Tự lắp máy khắc laser diode mini: khung nhôm, dây đai, tiêu cự và cài GRBL

Các bước tự lắp máy khắc laser diode khung hở vùng khắc 400 × 400 mm: tính thanh nhôm, vật tư, lắp khung và hai trục, luồn đai GT2, đi dây, tìm tiêu cự, cài GRBL, chạy thử.

Máy khắc laser diode khung hở là dự án lắp máy dễ bắt đầu nhất trong mảng CNC: khung nhôm nhẹ, hai trục chạy dây đai, không có lực cắt nên không cần kết cấu nặng. Phần khó lại nằm ở những chi tiết nhỏ: khung có vuông không, đai căng đủ chưa, laser đặt đúng tiêu cự chưa, firmware đã bật chế độ laser chưa.

Bài này đi qua từng bước lắp một máy vùng khắc khoảng 400 × 400 mm: tính kích thước thanh nhôm, chọn vật tư, lắp khung và hai trục, luồn dây đai, đi dây điện, tìm tiêu cự, cài GRBL và chạy thử lần đầu. Các bài trước của loạt (an toàn laser, cấu tạo máy, động cơ bước, driver, truyền động, GRBL, phần mềm laser) là phần nền cho bài này.

Trước khi bắt đầu: module laser diode vài watt là laser cấp 4, tia phản xạ khuếch tán cũng làm hỏng mắt. Luôn đeo kính có dải bước sóng chứa 445–455 nm và chỉ số OD phù hợp (bài 3 của loạt), không để máy chạy khi vắng người, có bình chữa cháy và hút khói ra ngoài.

1. Chọn kích thước, tính chiều dài thanh nhôm

• Vùng khắc 300 × 300 đến 400 × 400 mm đủ cho phần lớn việc khắc gỗ, da, bảng tên. Máy càng lớn thì dầm X càng dài, càng dễ rung khi khắc ảnh.
• Chiều dài thanh ≈ hành trình + chiều dài tấm trượt + 2 × phần đầu (ke góc, puly, động cơ chiếm chỗ ở hai đầu). Đo tấm trượt và linh kiện thật của bạn rồi mới cắt nhôm; số liệu trong hình chỉ là ví dụ.
• Khung hở (không có đáy) đặt thẳng lên được tấm vật liệu lớn hơn máy; muốn cắt thì kê thêm tấm lót tổ ong hoặc tấm kim loại có chốt kê bên dưới.

2. Vật tư

3. Lắp khung

1. Cắt thanh nhôm đúng kích thước, mặt cắt vuông. Không có máy cắt nhôm thì đặt cắt sẵn khi mua.
2. Đặt khung lên mặt bàn phẳng, bắt ke ở bốn góc, siết vừa tay.
3. Đo hai đường chéo: khung vuông khi hai đường chéo bằng nhau. Đẩy nhẹ góc khung tới khi hai số đo chênh nhau không quá khoảng 1 mm, rồi siết chặt.
4. Kiểm tra khung có bị vênh không: ấn lần lượt từng góc, góc nào bập bênh thì nới ốc ở góc đó, ép khung xuống mặt bàn rồi siết lại.

4. Lắp ray Y và dầm X

• Lắp tấm trượt có bánh xe V lên hai thanh dọc (ray Y). Xoay đai ốc lệch tâm tới khi bánh xe ôm rãnh: đẩy tay thấy tấm trượt chạy đều, có lực cản nhẹ, lay không thấy rơ. Ôm quá chặt làm bánh xe nhanh mòn và động cơ dễ mất bước.
• Bắt dầm X lên hai tấm trượt Y. Đo khoảng cách từ dầm tới thanh khung phía trước ở hai đầu dầm: hai số phải bằng nhau thì dầm mới vuông góc với ray Y.
• Lắp tấm trượt X (mang đầu laser) lên dầm và chỉnh bánh xe theo cùng cách.

5. Luồn dây đai

• Trục X thường dùng đai vòng kín: động cơ ở một đầu dầm, puly căng ở đầu kia, xe trượt kẹp vào đai.
• Trục Y có hai cách:
  • mỗi bên một động cơ gắn trên tấm trượt, đai cố định hai đầu khung (kiểu omega);
  • một động cơ và một trục nối truyền sang bên kia.
  Dùng hai động cơ Y với Arduino và CNC shield thì cắm động cơ thứ hai vào khe trục A và đặt jumper nhân bản tín hiệu Y (bài 11). FluidNC khai báo được hai động cơ cho một trục (bài 13). Hai động cơ đặt đối xứng phải quay ngược nhau: đổi chỗ hai dây của một cuộn trên một động cơ để đảo chiều động cơ đó.
• Độ căng: ấn vào giữa nhánh đai thấy lún nhẹ rồi bật lại, không chùng khi đổi chiều. Căng quá làm mòn ổ bi động cơ và bánh xe.
• Bước/mm với đai GT2, puly 20 răng, động cơ 200 bước, vi bước 1/16 là 80 bước/mm cho cả X và Y.

6. Gắn đầu laser và đi dây

• Gắn module laser lên tấm trượt X, ống kính thẳng đứng. Đầu thổi khí gắn cạnh ống kính, hướng vào điểm khắc.
• Module laser thường có ba dây: nguồn (+12 V hoặc +24 V), GND và PWM. Dây PWM nối chân PWM của bo: trên Arduino chạy GRBL 1.1 là D11; trên CNC shield V3, chân này nằm ở hàng chân in nhãn Z+ / Z− (bài 11). GND của module, nguồn và bo nối chung.
• Nối dây PWM trước khi cấp nguồn cho module: một số module phát tia khi chân PWM bị bỏ lửng.
• Relay bơm khí nối chân làm mát (lệnh M8 bật, M9 tắt; trên CNC shield là chân ghi CoolEn).
• Dây động cơ X và dây module đi theo xích nhựa hoặc bó gọn, chừa đủ dài cho cả hành trình; dây không được cọ vào dây đai.
• Nút dừng khẩn ngắt nguồn cả máy, đặt chỗ với tay tới ngay.

7. Tìm tiêu cự

Module tiêu cự cố định thường kèm một miếng cữ: đặt cữ giữa ống kính và mặt vật liệu, hạ đầu laser chạm cữ rồi khóa lại. Module chỉnh được tiêu cự (hoặc khi không có cữ) thì tìm bằng tấm ván nghiêng:

1. Kê một đầu tấm ván mỏng cao hơn đầu kia khoảng 10–20 mm, đặt sao cho đầu laser chạy dọc theo chiều dốc.
2. Khắc một đường thẳng dài 100 mm ở công suất thấp, ví dụ (đã bật chế độ laser $32=1, $30=1000):

G21 G90
G0 X20 Y20
M4 S150
G1 X120 F1000
M5

3. Tìm chỗ nét mảnh nhất trên đường khắc, đưa đầu laser tới đúng chỗ đó (laser tắt).
4. Đo khoảng cách từ mép ống kính tới mặt ván: đó là chiều cao cần đặt mỗi lần khắc. Cắt một miếng gỗ đúng chiều cao này làm cữ.

Ống kính bẩn cũng làm nét to và yếu: lau bằng khăn mềm và cồn khi thấy khói bám.

8. Cài đặt GRBL cho máy laser

Sau khi nạp GRBL (bài 11), gửi các lệnh dưới đây qua phần mềm gửi G-code. Giá trị tốc độ, gia tốc là điểm khởi đầu: tăng dần tới khi bắt đầu mất bước rồi lùi lại (bài 12).

Dùng ESP32 với FluidNC thì các giá trị tương ứng nằm trong file config.yaml (bước/mm, tốc độ, gia tốc, hành trình, khối Laser), xem bài 13.

9. Chạy thử lần đầu

1. Chạy khi tắt laser: rút dây PWM hoặc tắt công tắc của module. Gửi G91 G0 X10, G0 Y10: X dương phải sang phải, Y dương ra xa người đứng trước máy. Trục nào ngược thì sửa $3.
2. Về gốc: gửi $H, trục nào chạy ra xa công tắc thì sửa $23.
3. Kiểm tra bước/mm: chạy 100 mm rồi đo bằng thước. Sai lệch thì hiệu chỉnh theo bài 19 của loạt.
4. Kiểm tra vuông góc: khắc hình vuông 100 × 100 mm, đo hai đường chéo (bài 19).
5. Ma trận thử: khắc ma trận công suất × tốc độ trên vật liệu định dùng để chọn thông số (bài 14).

10. Xử lý lỗi

11. Xem thêm

• Bài trước trong loạt: Tự làm máy vẽ bằng ESP32. Bài sau: Tự lắp máy CNC mini cỡ 3018.
• Các bài nền của loạt: an toàn với máy laser (bài 3), truyền động đai và vít me (bài 8), GRBL (bài 11, 12), phần mềm cho máy laser (bài 14), hiệu chỉnh độ chính xác (bài 19).
• Bắt đầu với Arduino Nano CH340: cài driver cổng COM trước khi nạp GRBL.
• Điều khiển relay: cách nối module relay an toàn.