Cấu tạo máy CNC mini và máy khắc laser: khung, ray trượt, truyền động, đầu công cụ, bộ điều khiển

Cấu tạo máy CNC kiểu cổng và máy khắc laser khung hở: khung nhôm định hình, ray dẫn hướng, vít me và dây đai, động cơ bước, spindle, module laser, phần điện và ba kiểu kết cấu.

Máy CNC mini và máy khắc laser mini trông khác nhau nhưng có chung một bộ khung xương: khung máy, dẫn hướng cho từng trục, cơ cấu truyền động, động cơ bước, đầu công cụ và phần điện điều khiển. Hiểu từng bộ phận làm nhiệm vụ gì giúp đọc đúng thông số khi mua kit, chọn đúng linh kiện khi tự lắp và biết chỗ cần nâng cấp khi máy chạy chưa chuẩn.

Bài này đi lần lượt qua từng bộ phận của máy CNC kiểu cổng và máy khắc laser khung hở, rồi so sánh các kiểu kết cấu thường gặp. Các bài sau trong loạt sẽ đi sâu vào từng phần.

1. Các bộ phận của máy CNC kiểu cổng

• Khung đế và cột cổng: giữ mọi thứ cố định với nhau. Khung càng cứng, dao càng ít rung, đường cắt càng đúng kích thước.
• Bàn máy: mặt phẳng đặt phôi, thường bằng nhôm có rãnh chữ T hoặc tấm MDF thay được, có chỗ bắt kẹp.
• Dầm X và ray dẫn hướng: xe trượt X chạy dọc dầm trên ray, mang theo trục Z.
• Trục Z: bàn trượt nâng hạ đầu phay, có vít me riêng và động cơ đặt trên đỉnh.
• Spindle và mũi phay: động cơ quay nhanh có đầu kẹp mũi phay (collet).
• Ba động cơ bước: mỗi trục một động cơ (có máy dùng hai động cơ cho trục Y).

2. Các bộ phận của máy khắc laser khung hở

Máy laser không có lực cắt: tia laser không đẩy vào vật liệu như mũi phay. Vì vậy khung có thể nhẹ, dùng dây đai thay vì vít me và chạy rất nhanh. Dầm X chạy tới lui trên hai ray Y ở hai bên khung; module laser chạy dọc dầm X. Kiểu khung hở đặt thẳng được lên tấm vật liệu lớn hơn máy, nhưng tia laser cũng không có gì che chắn: bắt buộc dùng tấm chắn hoặc kính bảo hộ đúng bước sóng.

3. Khung máy

• Nhôm định hình: thanh nhôm có rãnh chữ T hoặc chữ V, cỡ 2020 (20 × 20 mm), 2040, 4040. Dễ cắt, dễ bắt vít, dùng cho hầu hết máy mini.
• Tấm nhôm, tấm thép: cứng hơn, dùng cho máy phay cần ăn nhôm.
• Gỗ, MDF: rẻ, dễ làm, hợp máy vẽ, máy laser; dễ cong vênh theo độ ẩm.

Với máy phay, chỗ yếu nhất thường là cột cổng và dầm X. Dầm dài, mỏng sẽ võng và rung khi dao ăn vào vật liệu. Máy laser và máy vẽ thì yêu cầu chính là khung vuông góc và không bị xoắn.

4. Dẫn hướng cho các trục

Dẫn hướng giữ cho trục chỉ chạy theo một phương và không lắc sang bên. Thanh tròn có bạc trượt bi rẻ và dễ lắp nhưng dễ võng khi dài; ray vuông con trượt bi cứng và chính xác hơn; bánh xe V chạy trên nhôm V-slot nhẹ, hợp máy laser và máy vẽ.

5. Truyền động: biến vòng quay thành chuyển động thẳng

• Vít me (ren thang T8, vít me bi): mỗi vòng quay đẩy đai ốc đi một đoạn cố định. Lực đẩy lớn, chính xác, dùng cho máy phay và trục Z.
• Dây đai răng GT2 và puly: nhẹ, nhanh, rẻ, dùng cho máy laser, máy vẽ, máy in 3D.
• Thanh răng, bánh răng: dùng cho máy lớn, trục dài.

Cách tính số bước động cơ cho mỗi milimét (steps/mm) và khe hở của từng loại nằm ở bài 8 của loạt.

6. Động cơ và driver

Máy mini dùng động cơ bước cỡ NEMA 17 (mặt 42 × 42 mm) hoặc NEMA 23 (57 × 57 mm). Mỗi động cơ cần một driver (A4988, DRV8825, TMC2209…) để biến xung STEP, DIR từ bo điều khiển thành dòng điện cho hai cuộn dây. Bài 6 và bài 7 nói kỹ cách chọn và chỉnh dòng.

7. Đầu công cụ

• Máy phay: động cơ DC loại 775 (máy rất nhỏ), spindle DC 300–500 W có đầu kẹp ER11, máy phay cầm tay (trimmer) gắn lên đế, hoặc spindle làm mát bằng nước có biến tần cho máy lớn.
• Máy laser: module laser diode có tản nhiệt, quạt, thấu kính và mạch driver nhận tín hiệu PWM.
• Máy vẽ: bút gắn trên một servo nhỏ để nhấc lên, hạ xuống.

8. Phần điện và bộ điều khiển

• Nguồn: thường là nguồn tổ ong 12 V hoặc 24 V, công suất đủ cho các động cơ và spindle (bài 10).
• Bo điều khiển: Arduino Uno hoặc Nano chạy GRBL kèm bo mở rộng CNC shield, bo điều khiển tích hợp sẵn driver, hoặc ESP32 chạy FluidNC có Wi-Fi (bài 11–13).
• Công tắc hành trình: báo cho bo biết trục đã tới đầu hành trình, dùng để về gốc máy (homing) và chặn trục chạy quá giới hạn.
• Nút dừng khẩn: cắt nguồn động lực khi có sự cố.

9. Ba kiểu kết cấu thường gặp

Kiểu bàn di chuyển cần khoảng trống gấp đôi chiều Y để bàn chạy tới lui, nhưng phần cổng đứng yên nên cứng. Kiểu cổng di chuyển tiết kiệm diện tích hơn với cùng vùng làm việc, đổi lại hai bên cổng phải chạy đồng đều (dùng hai động cơ nối song song hoặc một động cơ với trục nối).

10. Khi xem thông số một máy mini, để ý gì

1. Vùng làm việc thật (X × Y × Z), không phải kích thước bao ngoài.
2. Kiểu dẫn hướng và truyền động của từng trục.
3. Đầu công cụ: công suất spindle và cỡ collet, hoặc công suất quang của laser.
4. Bo điều khiển chạy firmware gì (GRBL, FluidNC, firmware riêng của hãng) và phần mềm nào dùng được.
5. Có sẵn công tắc hành trình, nút dừng khẩn, vỏ che không.

11. Xem thêm

• Bài trước trong loạt: An toàn với máy khắc laser và máy CNC. Bài sau: G-code cơ bản.
• ESP32 điều khiển động cơ bước NEMA 17 với A4988.
• Mạch hạ áp LM2596 và MP1584: lấy 5 V, 12 V từ nguồn 24 V của máy.
• Mạch giảm áp LM2596 và Arduino Nano tại PYWORLD.