí ứng của khí.
hoạt tính
chậm.




-

-

-

Phi kim



 Ti

-

-

-

Polyme


Gốm



-

-

-

Thủy tinh



-

-

-

-

-



-

-