MỤC LỤC

MỤC LỤC.

MỞ ĐẦU.

Chương 1. Tổng quan về máy khắc cnc bằng tia laser đốt nóng.

1.1 Đặt vấn đề.

1.2 Giới thiệu về tia laser.

1.2.1 Giới thiệu chung.

1.2.2.Lịch sử.

1.2.3.Cấu tạo.

1.2.4.Cơ chế hoạt động.

1.2.5.Phân loạ.

1.2.6.Tính chất.

1.2.7.Các chế độ hoạt động.

1.2.8.An toàn.

1.2.9.Ứng dụng của laser.

Chương 2. Thiết kế mô hình cơ khí.

2.1. Tính chọn các kích thước của khung máy.

2.2. Tính toán cơ cấu dẫn hướng cho các trục.

2.2.1. Phương án dẫn hướng bằng cặp trục trơn.

2.2.2. Phương án dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá.

2.2.3. Phương án dẫn hướng bằng thanh trượt bi chữ U.

2.4.4. Phương án dẫn hướng bằng cặp thanh trượt đuôi én..

2.3. Chọn cơ cấu truyền động.

2.3.1. Phương án dùng vít me đai ốc thường.

 2.3.2. Phương án dùng vít me đai ốc bi.

2.3.3. Phương án dùng đai răng.

2.3.4. Phương án dùng xích.

2.4. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục.

2.5. Tính thông số bộ truyền cho cơ cấu dẫn hướng các trục.

2.6. Giới thiệu về bộ truyền vít me-đai ốc bi.

2.6.1. Các dạng vít me bi.

2.6.2. Cấu tạo và hoạt động.

2.6.3. Ưu, nhược điểm.

2.6.4. Vật liệu.

Chương 3. Phần mềm và xây dựng các mạch điều khiển.

3.1. Vi điều khiển Arduino.

3.2. Mạch driver điều khiển động cơ bước.

3.2.1. Giới thiệu chung về mạch driver.

3.2.2. Cấu trúc module điều khiển động cơ bước TB6560.

3.2.3. Sơ đồ ghép nối với mạch điều khiển.

3.2.4.SơđồđấudâycủadriverTB6560AHQ.

3.3. Phần mềm xuất Gcode - Inkscape.

3.4. Phần mềm khắc laser - Grbl Controller.

Chương 4. Chế tạo lắp ráp và vận hành mô hình.

4.1. Chế tạo lắp ráp...

4.2. Vận hành mô hình.

Chương 5. Kết luận phương hướng phát triển đề tài.

5.1. Đánh giá kết quả đạt được.

5.2. Những hạn chế và hướng khắc phục.

5.2.1. Về thiết kế cơ khí.

5.2.2. Về bộ điều khiển động cơ.

5.3. Hướng phát triển của đề tài.

KẾT LUẬN.

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

LỜI NÓI ĐẦU

   Qua quá trình học là kết quả của nhiều môn học: công nghệ chế tạo máy, gia công kim loại, vật liệu cơ khí… Giúp cho sinh viên làm quen với nhiều quá trình công nghệ thực tế và tổng hợp kiến thức của các môn học.

   Do yêu cầu của nền kinh tế nói chung và ngành cơ khí nói riêng đòi hỏi người kỹ sư cơ khí phải có kiến thức sâu rộng, phải biết vận dụng kiến thức đã học giải quyết những vấn đề  thực tế thường gặp phải trong quá trình sản xuất.

   Hiện nay Máy khắc laser được ứng dụng rộng rãi trong mọi lĩnh vực. Khắc laser là công nghệ được phát triển dựa trên tương tác của chùm tia laser với vật liệu. Thiết bị laser gia công nói chung và khắc laser nói riêng rất đa dạng và phong phú.

   Ngoài ra đồ án chuyên ngành này còn tạo diều kiện cho sinh viên nắm vững và vận dụng có hiệu quả các phương pháp thiết kế nhằm đạt được các chỉ  tiêu kinh tế kỹ  thuật theo yêu cầu trong điều kiện và quy mô cụ thể. 

   Mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng vì thiếu kiến thức, kinh nghiệm nên trong quá trình tiến hành làm đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót, sai phạm.

   Kính mong quý thầy, cô chỉ bảo để cho em có thêm kinh nghiệm và kiến thức làm hành trang vào đời.

    Chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô!

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC CNC BẰNG TIA LASER ĐỐT NÓNG

1.1. Đặt vấn đề

Công nghệ laser đang ngày càng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công nghiệp hỗ trợ. Tại Việt Nam, các thiết bị laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Các máy CNC cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền 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 cho công việc khác.Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể vẽ tranh, khắc hữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh để bàn một cách tự động,nên nhóm đã thực hiện đề tài này. 

1.2. Giới thiệu về tia laser

1.2.1. Giới thiệu chung

Laser (đọc là la-de) là tên viết tắt của cụm từ Light Amplfication by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".

Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân.Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này 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 của Albert Einstein. Bướcsóng (do đó màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

1.2.4. Cơ chế hoạt động

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho laser thạch anh.

- Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron.

- Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, 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 các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng.

1.2.5. Phân loại

- Laser chất rắn

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:

YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.

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

Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần.

- Laser chất 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 megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.

1.2.7. Các chế độ hoạt động

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau.

- Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian.Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn.

- Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể. Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn. 

Chương 2. THIẾT KÊ MÔ HÌNH CƠ KHÍ

2.1. Tính chọn các kích thước của khung máy

Các kích thước chính của máy quy định kích cỡ của máy. Kích thước của máy lớn hay nhỏ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, bao gồm độ dài của thanh trượt dẫn hướng, khả năng tải của động cơ dẫn động, khả năng tải của bộ truyền…Ở đây, do việc thiết kế mang tính chất mô hình, tải nhỏ, công suất các động cơ dẫn động thấp

2.2. Tính toán cơ cấu dẫn hướng cho các trục

Trong máy CNC thì các trục cần chuyển động tịnh tiến, đồng thời các tải về khối lượng thân máy, tải về lực khi cắt gọt…ảnh hưởng rất nhiều đến cơ cấu dẫn hướng. Một cơ cấu dẫn hướng tốt không chỉ đảm bảo về tính chính xác trong chuyển động, mà còn đảm bảo trơn nhẹ, ít ma sát, đồng thời có khả năng chịu tải cao, lâu mòn. Trên thị trường hiện nay có nhiều lựa chọn phương án dẫn hướng cho các trục, có thể nhắc qua các phương án sau.

2.2.1. Phương án dẫn hướng bằng cặp trục trơn

Theo phương án này, trục vít me được bố trí cố định với khung máy ở giữa  hai trục trơn. Khi động cơ quay vít me, đai ốc gắn cố định trên bàn máy hoặc đầu gá dụng cụ sẽ di chuyển kéo theo bàn máy hoặc đầu gá dụng cụ di chuyển theo. 

2.4.4. Phương án dẫn hướng bằng cặp thanh trượt đuôi én

Xét về kết cấu, loại dẫn hướng này khá tương tự loại sống trượt dạng mang cá, tuy nhiên điểm khác biệt là gồm 2 thanh giống nhau, bề ngang nhỏ hơn, khi gá đặt cũng như cặp trục trơn, loại này cũng phải đảm bảo về độ song song và đồng phẳng. Loại này có ưu điểm là rất gọn nhẹ, khả năng chịu tải cao, có bán sẵn modun trên thị trường với các kích thước khác nhau, rất phong phú để lựa chọn. Đồng thời các bộ phận ăn khớp của nó đã được chế tạo sẵn, người sử dụng chỉ cần mua về và gá đặt là có thể sử dụng được. 

2.3. Chọn cơ cấu truyền động

2.3.1. Phương án dùng vít me đai ốc thường

Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X, Y, Z). Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống  thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động.

2.3.2. Phương án dùng vít me đai ốc bi

Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2 dạng vít me – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc còn được gọi là vít me đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít me – đai ốc bi. Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn.

2.3.3. Phương án dùng đai răng

Phương án dùng đai răng sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 lô có cùng kính thước răng cưa của đai. Một lô bắt chặt vào trục động cơ, còn lô kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể quay tự do tại chỗ. Một đoạn của đai được gắn với bộ phận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di chuyển theo.

2.4. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục

Như đã đề cập ở cuối chương 2, động cơ dẫn động trên máy CNC cho các trục trong thực tế là các động cơ servo, với khả năng điều khiển chính xác ấn tượng, đồng thời kèm theo cả một bộ phận phản hồi và bù sai số. Tuy nhiên với mức độ là một mô hình thí nghiệm thì phương án dung loại động cơ này để dẫn động là không khả thi, vì trên thực tế động cơ servo kèm với bộ phản hồi có giá thành rất đắt và hiếm thấy ở Việt Nam. Do vậy ở đây chúng em thống nhất phương án dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý. 

Chương 3. PHẦN MỀM VÀ XÂY DỰNG CÁC MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1. Vi điều khiển Arduino

Thế nào là Arduino?

Bây giờ, nếu muốn bật tắt một bóng đèn một cách tự động, đảo hướng một mô tơ một cách dễ dàng, đọc tín hiệu của các cảm biến thì chúng ta cần một mạch Arduino. Hãy nghĩ một cách đơn giản, bạn muốn điều khiển, quản lý, ... thứ gì liên quan đến điện tử thì Arduino sẽ giúp chúng ta rất nhiều.

3.2. Mạch driver điều khiển động cơ bước

3.2.1. Giới thiệu chung về mạch driver
Modul điều khiển động cơ bước TB6560 là module chuyên dụng để điều khiển các loại động cơ bước lưỡng cực. 
Module có các chế độ điều khiển full bước, nửa bước và vi bước. 

3.2.4. Sơ đồ đấu dây của driverTB6560AHQ

ChânGND: Nối với cực âm của nguồn 24VDC

Chân+24VDC: Nối với cực dương của nguồn+24VDC OUT_AP,OUT_AN:

Nối với dây pha A của động cơstep 2 pha. OUT_BP,OUT_BN:Nối với dây pha B của động cơ step 2 pha.

CLK+,CLK-: Làn gõ vào cách ly tínhiệu xung cho driver, nốiCLK+với

5VDC từ board đệm,CLK- nối với ngõ ra từ board đệm.

DIR+,DIR-: Làn gõ vào cách ly tín hiệu chiều cho driver, nốiDIR+với5VDC

từ board đệm, DIR - nối với ngõ ra từ board đệm.

ENABLE+,ENABLE-: Làn gõ vào cách ly cho phép driver hoạt động cơ, nối ENABLE+với5VDC từ  board đệm, ENBLE - nối với GND từ board đệm nếu luôn cho phép driver này hoạt động.

3.3. Phần mềm xuất Gcode - Inkscape

 - Inkscape cung cấp một công cụ để đồ lại các ảnh bitmap thành một đường nét thành phần trong bản vẽ SVG (Scalable Vector Graphics). Đây là khả năng chuyển đổi một ảnh bitmap thành ảnh vector tương ứng.

- Hiện nay, Inkscape sử dụng bộ vẽ lại ảnh Potrace viết bởi Peter Selinger. Trong tương lai Inkscape có thể sử dụng một bộ đồ lại tốt hơn; nhưng hiện nay, công cụ này vẫn đáp ứng được nhu cầu của chúng ta.

3.4. Phần mềm khắc laser - Grbl Controller

Grbl Controller là một phần của phần mềm được sử dụng để gửi GCode cho máy CNC, chẳng hạn như một ShapeOko . Phần mềm đã được tối ưu hóa để gửi GCode một Grbl Arduino Shield, đó là loại điều khiển tiêu chuẩn và mặc định cho ShapeOko .

Bây giờ, ta sẽ chọn file gcode và dùng phần mềm grbl controller và chọn port rồi khắc. 

Chương 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

5.1. Đánh giá kết quả đạt được           

Mô hình hoàn tất và đạt được những kết quả rất đáng khích lệ như sau:

- Gia công hoàn toàn tự động theo yêu cầu

- Độ chính xác gia công là tương đối với sai số ít

- Phần mềm điều khiển hoạt động tương đối ổn định và đáp ứng được yêu cầu đề ra.   - Máy làm việc êm và ít tiếng ồn.

Nghiên cứu này đã thiết kế và chế tạo thành công một công cụ hỗ trợ hiệu quả cho việc khắc vật bằng tia laser đốt nóng. 

5.2. Những hạn chế và hướng khắc phục

Trong quá trình thực hiện đồ án, do thời gian làm đồ án chỉ giới hạn trong vòng 3 tháng và kiến thức cũng như tay nghề còn hạn hẹp về nhiều mặt. Đồ án vẫn còn nhiều hạn chế và còn nhiều vấn đề chưa giải quyết được.

5.2.1. Về thiết kế cơ khí

 Do còn ít kinh nghiệm trong việc gia công cơ khí, mà mô hình máy khắc CNC này lại có những chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao đặc biệt là cơ cấu vitme – đai ốc và thanh trượt, do đó mô hình chế tạo được mới chỉ dừng lại ở độ chính xác tương đối, chỉ có thể sử dụng làm mô hình nghiên cứu mà chưa thể phát triển theo hướng ứng dụng trong thực tế.

5.2.2. Về bộ điều khiển động cơ

Bộ điều khiển thực hiện điều khiển động cơ bước theo điều khiển vòng hở do đó không thể tránh khỏi sai xót. Để khắc phục nhược điểm nay, ta có thể sử dụng động cơ DC servo dùng cho điều khiển vị trí với điều khiển vòng kín để tăng độ chính xác cũng như độ tin cậy cho toàn bộ máy.

5.3. Hướng phát triển của đề tài

- Bằng việc thay thế đầu cắt Laser có công suất lớn hơn sản phẩm có thể ứng dụng vào các ngành công nghiệp chế tạo khuôn mẫu chính xác cao.

- Có thể ứng dụng làm máy cắt plasma nếu sử dụng đầu cắt plasma.

- Sử dụng các thành phần để lắp ráp máy có độ chính xác cao,chất lượng đồng đều để nâng cao độ chính xác máy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[01]. Tạ Duy Liêm (2001). Hệ Thống Điều Khiển Số Cho Máy Công Cụ. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

[02]. TS. Nguyễn Quốc Hưng (2009). Giáo trình máy CNC và công nghệ gia công trên máy CNC. Trường đại học công nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh.

[03]. Ngô Diên Tập (2003). Kỹ thuật ghép nối máy tính. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật

[04]. Ngô Diên Tập (2003). Kỹ thuật Vi điều khiển với PIC. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật

 [05]. Tài liệu động cơ bước, website Thế giới CNC biên dịch. http://www.thegioicnc.com.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"