Nghiên cứu, chế tạo máy khắc laser

Phần chính của luận văn trình bày và phân tích các cụmchức năng của một máy khắc laser trên cơ sở các phương án sẵn có trên thị trườngcũng như các phương án mới, từ đó làm cơ sở lựa chọn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS PHẠM HOÀNG VƯƠNG

SINH VIÊN THỰC HIỆN : PHAN CHUNG HIẾU – MSV: 160301383 : ĐÀO XUÂN VINH – MSV: 160301421 LỚP : CƠ ĐIỆN TỬ

KHÓA : 57

HÀ NỘI-2020

Bộ giáo dục và đào tạo Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam

Trường Đại học Giao thông Vận tải Độc lập- Tự do- Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN: KỸ THUẬT MÁY

KHOA: CƠ KHÍ

Sinh viên: Phan Chung Hiếu – MSV: 160301383 Lớp: Cơ điện tử -Khóa:57

Đào Xuân Vinh – MSV : 160301421

Tên và tóm tắt yêu cần, nội dung đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo máy khắc laser “

Số liệu cần thiết để thiết kế:

 Tham khảo thông số cần thiết của động cơ để tính toán được tra trong datasheetcủa động cơ

 Tính toán thiết kế bộ truyền ( tra trong giáo trình thiết kế hệ dẫn động cơ khí )

 Các thông số khác được tra trong sách tham khảo chi tiết máy

Nội dung của bản thuyết minh:

1 Tìm hiểu tình hình nghiên cứu máy khắc laser trong nước và thế giới

2 Tổng quan CNC và Tổng quan Laser

3 Hình thành phương án thiết kế tối ưu và cơ sở lý thuyết

4 Thiết kế máy khắc laser: Tính toán động cơ, bộ truyền động và thiết kế cơ khí

5 Chế tạo máy hoàn chỉnh, lập trình vận hành máy, kiểm tra và thử nghiệm sản phẩm

6 Kết luận và hướng phát triển

Các bản vẽ chính:

Các bản vẽ sơ đồ minh họa

Những yêu cầu bổ sung thêm trong nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp hoặc

………

………

………

………

………

………

Cán bộ hướng dẫn: a Giáo viên: TS Phạm Hoàng Vương b Cán bộ ngoài sản xuất: ………

Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp: 17/12/2020……….………

Ngày bắt đầu thiết kế tốt nghiệp: 30/03/2020………

TL\HIỆU TRƯỞNG Ngày… Tháng… Năm 2020 Đã giao nhiệm vụ TKTN

Trưởng Khoa Trưởng Bộ môn Giáo viên hướng dẫn

Đã nhận nhiệm vụ TKTN

Sinh viên: Phan Chung Hiếu

ii

Đào Xuân Vinh

Lớp Cơ Điện Tử - Khóa: 57

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô trong khoa Cơ Khí Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Các thầy cô đã luôn nhiệt tình dạy dỗ và tạođiều kiện cho chúng em học tập và nghiên cứu trong suốt những năm học đại học

Em cũng xin cảm ơn tới thầy giáo TS Phạm Hoàng Vương đã tận tình giúp đỡ vàchỉ bảo em trong suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua Em luôn tin rằng tri thức

và kinh nghiệm mà các thầy truyền đạt cho em là hành trang quý giá nhất với em trênbước đường tương lai

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, người thân trong gia đình và các bạnsinh viên trong tập thể lớp Cơ Điện Tử Khóa 57 đã ở bên ủng hộ và cho chúng tôinhững ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện đề tài này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 27 tháng 6 năm 2020

Sinh viên

Phan Chung Hiếu Đào Xuân Vinh

TÓM TẮT

iv

Thiết kế máy khắc laser là hướng nghiên cứu đang nhận được nhiều sự quan tâmgần đây vì nhiều ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực, ngành nghề: ngành may mặc, cơkhí, kim hoàn, khuôn mẫu, in ấn, dược phẩm… và cần thiết về mọi mặt trong đời sống.Nhờ vào việc đa ứng dụng cũng như độ chính xác cao, đơn giản, thực hiện nhanhchóng, máy khắc laser ngày càng trở lên phổ biến

Bài luận án này trình bày quá trình thiết kế phần cứng và phần mềm một hệ thốnghoàn thiện máy khắc laser Phần chính của luận văn trình bày và phân tích các cụmchức năng của một máy khắc laser trên cơ sở các phương án sẵn có trên thị trườngcũng như các phương án mới, từ đó làm cơ sở lựa chọn phương án thiết kế tốt nhất phùhợp nhất với các yêu cầu được đưa ra:

Không gian in : 220x220 mm

Các kết quả đạt được cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định, có thể đưa vào ứngdụng thực tế

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

MỤC LỤC v

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 1

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 2

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 2

1.5 Phương án nghiên cứu 2

1.5.1 Cách thức nghiên cứu 2

1.5.2 Phương tiện nghiên cứu 2

1.6 Tình hình nghiên cứu 3

1.6.1 Trên thế giới 3

1.6.2 Trong nước 5

1.6.3 Hướng nghiên cứu 6

1.7 Sơ lược về máy khắc laser 6

1.7.1 Giới thiệu về máy khắc Laser 6

1.7.2 Cấu tạo về máy khắc Laser diode 6

1.7.3 Nguyên lý hoạt động 7

1.7.4 Các loại máy khắc laser 7

1.8 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp 8

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LASER 9

2.1 Tổng quan máy CNC 9

2.1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC 9

2.1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển 9

2.1.1.2 Cơ sở của máy CNC 10

vi

2.1.1.3 Đặc điểm và phân loại 11

2.1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số 12

2.1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết 12

2.1.2.2 Khối điều khiển 12

2.1.2.3 Điều khiển Logic 12

2.1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ thống CNC 13

2.1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển 14

2.1.3.1 Khái niệm và phân loại 14

2.1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC từ máy vi tính 15

2.1.3.3 Một số mã lệnh cơ bản 17

2.1.4 Lợi ích của máy công cụ CNC 19

2.1.4.1 Tự động hóa sản xuất 19

2.1.4.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm 19

2.1.4.3 Tính linh hoạt của máy công cụ CNC 19

2.1.4.4 Phạm vi sử dụng máy CNC 19

2.2 TỔNG QUAN VỀ LASER 20

2.2.1 NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN 20

2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA LASER 21

2.2.2.1 Cấu tạo laser 21

2.2.2.2 Nguyên lí hoạt động 23

2.2.2.3 Phân loại 23

2.2.2.4 Tính chất của tia laser 24

2.2.2.5 An toàn trong sử dụng tia laser 25

2.2.2.6 Ứng dụng tia laser 25

2.2.2.7 Đi-ôt laser 27

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 30

3.1 Cơ sở chọn phương án thiết kế 30

3.1.1 Phần cơ khí 30

3.1.2 Phần điện 33

3.1.3 Lựa chọn giải pháp 34

3.2 Cơ sở lý thuyết 36

3.2.1 Động cơ bước 36

3.2.2 Bộ truyền đai 39

3.2.3 Mạch điều khiển 42

3.2.4 Mạch điều khiển động cơ A4988 43

3.2.5 Mạch driver laser 44

3.2.6 Vi điều khiển Arduino Uno R3 45

3.2.7 ADAPTER 47

3.2.8 Đầu Laser 2W 47

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER 50

4.1 Tính toán tốc độ quay của động cơ 50

4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng 52

4.2.1 Cấu tạo và các thông số hình học của bộ truyền đai 54

4.2.2 Các thông số của bộ truyền đai 54

4.2.3 Ứng suất trong đai 56

4.3 Thiết kế cơ khí 57

CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 62

5.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 62

5.2 Các bộ phận và cấu trúc cơ khí 62

5.3 Các bộ phận và cấu trúc mạch điện 63

5.4 Lập trình điều khiển 63

5.4.1 Cài đặt firmware cho máy khắc laser ( GRBL 1.1 ) 64

5.4.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy khắc laser 66

5.4.3 Phần mềm điều khiển máy khắc laser 69

5.5 Quá trình thực nghiệm 70

5.6 Sản phẩm thực tế 71

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75

6.1 Kết luận 75

6.2 Phần làm được 75

6.3 Phần chưa làm được 76

6.4 Hướng phát triển 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Mã lệnh CNC theo thứ tự Alpha 17

Bảng 2.2: Mã lệnh G cơ bản 18

Bảng 2.3: Mã lệnh M cơ bản 18

Bảng 3.1: Ưu điểm và nhược điểm của các loại động cơ 30

Bảng 3.2: Ưu điểm và nhược điểm của các bộ truyền 31

Bảng 3.3: Ưu điểm và nhược điểm của các loại vật liệu 32

Bảng 3.4: Ưu điểm và nhược điểm của các cơ cấu di chuyển 33

Bảng 3.5: Ưu điểm và nhược điểm của PIC,ARM,ARDUINO 33

Bảng 3.6: Một vài thông số của Arduino 45

Bảng 4.1: Thông số động cơ bước Step size 42 (NEMA17HS3401S) 50

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Máy khắc laser công nghiệp 4

Hình 1.2: Máy khắc laser mini 5

Hình 1.3: Các máy laser sản xuất trong nước 5

Hình 2.1: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM 10

Hình 2.2: Cơ sở của các máy CNC 10

Hình 2.3: Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề Các 11

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC 13

Hình 2.5: Lưu đồ điều khiển hệ CNC 14

Hình 2.6: Lưu đồ lập trình bằng máy 15

Hình 2.7: Các loại tia laser 21

Hình 2.8: Cấu tạo tia laser 22

Hình 2.9: Kính chống bức xạ tia Laser 25

Hình 2.10: Ứng dụng laser trong cơ khí 26

Hình 2.11: Ứng dụng laser trong y học 27

Hình 2.12: Ứng dụng laser trong giải trí 27

Hình 2.13: Đi-ôt laser red 28

Hình 2.14 : Các loại đi-ôt laser (635nm, 660nm, 520nm, 532nm, 405nm, 445nm) 29

Hình 3.1: Động cơ bước trong thực tế 36

Hình 3.2: Động cơ biến từ trở 37

Hình 3.3: Động cơ đơn cực 37

Hình 3.4: Động cơ hai cực 37

Hình 3.5: Động cơ nhiều pha 38

Hình 3.6: Các bộ phận cấu thành nên động cơ bước 38

Hình 3.7: Mối quan hệ F1, F2, , f 40

Hình 3.8: Mạch điều khiển CNC shield V3 42

Hình 3.9: Driver A4988 43

Hình 3.10: Các chế độ vi bước 44

Hình 3.11: Driver laser 44

Hình 3.12: Vi điều khiển Arduino Uno R3 45

Hình 3.13: ADAPTER 47

Hình 3.14: Đầu khắc laser 47

x

Hình 3.15: Diode Laser 48

Hình 3.16: Aixiz 48

Hình 3.17: Tản nhiệt nhôm và quạt tản nhiệt 49

Hình 4.1 : Đai GT2 và Puly GT2 53

Hình 4.2: Kích thước puly 20 răng – trục 5mm 53

Hình 4.3: Cấu tạo bộ truyền đai 54

Hình 4.4: Lực tác dụng lên trục 56

Hình 4.5: Kích thước nhôm định hình 57

Hình 4.6: Bulong, đai ốc T, đai ốc M8 58

Hình 4.7: Chân đế in 3D 58

Hình 4.8: Mô hình máy khắc laser 59

Hình 4.9: Cơ cấu trục x, trục y và hướng chuyển động tịnh tiến các trục 59

Hình 4.10: Gá laser 60

Hình 4.11: Gá động cơ trục X 61

Hình 4.12: Gá động cơ 2 trục Y 61

Hình 5.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển máy khắc laser 62

Hình 5.2: Lưu đồ điều khiển hệ thống 64

Hình 5.3: Giao diện phần mềm xuất mã G-code (Inkscape) 66

Hình 5.4: Cài đặt vị trí, kích thước gia công và gốc tọa độ 67

Hình 5.5: Phác họa hình ảnh 68

Hình 5.6: Xuất ra mã Gcode ( Raster 2 Laser) 69

Hình 5.7: Giao diện phần mềm điều khiển máy khắc laser (GRBL Controller) 70

Hình 5.8: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 1 71

Hình 5.9: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 2 72

Hình 5.10: Hình ảnh máy khắc laser thực tế 3 72

Hình 5.11: Hình khắc laser đơn giản 73

Hình 5.12: Hình khắc laser chân dung 74

Hình 6.1: Máy khắc laser nhiều đầu khắc 77

Hình 6.2: Máy khắc laser điều khiển bằng smartphone 77

Hình 6.3: Máy khắc laser cầm tay 78

Hình 6.4: Máy khắc laser nhiều trục 78

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làmnóng chảy và bốc hơi vật liệu Bằng các công nghệ khác nhau có thể gia công đượcnhững chi tiết dạng 2D, 3D Tia laser được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực như

y tế, xây dựng, điện – điện tử và đặc biệt là trong cơ khí Công nghệ laser đang ngàycàng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành côngnghiệp hỗ trợ Trên thế giới, phương pháp gia công bằng tia laser đã phát triển và hìnhthành rất nhiều các công nghệ gia công khác nhau ứng dụng trong nhiểu lĩnh vực TạiViệt Nam, các thiết bị laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm vàphần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại Các máy CNC chophép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụtruyền 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 chocông 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 lưuniệm, tranh ảnh để bàn một cách tự động nên nhóm đã thực hiện đề tài này

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Về mặt khoa học, máy cắt khắc laser đã giải quyết được vấn đề vẽ tranh, cắt cácbiên dạng phức tạp trên các vật liệu khác nhau, có kích cỡ bất kỳ

Máy cắt khắc laser cần thiết cho nhu cầu cắt khắc các loại, việc đáp ứng nhanh,chính xác thực hiện trong thời gian ngắn

1.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Đề tài nghiên cứu: ‟Thiết kế và chế tạo máy cắt khắc laser” được thực hiện theocác mục tiêu sau:

- Thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy, theo cơ cấu 2 trục

- Xây dựng chương trình điều khiển máy cắt khắc theo bản vẽ thiết kế

xii

- Máy có thể thao tác trên nhiều vật liệu khác nhau như: mica, gỗ, vải,…

1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các cơ cấu liên quan đến máy cắt khắc laser

- Các loại máy cắt khắc laser đã có trên thị trường

- Cách thức hoạt động của máy

- Điều khiển động cơ bước

- Giao tiếp và điều khiển bằng máy tính

- Nội suy đường thẳng, đường cong theo 2 trục

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu của đề tài khoảng năm tháng ( Tháng 1 – 6/2020 )

- Nghiên cứu tìm hiểu các máy móc ở xưởng của nhà trường có liên quan đến đề tài

- Sách chuyên ngành trong thư viện trường

- Các trang tài liệu về một số máy móc thiết bị của công ty có liên quan

- Nghiên cứu trên các lĩnh vực các máy tự động phục vụ trong nhà trường, trongphòng thí nghiệm

1.5 Phương án nghiên cứu

1.5.1 Cách thức nghiên cứu

- Khảo sát thực tế, thông qua việc tham quan một số cơ sở cắt khắc laser.

- Tìm hiểu một số đề tài nghiên cứu khoa học, có liên quan đến đề tài của nhóm.

- Tham khảo các tài liệu trên các trang web và một số sách liên quan.

1.5.2 Phương tiện nghiên cứu

- Sử dụng phần mềm NX thiết kế cơ khí cho đề tài.

- Dùng phần mềm tự thiết kế bởi người dùng để lập trình cho mạch điều khiển chính.

- Dùng driver A4988 để điều khiển động cơ bước.

- Sử dụng mạch driver laser để điều khiển laser

1.6 Tình hình nghiên cứu

Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering là nơi đầu tiênsản xuất máy cắt khắc laser và được sử dụng để khoét các lỗ trên viên kim cương.Năm 1967, người Anh đi đầu trong việc cắt kim loại bằng tia laser với oxy là khí hỗtrợ Năm 1970, công nghệ này đã được đưa vào sản xuất để cắt titan dùng trong cácứng dụng hàng không vũ trụ Đồng thời tia laser CO2 được sử dụng để cắt phi kim nhưvải, da, gỗ…bởi vào thời điểm đó, laser CO2 là không đủ mạnh mẽ để làm nóng chảykim loại.

Theo số liệu thống kê báo cáo thường niên năm 2000 của Tạp chí Laser công nghệgiải pháp – một tạp chí có thẩm quyền trong ngành công nghệ laser của Mỹ: Năm

1999, tổng doanh số của hệ thống cắt laser trên toàn thế giới ( chủ yếu là hệ thống cắtLaser CO2 ) là 3325, tổng trị giá 1,174 tỷ USD Và ở Hoa Kỳ, có 2700 trạm xử lýlaser, trong đó 51% tham gia cắt laser

Hiện nay, với sự đột phá về khoa học kỹ thuật các chuyên gia nước ngoài đãnghiên cứu và phát triển thành công máy cắt khắc laser dựa trên sự hoạt động ổn địnhcủa khung máy cnc và đang phát triển theo hướng tự động hóa Máy cắt khắc laser đãcải thiện được những nhược điểm cũ và được ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh trong đờisống cũng như trong nền khoa học kĩ thuật Có rất nhiều hãng laser hàng đầu nhưCoherent (Hoa Kỳ), SPI (Vương Quốc Anh), Epilog (USA), GCC ( Đài Loan)

Vũ Hán Raycus là doanh nghiệp Trung Quốc đầu tiên tham gia vào nghiên cứu,phát triển và sản xuất quy mô nguồn laser sợi quang công suất cao và thiết bị lõi và R

& D laser sợi lớn nhất cũng là công ty sản xuất có ảnh hưởng toàn cầu tại Trung Quốc.Raycus có một nhóm nghiên cứu và phát triển thiết bị và nghiên cứu thiết bị quantrọng hàng đầu quốc tế, nhiều công nghệ được cấp bằng sáng chế hàng đầu thế

xiv

giới Các sợi laser được sản xuất bởi công ty chiếm 30% thị phần trong nước và chúngđược xuất khẩu sang châu Á, châu Âu, Mỹ, Trung Đông và các khu vực khác.

Nguồn Laser fiber Raycus nổi tiếng với sự ổn định và hiệu suất cao, hiệu quả của

nó là tuyệt vời Đặt biệt nhà sản xuất còn cung cấp các phiên bản cao cấp, dòng nàycho ra công suất laser cao hơn công suất lý thuyết và chất lương rất cao để cho ra máykhắc raycus với chất lượng cực cao

IPG là một nguồn laser cao cấp do Đức sản xuất Nó có một danh tiếng tốt choxuất sắc hoạt động ổn định và khả năng khắc tốc độ cao Vì vậy, laser IPG thích hợpcho việc sử dụng lâu dài, phù hợp với tự động hoặc dây chuyền sản xuất bán tự động.Tốc độ khắc cao của IPG cũng giúp nâng cao hiệu quả sản xuất

Hình 1.1: Máy khắc laser công nghiệp

Hình 1.2: Máy khắc laser mini

1.6.2 Trong nước

Hiện tại trong nước ta đã có những công ty tự sản xuất được máy khắc lasrer vàxây dựng thương hiệu trong nước như NAMSON Laser

Hình 1.3: Các máy laser sản xuất trong nước

Những chiếc máy khắc laser tự sản xuất trong nước cũng đã đáp ứng được nhữngyêu cầu sử dụng và đảm bảo chất lượng cao Tuy nhiên do điều kiện chi phí cũng nhưthiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu còn khá cũ kỹ, lạc hậu, độ chính xác chưa cao vàchưa chế tạo được nguồn laser do đó việc chế tạo và thương mại hóa sản phẩm chưahoạt động rộng rãi Một số linh kiện như nguồn laser và đa số máy khắc laser vẫn phảinhập khẩu từ nước ngoài với giá thành và chi phí vận chuyển cao

1.6.3 Hướng nghiên cứu

xvi

Để giải quyết vấn đề cắt khắc các hình dạng phức tạp trên các vật liệu như mica,vải, gỗ,… ngoài ra phải đảm bảo đạt năng suất cũng như độ chính xác cao của sảnphẩm Qua nghiên cứu, nhóm nhận thấy để đáp ứng yêu cầu đáp ứng nhanh, chính xác,

độ cứng vững thì cấu hình tương tự máy CNC 2 trục được đưa ra và chọn lựa Theomột số tài liệu tham khảo và hiểu biết về thực tế, thì nhóm nhận thấy trong các loại cơcấu dạng 2 trục, thì việc sử dụng cơ cấu truyền đai là phổ biến nhất, khả năng tạochuyển động tốt, hạn chế được hư hỏng cơ cấu, khi quá tải hay sai sót, bên cạnh đó chiphí hoàn thành cũng rẻ hơn khá nhiều so với các cơ cấu khác Ngoài ra máy hoạt độngtheo cấu hình 2 trục sử dụng bộ truyền đai có thể dễ dàng chỉnh sửa, thay thế hay lắpráp, đặc biệt giúp cơ cấu máy gọn nhẹ hơn Từ đó, việc di chuyển của máy cũng trởnên linh hoạt hơn

1.7 Sơ lược về máy khắc laser

1.7.1 Giới thiệu về máy khắc Laser

Máy cắt khắc laser dùng nguồn laser công suất cao, qua hệ thống quang học tậptrung chùm tia laser đầu ra để cắt vật liệu Máy khắc laser hoạt động dựa trên quá trìnhđiều khiển tự động của các công cụ gia công bằng máy tính, cắt khắc trên vật liệu (kimloại, nhựa, gỗ, da,…) để biến nó thành sản phẩm có thông số kỹ thuật chính xác

1.7.2 Cấu tạo về máy khắc Laser diode

Cấu tạo máy khắc laser diode gồm 3 bộ phận chính là phần chấp hành, phần điềukhiển, và nguồn laser

Cũng như các loại máy khác, máy khắc laser có phần chấp hành ( hệ thống máychính ) bao gồm: khung máy, băng máy, cơ cấu chuyển động…Chức năng chính của

bộ phận này chính là tạo ra một hệ thống truyền động cơ chính xác Giúp tạo ra đườngnét khắc laser trên gỗ, mica, da…cực chuẩn xác và đẹp mắt

Phần điều khiển bao gồm: mạch điều khiển trung tâm, mạch điều khiển động cơ,mạch điều khiển laser được giao tiếp với nhau để vận hành máy tốt nhất Máy khắclaser là thiết bị thông minh sử dụng điều khiển trực tiếp hoàn toàn trên thiết bị kết nối

đó là máy tính Nó được coi là trái tim của công cụ điều khiển số CNC Phần này sẽ

cần các phền mềm hỗ trợ, tạo ra lệnh khắc, được thực hiện bên trong bộ điều khiển,thông báo động cơ chuyển động đúng số vòng cần thiết kéo theo các chuyển động vàbắt đầu thực hiện quá trình khắc vật liệu.

Nguồn laser hoạt động trên 2 yếu tố là khuyếch đại năng lượng đến ngưỡng cầnthiết và dẫn nguồn laser đến vị trí cần gia công Tùy từng nguồn laser sẽ có cấu tạokhác nhau, tuy nhiên thường sẽ có diode laser, thấu kính aixiz và quạt tản nhiệt

1.7.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý chung của mọi máy khắc laser là cho nguồn điện đi qua nguồn laserkích thích các phân tử chứa trong hoạt chất của laser, từ đó bức xạ tạo ra nguồn laser.Chùm tia laser được sinh ra sẽ đi qua đầu in, hướng của chùm tia này được điều chỉnh

và hộ tụ tại một điểm qua thấu kính rồi chiếu trực tiếp lên bề mặt sản phẩm để tạo rabản in

1.7.4 Các loại máy khắc laser

Hiện tại, trên thế giới có nhiều thương hiệu cung cấp các máy khắc Laser sử dụngtrong sản xuất công nghiệp như: Laser CO2, Laser Fiber, Laser UV, Laser DIY… Mỗi loại máy khắc Laser trên được ra đời từ các loại hoạt chất phát xạ đặc trưngnhư khí CO2, Nd: YVO4 (Vanadat), Ytterbium (Yb)

Với mỗi loại nêu trên, sẽ có cấu tạo và nguyên lý khác nhau Tuy nhiên, chúng vẫnhoạt động theo nguyên lý chung đã trình bày ở phía trên

xviii

1.8 Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Đồ án gồm 6 chương với các nội dung sau:

- Chương 1: Giới thiệu

Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiêncứu của đề tài, tình hình trong nước và ngoài nước, hướng nghiên cứu…

- Chương 2: Tổng quan CNC và Tổng quan Laser

Trình bày tổng quan, sơ lược về CNC và Laser

- Chương 3: Phương án và Cơ sở lý thuyết

Trình bày ưu nhược điểm các chi tiết, từ đó chọn ra phương án tối ưu nhất, cơ sở lýthuyết của các chi tiết đó

- Chương 4: Tính toán thiết kế máy khắc laser

Tính toán thông số của máy như : thông số động cơ, thông số bộ truyền đai răng,thiết kế phần cứng

- Chương 5: Chế tạo và thử nghiệm

Chế tạo, lắp ráp thành máy hoàn chỉnh, vận hành kiểm tra, thử nghiệm sản phẩm

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Trình bày các kết quả đã đạt và chưa đạt được, đề nghị và đưa ra hướng phát triểncho đề tài

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LASER

2.1 Tổng quan máy CNC

2.1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC

2.1.1.1 Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển

Điều khiển số ( Numerical Control ) ra đời với mục đích điều khiển các quá trìnhcông nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tựđộng điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, rô-bốt, băng tải vậnchuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm ) trên cơ sởcác dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thậpphân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết

bị hay hệ thống

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng không vũtrụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên lửa, xe tăng là caonhất Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển không ngừngcùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ 4 bit, 8 bit cho đến nay đã đạt đến 32bit cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xửlý

Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đếntrình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing ) với việc trang bị thêm các rôbốt cấp phôi liệu vàvận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà khohiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể Hình 2.1 mô

tả tổ hợp CIM

xx

Hình 2.1: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM

2.1.1.2 Cơ sở của máy CNC

Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ các bànmáy và của dụng cụ cắt Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra tínhiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác định vị trí chính xác củabàn máy trong hệ trục tọa độ được biểu diễn bởi hình 2.2

Hình 2.2: Cơ sở của các máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên máy CNCphải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay phải Trong đó có

ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động quay theo các trục tươngứng Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6 trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, vàcác trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y, Z Một điểm trong không gian hệ tọa độDescarte được xác định tọa độ qua hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z như hình 2.3.

Hình 2.3: Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề Các

2.1.1.3 Đặc điểm và phân loại

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo các đặc điểmsau:

- Truyền động: Thủy lực, khí nén và điện

- Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo

- Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp

- Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín

- Số trục tọa độ: 3 trục, 4 trục, 5 trục

Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn năng, cóthể được chia thành các nhóm sau:

- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi đang

quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài…

- Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.

- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề

mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên côngbằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp

xxii

- Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài

phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ

- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa…

2.1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số

2.1.2.1 Chương trình gia công một chi tiết

Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và dữ liệu.Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ ( trongbăng từ, đĩa từ hoặc đĩa CD ) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tươngthích

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh máy, các sốliệu về dụng cụ cắt…được nạp vào bằng điều khiển

Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệđiều khiển số của từng trạm gia công

2.1.2.2 Khối điều khiển

Chức năng của khối điều khiển là thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ

sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài Nhận các giá trị vị trí của các trục từ Sensor

đo vị trí Encoder, và tốc độ các trục Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấuchấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phốihợp tạo nên biên dạng và điều khiển tốc độ các trục

2.1.2.3 Điều khiển Logic

Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không cắt) tối

đa, bố trí sắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giớihạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ ( bàn máy, gá lắp, dụng cụ ), lệnh đóngngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnhthay dụng cụ

Đầu ra khối điều khiển Logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như : Van thủy lực,van khí nén, các rơ-le…

2.1.2.4 Cấu trúc các khối chức năng của hệ thống CNC

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC

Chú thích:

- 1: Màn hình

- 2: Bảng điều khiển.

- 3: Mạch ghép nối.

- 4: Tay quay điện tử.

Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làmviệc của toàn hệ thống…

Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệthống…

Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy,

do chi tiết mà phải mở cửa làm việc

Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động (BĐK) liên lạc với CPUthông qua một Bus hệ thống Các khối Flash + Ram để lưu trữ các chương trình điềukhiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus trong của CPU

2.1.3 Hệ thống tính toán và điều khiển

2.1.3.1 Khái niệm và phân loại

Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 2.5 Giai đoạn đầu tiên,những thông tin về kích thước đông nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương trình,sau đó là cộng việc lập trình điều khiển

Hình 2.5: Lưu đồ điều khiển hệ CNC

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo thành tínhiệu điều khiển cho các hệ truyền động điện tự động

Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC và CNC.Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối xử lý sao cho chươngtrình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương thích củamáy Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm vàcuối cùng đến bộ nội suy để tính toán phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ.Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công nghệ như: tốc độcắt, xoay chi tiết, thay dao…

xxvi

2.1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC từ máy vi tính

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết giacông phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo Ngày nay người tathường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính Đặc trưng của lập trình bằngmáy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng Hình 2.6 mô tảcách thức lập trình bằng máy

Hình 2.6: Lưu đồ lập trình bằng máy

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không cần thực hiện cáctính toán bằng tay

- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các sốliệu cho nhiệm vụ gia công

- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởinhững khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trìnhcông tác cần thực hiện

- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệuvào máy tính và hầu như không cần phải tính toán

Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽđảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểmtựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị Tínhtoán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:

- Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả năng

mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơngiản dễ sử dụng

- Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợpvới ngôn ngữ của máy gia công

- Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra

- Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể

xxviii

2.1.3.3 Một số mã lệnh cơ bản

Bảng 2.1: Mã lệnh CNC theo thứ tự Alpha

G Báo hiệu hàm nội suy, thực thi chương trình ( đây là mã lệnh

cơ bản nhất của chương trình gia công

I Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục X

J Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Y

K Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Z

M Nhiều chức năng trong bảng mã lệnh M

P Chỉ số dòng lệnh bắt đầu một khối lệnh gia công

X Xác định vị trí theo phương của trục X

Y Xác định vị trí theo phương của trục Y

Z Xác định vị trí theo phương của trục Z

Mục đích là gửi các tín hiệu, yêu cầu đến hệ thống điều khiển máy công cụ Nó xácđịnh các thông số toán học liên quan đến sự di chuyển các thành phần của máy, điềukhiển sự di chuyển của đầu khắc theo các trục, tốc độ di chuyển của đầu khắc, sự pháttia Laser…

Thông tin dòng lệnh được bắt đầu với một mã lệnh và các số liền sau đó, với mỗithay đổi của các số mới sẽ được truyền vào bộ điều khiển

Những số kết hợp với mã lệnh N thường gia tăng từ 5 đến 10 đơn vị, cho phép ta

có thể chèn thêm các dòng lệnh khác khi cần thiết với các đối số đi kèm mã lệnh N lúcnày nằm trong khoảng giữa hai đối số liên tiếp

Bảng 2.2: Mã lệnh G cơ bản

G00 Chạy dao nhanh ( không ăn dao )

G02 Nội suy đường tròn cùng chiều kim đồng hồ

G03 Nội suy đường tròn ngược chiều kim đồng hồ

Mã lệnh G báo hiệu bắt đầu một hàm chức năng Khi sử dụng mã lệnh này, nó báohiệu sự thay đổi hoạt động Có hai loại mã lệnh G: cho phép (modal) và không chophép (nonmodal)

Mã lệnh G loại cho phép: được lưu trong bộ nhớ chương trình cho đến khi một mãlệnh G khác cùng loại được gọi, mã lệnh sau sẽ hủy bỏ mã lệnh trước trong chươngtrình điều khiển Mã lệnh G loại không cho phép chỉ áp dụng cho dòng lệnh đang xét,nơi nó xuất hiện

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngànhkhác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ

tự động hóa của doanh nghiệp Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC cóthể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực chocông việc khác

2.1.4.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độphức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trìnhgia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạtsản phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuấtcông nghiệp quy mô lớn

2.1.4.3 Tính linh hoạt của máy công cụ CNC

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chươngtrình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trởnên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng

và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng

2.1.4.4 Phạm vi sử dụng máy CNC

Các máy CNC cỡ trung bình, bộ điều khiển theo biên dạng không đắt hơn nhiều sovới máy vạn năng

Công nghệ CAD/CAM cho phép lập trình cho máy CNC trở nên đơn giản

Máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cảtrong gia công thông thường

2.2 TỔNG QUAN VỀ LASER

2.2.1 NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN

Các máy CNC cổ điển như máy CNC khoan, phay, tiện, doa…đã được phát triểnngày càng hoàn thiện và tinh vi Đặc điểm chung của nhóm máy công cụ này là đều sử

dụng cơ cấu dao tác động trực tiếp vào phôi trong quá trình gia công nhằm đánh bayphoi thừa khỏi chi tiết gia công, chúng có những đặc điểm sau:

Ưu điểm:

- Gia công được trên hầu như mọi vật liệu, chỉ cần thay dao thích hợp

- Thỏa mãn được độ phức tạp trong hình khối của hầu hết chi tiết cần gia công Nhược điểm:

- Số trục tối thiểu là 3 trục, càng nhiều trục càng gia công được những chi tiết tinhxảo hơn, điều này dẫn đến giá thành máy thường rất cao

- Đòi hỏi cơ cấu cơ khí phụ trợ phải đáp ứng được các chỉ số vật lý phức tạp

- Quá trình nghiên cứu chế tạo mất nhiều thời gian và chi phí

Nhận thấy những đặc điểm trên của máy công cụ CNC cổ điển là không phù hợpvới đề tài của sinh viên, em đã quyết định dựa trên công nghệ CNC để thiết kế chế tạomáy khắc CNC Laser với những đặc điểm sau

Ưu điểm:

- Chỉ cần 2 trục X Y, dẫn đến đơn giản giản hóa trong thiết kế

- Hệ thống giá đỡ, ray trượt không yêu cầu quá nặng nề tốn kém

- Phần cứng mạch điều khiển đơn giản hơn do ít trục, tận dụng phần cứng nguồn mởgiá thành rẻ

- Phần mềm nguồn mở miễn phí, giảm giá thành nghiên cứu

- Máy sử dụng đi-ốt Laser 2W tiết kiệm năng lượng, giá thành không quá cao

- Tổng chi phí nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm rẻ hơn nhiều so với CNC 3 trục Nhược điểm:

- Chỉ có thể gia công cắt hoặc khắc nhiệt, chỉ phù hợp với một số vật liệu cụ thể

2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA LASER

Laser ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), có nghĩa là

“khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”

xxxii

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mứcnăng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xungquanh hạt nhân Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electronnày cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại.Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết củaAlbert Einstein Bước sóng (do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệchnăng lượng giữa các mức.

Hình 2.7: Các loại tia laser

2.2.2.1 Cấu tạo laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chấtlaser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chấtlaser là bộ phận chủ yếu

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năngkhuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạmvào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng vớiphoton tới Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạtoàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạlại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độphoton lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Tính chất của

laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loạilaser.

Hình 2.8: Cấu tạo tia laser

xxxiv

Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượngthấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon.

Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải cácnguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm cácphoton cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyềnkhuếch đại dòng ánh sáng

Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tănghiệu suất khuếch đại ánh sáng

Một số photon thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tiasáng đi ra chính là tia laser

- Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, cóbước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

- Bán dẫn: loại thông dụng nhất là điốt Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộcphổ hồng ngoại gần

 Laser khí

- He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng

đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW Trong y học được

sử dụng làm Laser nội mạch, kích thích mạch máu

- Argon: hoạt chất là khí Argon, bước sóng 488 và 514,5nm

- CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới

- Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cựcngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tialaser cực lớn trong thời gian cực ngắn

2.2.2.4 Tính chất của tia laser

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó có khả năngchiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán

Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất

Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường cóchiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cựcngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia lasercực lớn trong thời gian cực ngắn

xxxvi

2.2.2.5 An toàn trong sử dụng tia laser

Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt người.Tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồngnhất và sự định hướng cao của laser, một công suất năng lượng lớn có thể tập trungvào một điểm cực nhỏ trên võng mạc Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tếbào mắt vĩnh viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn Độ an toàn của laserđược xếp từ I đến IV Với độ I, tia laser tương đối an toàn Với độ IV, thậm chíchùm tia phân kỳ có thể làm hỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm laser cho đồ dândụng như máy chơi CD và bút laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II,hay III

Để vận hành máy Laser một cách an toàn, người vận hành cần trang bị kính chốngtia bức xạ tiêu chuẩn, hoặc máy khắc Laser phải được che chắn bằng vật liệu chống tiabức xạ chuyên biệt như hình 2.9

Hình 2.9: Kính chống bức xạ tia Laser

2.2.2.6 Ứng dụng tia laser

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếmcác ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong cácứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng

dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân Laserđược cho là một trong những phát minh có ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinhdoanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kìcao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép

nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộngvài nanômét đối với laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữvài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laservới công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thểlàm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser hay dao laser

- Trong công nghiệp, laser được sử dụng vào việc hàn, khoan, cắt… các vật liệu có

độ nóng chảy cao

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm đúc, độ tinh khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản

phẩm điện tử

- Trong y khoa, laser được ứng dụng trong việc giải phẫu, điều trị bong võng mạc

mắt, khoan răng, châm cứu…

- Những ứng dụng khác: máy in laser, máy photo laser,…

Hình 2.10: Ứng dụng laser trong cơ khí

xxxviii