Đầu công cụ của máy CNC và máy laser: spindle, trimmer, mũi phay, module laser diode, thấu kính

Các loại spindle cho máy CNC mini, kiểu mũi phay xoắn lên, xoắn xuống, mũi V, đầu cầu và cách chọn, collet ER11, cấu tạo module laser diode, tín hiệu PWM và chọn công suất laser.

Phần trực tiếp tác động lên vật liệu của máy CNC gọi là đầu công cụ: spindle quay mũi phay ở máy router, module laser ở máy khắc laser, cây bút ở máy vẽ. Khung và động cơ có tốt đến đâu thì sản phẩm cuối cùng vẫn phụ thuộc vào đầu công cụ: mũi phay sai loại làm mép gỗ xơ và mũi gãy, module laser yếu thì cắt mãi không đứt.

Bài này giới thiệu các loại spindle cho máy CNC mini, các kiểu mũi phay và cách chọn, cấu tạo module laser diode, cách nối tín hiệu PWM và cách chọn công suất laser.

1. Spindle cho máy CNC mini

• Động cơ DC 775: động cơ chổi than nhỏ có đầu kẹp mũi, đi kèm máy cỡ 3018. Đủ để khắc, phay gỗ mềm, mạch in; yếu khi cắt sâu hay phay nhôm.
• Spindle DC 300–500 W: có đầu kẹp collet ER11, nguồn 48 V và mạch chỉnh tốc độ nhận tín hiệu PWM. Bước nâng cấp phổ biến cho máy mini.
• Máy phay cầm tay (trimmer): máy cầm tay 220 V gắn lên đế kẹp. Khỏe, rẻ, tốc độ cao, nhưng ồn; nhiều loại chỉ chỉnh tốc độ bằng núm trên máy.
• Spindle làm mát bằng nước hoặc khí + biến tần: cho máy lớn, chạy êm, mô-men tốt; cần biến tần 220 V, đi dây và nối đất cẩn thận.

Bộ điều khiển GRBL bật spindle bằng M3, chỉnh tốc độ bằng S qua chân PWM. Với máy phay cầm tay 220 V, chỉ dùng tín hiệu bật tắt qua relay hoặc công tắc chịu đúng tải; không nối trực tiếp tín hiệu PWM vào điện 220 V.

2. Mũi phay

• Đường kính, chiều dài lưỡi, chuôi: ví dụ mũi 3,175 × 12 × 3,175 mm có lưỡi đường kính 3,175 mm (1/8 inch), dài 12 mm, chuôi 3,175 mm. Chiều dài lưỡi phải lớn hơn chiều sâu cắt; lưỡi dài quá thì mũi dễ rung, dễ gãy.
• Xoắn lên (upcut): kéo phoi lên khỏi rãnh, cắt sâu tốt, nhưng mép trên của gỗ ép, MDF phủ melamine dễ xơ.
• Xoắn xuống (downcut): ép mép trên, mặt trên sạch, nhưng phoi bị nén xuống rãnh; dùng cho lượt nông hoặc tấm mỏng.
• Số me: 1 me cho mica, nhựa và nhôm vì phoi to, ít nóng chảy; 2 me dùng chung cho gỗ, MDF; 3–4 me cho kim loại trên máy cứng vững.
• Mũi V: 30°, 60°, 90° để khắc chữ, khắc kiểu V-carve, khắc mạch in; mũi khắc nhọn đầu 0,1–0,2 mm cho nét mảnh.
• Mũi đầu cầu: phay bề mặt cong (khắc nổi 3D), làm khuôn.
• Vật liệu mũi: thép gió (HSS) rẻ nhưng nhanh cùn; hợp kim cứng (carbide) sắc lâu, giòn, gãy nếu rung mạnh.

3. Đầu kẹp collet

• Collet là ống kẹp có xẻ rãnh, siết bằng đai ốc để ôm chặt chuôi mũi. Mỗi collet chỉ kẹp tốt một cỡ chuôi (ví dụ collet 3,175 mm cho chuôi 3,175 mm).
• Hệ ER: ER11 kẹp được chuôi khoảng 0,5–7 mm, ER16 khoảng 0,5–10 mm, ER20 khoảng 1–13 mm (mỗi collet một cỡ trong dải đó).
• Lau sạch collet và chuôi trước khi kẹp; mạt bám vào làm mũi lệch tâm, rung và gãy sớm.
• Cắm chuôi sâu ít nhất khoảng hai phần ba chiều dài collet, siết bằng hai cờ lê, không siết quá mạnh làm biến dạng collet.

4. Module laser diode

• Diode laser nằm trong khối nhôm tản nhiệt có quạt. Diode nóng lên rất nhanh nếu quạt hỏng: kiểm tra quạt quay trước mỗi lần chạy.
• Mạch driver trong module cấp dòng ổn định cho diode và nhận tín hiệu điều khiển công suất PWM (còn gọi là TTL): độ rộng xung càng lớn, công suất càng cao.
• Thấu kính: loại cố định tiêu cự (lấy nét bằng cách chỉnh độ cao module) hoặc loại vặn được. Lau thấu kính định kỳ bằng giấy lau kính và cồn; khói bám trên thấu kính làm giảm công suất và có thể làm nứt thấu kính.
• Đầu nối: thường có ba chân: nguồn 12 V hoặc 24 V, GND và PWM. GND của module phải nối chung với GND của bo điều khiển.
• Mức tín hiệu: nhiều module nhận PWM 5 V. Bo ESP32 xuất 3,3 V; một số module vẫn chạy, số khác cần mạch chuyển mức. Xem tài liệu module trước khi nối.
• Thổi khí (air assist): đầu thổi gắn quanh thấu kính nối với máy bơm khí, giữ khói khỏi thấu kính và giúp cắt sạch hơn.

Trong GRBL, lệnh S đặt công suất từ 0 tới giá trị $30 (mặc định 1000): S1000 là 100 %, S300 là 30 %. Nhớ bật chế độ laser $32=1 để laser tự tắt khi máy chạy G0 (bài 12).

5. Chọn công suất module laser

• So sánh theo công suất quang, không phải công suất điện ghi to trên tên sản phẩm.
• Công suất cao khắc và cắt nhanh hơn, nhưng điểm sáng của module công suất lớn thường to hơn: nét khắc ảnh có thể kém mịn hơn module nhỏ.
• Công suất càng cao càng cần che chắn, hút khói và phòng cháy tốt hơn (bài 3).

6. Xem thêm

• Bài trước trong loạt: Truyền động máy CNC. Bài sau: Nguồn điện, đi dây, công tắc hành trình và nút dừng khẩn.
• ESP32 điều khiển module relay an toàn: bật tắt máy phay cầm tay, máy bơm khí qua relay.
• Module relay 1, 2, 4 kênh tại PYWORLD.