Đồ án máy khắc laser

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY KHẮC LASER NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Lê Minh Hoàng 1711040023 17DCKA1 Phạm Minh Tài 1711040245 17DCKA1 Nguyễn Ngọc Long 1711040134 17DCKA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng iii MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI ĐATN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 3 Giới th.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY KHẮC LASER NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS NGÔ HÀ QUANG THỊNH Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Lê Minh Hoàng 1711040023 17DCKA1 Phạm Minh Tài 1711040245 17DCKA1 Nguyễn Ngọc Long 1711040134 17DCKA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng …/… MỤC LỤC PHIẾU ĐĂNG KÝ TÊN ĐỀ TÀI ĐATN PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG viii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Giới thiệu máy khắc laser 1.2 Máy khắc diode laser 1.3 Nguyên lý hoạt động khắc laser diode CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan 2.1.1 Tổng quan Laser 2.1.2 Diode Laser 2.2 Thông số kỹ thuật 2.3 Hướng nghiên cứu CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Những yêu cầu đề tài 3.2 Cơ sở chọn phương án thiết kế iii 3.3 Phần khí 3.3.1 Phương án chọn động 3.3.2 Phương án cấu truyền động 11 3.3.3 Phương án vật liệu thiết kế đồ gá 12 3.4 Phần điện điều khiển 13 3.5 Lựa chọn giải pháp 13 3.5.1 Phần khí 13 3.5.2 Phần điện điều khiển 16 3.6 Trình tự công việc tiến hành 16 CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 17 4.1 Tính tốn thiết kế phần khí 17 4.1.1 Hệ thống dẫn động 17 4.1.2 Động bước 18 4.1.3 Bộ truyền đai 18 4.1.4 Thiết kế mô dẫn động Solidworks 22 4.1.5 Thiết kế mô khung dẫn động máy 24 4.1.6 Thiết kế khung máy 25 4.1.7 Thiết kế mỏ máy hoàn chỉnh 27 4.2 Hệ thống điều khiển máy 28 4.2.1 Nguồn 29 4.2.2 Bo mạch Arduino R3 31 4.2.3 Board mạch mở rộng CNC shield V3 34 iv 4.2.4 Module driver A4988 37 4.2.5 Laser 39 4.3 Sơ đồ kết nối khối điều khiển 40 4.3.1 Sơ đồ khối điều khiển 40 4.3.2 Sơ đồ kết nối 41 CHƯƠNG 5: THI CÔNG 42 5.1 Khung dẫn động 42 5.2 Khung máy 43 5.3 Mạch điện 43 5.4 Máy hoàn chỉnh 44 5.5 Cài đặt firmware GRBL 45 5.6 Phần mềm Benbox 47 5.6.1 Cài đặt Benbox 48 5.6.2 Kiểm tra kích thước khắc 49 5.7 Sản phẩm 49 5.7.1 Khắc gỗ 49 5.7.2 Khắc lớp mạ sơn 50 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 v DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Công nghệ khắc Laser Hình 1.2: Khắc Laser Diode Hình 1.3: Một số sản phẩm khắc từ laser diode Hình 2.1: Các loại tia laser Hình 2.2: Một số loại máy khắc laser thị trường Hình 3.1: Động bước Nema 17 14 Hình 3.2 Puly đai 14 Hình 3.3: Nhơm định hình 15 Hình 3.4: Mạch điều khiển Arduino R3 DIP 16 Hình 4.1: Cơ cấu dẫn động 17 Hình 4.2: Động Nema 17 18 Hình 4.3: Bộ dẫn động trục X 22 Hình 4.4: Bộ dẫn động trục Y 23 Hình 4.5:Khung dẫn động 24 Hình 4.6: Khung máy 25 Hình 4.7: Khung máy lắp ráp hoàn chỉnh 26 Hình 4.8: Mơ máy khắc Laser 27 Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 28 Hình 4.10: Nguồn cấp 12V10A 30 Hình 4.11:Mạch Arduino R3 DIP 31 Hình 4.12: Sơ đồ mạch Arduino R3 33 Hình 4.13: Board mạch CNC Shield V3 34 Hình 4.14:Sơ đồ nối CNC Shield V3 35 Hình 4.15: Sơ đồ ngun lí mạch CNC Shield V3 36 vi Hình 4.16: Module driver A4988 37 Hình 4.17: Module laser 2.5W 39 Hình 4.18: Sơ đồ kết nối module Laser 40 Hình 4.19: Sơ đồ khối điều khiển 40 Hình 5.1: Khung dẫn động 42 Hình 5.2: Khung máy 43 Hình 5.3: Lắp mạch điện 43 Hình 5.4: Máy hồn chỉnh 44 Hình 5.5: Upload GRBL 45 Hình 5.6: Phầm mềm Benbox 47 Hình 5.7: Thanh cơng cụ setup Benbox 48 Hình 5.8: Cài đặt thông số vận hành máy 48 Hình 5.9: Kiểm tra kích thước khắc 49 Hình 5.10: Sản phẩm khắc ảnh chân dung 49 Hình 5.11: Khắc ảnh thân vợt 50 vii DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Ưu điểm nhược điểm loại động Bảng 3.2: Ưu điểm nhược điểm truyền 11 Bảng 3.3: Ưu điểm nhược điểm loại vật liệu 12 Bảng 3.4: Ưu điểm nhược điểm ARM ARDUINO 13 Bảng 4.1: Thông số động bước 17H39H-0406A 21 Bảng 4.2: Một số linh kiện máy 29 Bảng 4.3:Thông số kỹ thuật Arduino R3 32 Bảng 4.4: Bảng thiết lập độ phân giải A4988 38 viii LỜI MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thời kì đổi cơng nghệ, máy móc mang tính chất tự động hóa có độ xác cao thay gần hoàn thành người sản xuất Áp dụng phương pháp gia công CNC tạo mẫu nhanh cho độ xác cao thay cho kiểu gia công cổ điển truyền thống phương pháp phổ biến Phương pháp gia cơng CNC cịn phổ biến với việc tạo khắc mẫu nhanh chóng thương mại quảng cáo nhờ vào ứng dụng dùng tia laser khí bảo vệ CO2, diode laser Áp dụng kiến thức học, tiếp xúc vận hành trực tiếp loại máy gia công tự động máy gia cơng phay, tiện CNC, v.v… tính cấp thiết xã hội thời kì đổi 4.0 Vì lí nhóm định thực đồ án tốt nghiệp chế tạo máy “Máy khắc Laser” Tình hình nghiên cứu Trên thị trường nhiều loại máy khắc laser cắt biên dạng phực tạp bề mặt phẳng với vật liệu khác tùy thuộc vào thông số máy khắc Máy khắc laser cần thiết cho nhu cầu khắc loại vật liệu, việc đáp ứng nhanh, xác nhanh, xác thực thời gian ngắn Mục đích nghiên cứu đề tài Đề tài nghiên cứu: “Máy khắc laser” thực theo mục tiêu sau: • Thiết kế chế tạo khí cho máy theo cấu trục • Xây dựng mơ hình máy khắc laser theo vẽ thiết kế • Máy khắc nhiều vật liệu khác nhau: mica, gỗ, da, … • Giải vấn đề khắc mica, gỗ, da, v.v… cách nhanh xác • Giúp người dễ dàng tiếp cận với gia công khắc CNC Laser Nhiệm vụ nghiên cứu • Tìm hiểu ứng dụng phần mềm thiết kế kỹ thuật SolidWorks để thiết kế khí, xuất vẽ kỹ thuật tính tốn, lắp ghép, mơ cho máy • Áp dụng kiến thức khí học như: dung sai lắp ghép, chi tiết máy, đồ án chế tạo máy để lắp ráp phần khí truyền động cho máy • Tìm hiếu sử dụng chương trình Arduino IDE để lập trinh cho vi điều khiển Phương pháp nghiên cứu • Khảo sát thực tế, thông qua việc tham quan số sở cắt khắc laser • Tìm hiểu số đề tài nghiên cứu khoa học, có liên quan đến đề tài nhóm • Tham khảo tài liệu trang web số sách liên quan • Sử dụng phần mềm Solidworks 2018 thiết kế khí • Dùng phần mềm Arduino IDE, Benbox, Light Burn để lập trình điều khiển máy • Dùng board Arduino UNO R3- CNC Shield V3 để điều khiển động bước • Sử dụng đầu khắc laser 2.5W Các kết đạt đề tài Sau ngiên cứu tìm hiểu, tham khảo, nhóm thiết kế chế tạo thành công máy khắc laser ứng dụng công nghệ CNC điều khiển thông qua bo mạch Arduino kết nối trực tiếp với máy tính Kết cấu đề tài ❖ Chương 1: Giới thiệu ❖ Chương 2: Tổng quan giải pháp ❖ Chương 3: Phương pháp giải ❖ Chương 4: Quy trình thiết kế ❖ Chương 5: Thi công ❖ Chương 6: Kết luận CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Giới thiệu máy khắc laser Máy khắc laser dạng công nghệ CNC phù hợp với định hướng nghiên cứu chung xã hội phục vụ theo nhu cầu sống Do đó, đề tài tốt nghiệp khơng giúp nhóm chủ động tìm tịi, nghiên cứu, mà làm chủ lĩnh vực tương lai Hình 1.1: Công nghệ khắc Laser Máy khắc nâng cao khả tự động hóa doanh nghiệp Việt Nam như: người vận hành ít, phải can thiệp vào hoạt động máy Nhiều máy khắc laser tự động chạy liên tục kết thúc giải phóng nhân lực cho cơng việc khác xảy hỏng hóc lỗi vận hành, thời gian gia công dự báo xác, người vận hành khơng địi hỏi phải có kỹ thao tác (chân tay) cao điều khiển máy công cụ truyền thống Trong nghiên cứu đồ án tốt nghiệp này, nhóm thực việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser điều kiện phát triển Việt Nam 5.6 Phần mềm Benbox Phần mềm Benbox phần mềm CNC để khắc laser, bút vẽ Benbox phần mềm giao tiếp điều khiển CNC, dowload phần mềm internet với nhiều phiên dễ dàng tìm kiếm Ưu điểm: - Dễ sử dụng cho người bắt đầu - Thao tác đơn giản dễ hiểu Nhược điểm: - Chức làm việc hạn chế vẽ, khắc tranh Vector kiểu đen trắng - Hỗ trợ CNC AxisDraw, CNC laser trục X, Y Hình 5.6: Phầm mềm Benbox 47 5.6.1 Cài đặt Benbox Hình 5.7: Thanh cơng cụ setup Benbox Hình 5.8: Cài đặt thơng số vận hành máy 48 5.6.2 Kiểm tra kích thước khắc Sau cài đặt thông số cho phần mềm ta thực trình vận hành máy cho khắc thử chi tiết độ kích thước để kiểm tra độ sai lệch khắc Hình 5.9: Kiểm tra kích thước khắc 5.7 Sản phẩm 5.7.1 Khắc gỗ Hình 5.10: Sản phẩm khắc ảnh chân dung 49 Sản phẩm khắc bề mặt gỗ MDF phủ lớp chống trầy Melanine, kích thước khổ ảnh x 5.5 cm, khắc chế độ Scan by Z phần mềm, thời gian hoàn thành 30 phút Chất lượng ảnh chi tiết sắc nét, khắc chiều sâu thể thêm tính độc đáo ảnh thời gian khắc đạt mức tốt 5.7.2 Khắc lớp mạ sơn Hình 5.11: Khắc ảnh thân vợt Sản phẩm khắc lớp sơn thân vợt cầu lông, khắc dạng đường viền khắc dạng điền đầy Có thể khắc bề mặt tương đối phẳng cong thân vợt phía hình ko thiết phải mặt phẳng hoàn toàn 50 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết luận Sau tháng ngày thực đối diện với nhiều khó khăn tình hình dịch phức tạp, nhờ hướng dẫn tận tình thầy TS Ngơ Hà Quang Thịnh hỗ trợ từ phía nhà trường, Viện kỹ thuật nhóm hồn thành đề tài “Máy khắc laser” Trong q trình thực nhóm có kinh nghiệm riêng việc thiết kế phần khí phần điện tử địi hỏi phải hiểu biết động bước, bo mạch điều khiển, đặc biệt phần lập trình để vận hành máy Do tình hình dịch diễn phức tạp cịn nhiều hạn chế trình mua sắm thiết bị làm máy, nhóm cố gắng hồn thiện đề tài cách tốt có thẻ Đề tài nhóm đưa vào sản xuất, làm quảng cáo phương diện nhỏ, mơ hình học tập giáo dục cho giảng viên sinh viên Từ việc thiết kế, chế tạo tiến hành thử nghiệm hoàn thành nhằm nhận xét đánh giá kết đạt nhóm rút vấn đề sau Thành đạt được: - Cơ cấu máy thiết kế chế tạo cách gọn gàng, di chuyển linh hoạt Dễ dàng chỉnh sửa tháo lắp chi tiết cần thiết đảm bảo cho máy hoạt động tốt Các chi tiết máy thiết kế vẽ, yêu cầu đặt chuyển động theo trục X, X có phạm vi hoạt động với phạm vi mục tiêu đặt ban đầu - Các chi tiết lăn, đai ốc… thiết kế chuẩn có sẵn thị trường - Các thiết bị mạch điện lắp ráp hoạt động sơ đồ nguyên lý hoạt động nêu phần trước - Công việc điều khiển máy hoạt động ổn định theo chu trình làm việc máy Việc điều khiển trở nên dễ dàng sử dụng phần mềm hỗ trợ 51 Những mặt hạn chế: - Máy khắc ổn định chế độ vận tốc trung bình từ 30-80mm/s, khắc tốc độ cao không ổn định dễ sai số - Hạn chế khắc biên dạng phức tạp trục X, Y điển biên dạng cong - Điều chỉnh tiêu cự thấu kính tay chưa tự động hóa trục Z 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Lộc: Cơ sở thiết kế máy NXB Đại Học Quốc Gia TP HCM, 2008 [2] Bảng tra động bước Nema 17- Data sheet Nema 17 Schneider [3] Cơ sở thiết kế máy - Giáo trình HUTECH [4] Đo lường khí dung sai lắp ghép – Giáo trình HUTECH [5] Ngơn ngữ lập trình – Giáo trình HUTECH [6] https://www.thingiverse.com/ [7] www.instructables.com/id/The-MicroSlice-V2-Aurum-A-gold-mini-laser-cutter/ [8] http://arduino.vn/ 53 +0.012 4x 25 31 ±0.1 5 52 ±0.1 31 ±0.1 2x 60 ±0.1 R2 +0.012 5 105 78 22 52 ±0.1 72 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ký Ngày GÁ DẪN ĐỘNG TRỤC X Vật liệu: MICA Tỉ lệ: 1:1 Số lượng: 01 Bản vẽ số: 03 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 72 52 ±0.1 5 26 2x +0.012 35 ±0.1 4X +0.012 20 60 ±0.1 105 10 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hồng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngơ Hà Quang Thịnh Ký Ngày GÁ LASER TRÊN DẪN ĐỘNG TRỤC X Vật liệu: MICA Tỉ lệ: 1:1 Số lượng: 01 Bản vẽ số: 04 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ C10 X 45° +0.015 20 ±0.1 +0.01 2x 145 31 ±0.1 30 ±0.1 4x 31 ±0.1 +0.012 67 26 5 R2 13 2x 60 ±0.1 82 22 52 72 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ký Ngày GÁ DẪN ĐỘNG TRỤC Y Vật liệu: MICA Tỉ lệ: 1:1 Số lượng: 02 Bản vẽ số: 01 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 10 52 ±0.1 60 ±0.1 83 45° 10 2x +0.012 5 R2 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ký Ngày ỐP TRONG GÁ DẪN ĐỘNG TRỤC Y Vật liệu: MICA Tỉ lệ: 1:1 Số lượng: 02 Bản vẽ số: 02 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 20 12 11 10 13 37 82.2 122.6 NO TÊN CHI TIẾT SỐ LƯỢNG Gá dẫn động trục X Gá laser dẫn động trục X Động bước Nema 17 1.8° size 42 Pulley 20 răng, bước 2mm, lỗ Ø 5 Bulong đầu vít M3 x 12mm Trục đệm nhôm 9mm Con lăn nhôm D=24 d=5 Bulong lục giác M5 x 50mm Bulong lục giác M4 x 6mm 10 Đai ốc M5 11 Gá giữ điều chỉnh tiêu cự Laser 12 Module Laser 2.5W 13 Đai ốc M3 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ngày Ký BỘ DẪN ĐỘNG TRỤC X Tỉ lệ: 2:1 Số lượng: 01 Bản vẽ số: 02 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 20 45.2 85.6 No Tên chi tiết Số lượng Gá dẫn động trục X Ốp gá dẫn động trục X Động bước Nema 17 1.8° size 42 Trục đệm nhôm 9mm Con lăn nhôm D=24 d=5 Pulley 20, bước 2mm, lỗ Ø Bulong lục giác M5 x 50mm Đai ốc M5 Bulong đầu vít M3 x 12mm Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ngày Tỉ lệ: 2:1 Ký BỘ DẪN ĐỘNG TRỤC Y Số lượng: 02 Bản vẽ số: 01 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 606 509 142 500 2 400 188 No Tên chi tiết Số lượng Bộ dẫn động trục X Bộ dẫn động trục Y Nhơm định hình 20x40 - 509mm (dẫn động trục X) Nhơm định hình 20x40 - 400mm ( dẫn động trục Y) Nhơm định hình 20x20 Bulong lục giác M5 x 10mm 20 Part nhơm L nhơm định hình 20x20 Đai ốc nhơm định hình M5 20 Bulong lục giác M6 x 20mm Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ngày Ký KHUNG DẪN ĐỘNG Tỉ lệ: 1:2 Số lượng: 01 Bản vẽ số: 03 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ 740 240 320 360 170 360 185 400 380 500 430 Tr.nhiệm Họ tên Thiết kế Lê Minh Hoàng Phạm Minh Tài Nguyễn Ngọc Long GVHD TS Ngô Hà Quang Thịnh Ngày Ký KHUNG MÁY LASER Vật liệu: Nhơm định hình Tỉ lệ: 1:2 Số lượng: 01 Bản vẽ số: 04 Khối lượng: TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM VIỆN KỸ THUẬT HUTECH NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ ... việc khắc laser kim loại, khắc laser lên da, khắc laser lên gỗ Ưu điểm sử dụng khắc laser diode • Ưu điểm khắc laser diode khả tạo nguồn laser nhỏ, nặng khơng q 200g Vì dễ dàng áp dụng máy khắc. .. đồ án tốt nghiệp chế tạo máy ? ?Máy khắc Laser? ?? Tình hình nghiên cứu Trên thị trường nhiều loại máy khắc laser cắt biên dạng phực tạp bề mặt phẳng với vật liệu khác tùy thuộc vào thông số máy khắc. .. khiển máy công cụ truyền thống Trong nghiên cứu đồ án tốt nghiệp này, nhóm thực việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser điều kiện phát triển Việt Nam 1.2 Máy khắc diode laser Công nghệ laser