NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER CÓ KIỂU TRỤC QUAY của sinh viên HAUI ( có đầy đủ code ở phần phụ lục tham khảo)
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY KHẮC LASER
Ý nghĩa thực tiễn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết về máy khắc laser
Trần Việt Hưng Nguyễn Đăng Thành Đạt Ngô Quang Khánh Giáp Văn Phượng
2.3 Hệ thống điện, điện tử
Chương 3: Tính toán, thiết kế máy khắc laser kiểu trục quay
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí Trần Việt Hưng
Nguyễn Đăng Thành Đạt Ngô Quang Khánh Giáp Văn Phượng
3.2 Thiết kế hệ thống điện, điều khiển
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 4: Chế tạo mô hình và đánh giá máy khắc laser có kiểu trục quay
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí Trần Việt Hưng
Nguyễn Đăng Thành ĐạtNgô Quang Khánh4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển
TT Tên bản vẽ Khổ giấy
Số lượng SV thực hiện
1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Trần Việt Hưng
2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Ngô Quang Khánh
3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Giáp Văn Phượng
Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.
Nội dung công việc SV thực hiện
1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung giá đỡ trong mô hình hệ thống
Trần Việt Hưng Nguyễn Đăng Thành Đạt
2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực Ngô Quang Khánh
3 Lập chương trình và thử nghiệm Giáp Văn Phượng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn
ThS Nhữ Quý Thơ ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên phản biện
MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY KHẮC LASER 2
1.2 Các vấn đề đặt ra 3
Hệ thống điện, điện tử: 4
Chương trình và phần mềm điều khiển: 4
Phương pháp nghiên cứu lí thuyết 5
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 5
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ MÁY KHẮC LASER 8
Giới thiệu về máy khắc laser 10
Cấu tạo đầu khắc laser: 11
2.2 Hệ thống chấp hành 14 Động cơ bước 14
2.3 Hệ thống điện, điện tử 17
Phần mềm điều khiển GRBL 26
Phần mềm bố trí và điều khiển LightBurn: 27
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER KIỂU TRỤC QUAY 30
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 30
Tính toán và lựa chọn cho phần cơ khí 32
Tính chọn động cơ cho trục x 33
Tính chọn động cơ cho trục z 38
Tính chọn xung phù hợp với máy 41
3.2 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển 42
Sơ đồ nối dây giữa động cơ bước và mạch điều khiển động cơ 42
Nối dây cho module điều khiển Laser 43
Sơ đồ nguyên lý làm việc 43
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 47
CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÁY KHẮC LASER CÓ
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 50
4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 50
Nối dây cho mạch điều khiển MKS DLC32 52
Thiết lập thông số bước cho động cơ bước 54
Phần mềm khắc Laser chuyên dụng Lightburn 55
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 56
Thử nghiệm 56 Đánh giá 57 Đánh giá đề tài 58 Đánh giá hệ thống 59
4.4 Hạn chế và phương hướng giải quyết 59
Hình 1.1 Máy cắt laser đầu tiên trong lịch sử 2
Hình 1.2 Máy cắt laser trong công nghiệp 4
Hình 1.3 Máy khắc laser với gỗ 6
Hình 2.1 Minh hoạ tia laser 8
Hình 2.2 Mô tả quá trình hoạt động của tia Laser 9
Hình 2.3 Thành phần cấu tạo cơ bản của đầu khắc Laser CO2 11
Hình 2.4 Máy cắt laser fiber 13
Hình 2.5 Máy cắt laser nguồn tinh thể YAG 13
Hình 2.6 Động Cơ Bước Nema17 17HD4401S 14
Hình 2.7 Các bộ phận cấu tạo nên động cơ bước 15
Hình 2.8 Kích thước kỹ thuật động cơ bước 15
Hình 2.9 Trục quay kiểu con lăn 16
Hình 2.10 Công tắc hành trình XSS – 5GL2 17
Hình 2.11 Đầu khắc LASER Diode CV-Laser 18
Hình 2.12 Mạch điều khiển Laser Diode CV-Laser Module 19
Hình 2.13 Hấp thụ năng lượng 19
Hình 2.15 Khuếch đại phát xạ 20
Hình 2.16 Cách hoạt động của diode laser 21
Hình 2.17 Nguồn điện tổ ong 22
Hình 2.18 Module điều khiển CV-Laser 23
Hình 2.19 Mạch điều khiển MKS DLC32 24
Hình 2.20 Sơ đồ chân Mạch điều khiển MKS DLC32 25
Hình 2.21 Màn hình giao diện cảm ứng MKS TS35 26
Hình 2.22 Minh họa về điều khiển GRBL 27
Hình 2.23 Giao diện Phần mềm LIGHTBURN 28
Hình 3.1 Mô phỏng kết cấu khung máy 3D 30
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng trục X 33
Hình 3.3 Sơ đồ lực trục X 34
Hình 3.5 Thông số kích thước động cơ 36
Hình 3.6 Thông số kĩ thuật đai GT2 36
Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng trục z 38
Hình 3.8 Sơ đồ lực trục Z 38
Hình 3.10 Sơ đồ nối dây module DVR8825 điều khiển động cơ bước 42
Hình 3.11 Module điều khiển Laser 43
Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động của hệ thống hệ thống 43
Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống 44
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán 45
Hình 3.15 Mô phỏng mạch điều khiển bằng Proteus 46
Hình 3.16 Cài đặt MKSLaserTool-setup 47
Hình 3.17 Cài đặt CH340 driver file 48
Hình 3.18 Mở phần mềm và kết nối DLC32 49
Hình 3.19 Cấp tham số DLC32 49
Hình 3.20 Chọn firmware DLC32 để cập nhập 49
Hình 4.1 Mô hình hoàn chỉnh 50
Hình 4.3 Mạch điều khiển hoàn chỉnh 51
Hình 4.4 Giao diện mạch điều khiển MKS DLC32 52
Hình 4.6 Giao điện USB-PC 52
Hình 4.7 Cài vi bước và nối module DRV8825 53
Hình 4.8 Nối dây màn hình với mạch điều khiển 53
Hình 4.9 Nối dây kết nối laser diode với mạch điều khiển 53
Hình 4.10 Nối dây công tắc hành trình với mạch điều khiển 53
Hình 4.11 Thiết lập thông số động cơ bước 55
Hình 4.12 Giao diện phần mềm điều khiển lightburn 55
Hình 4.13 Sản phẩm thử nghiệm của nhóm 56
Hình 4.14 Sản phẩm khắc chữ 57
Bảng 3.1 Cơ cấu của mô hình 3 30Bảng 3.2 Nối chân Pin cho mạch điều khiển động cơ 42Bảng 4.1 Bảng đánh giá độ ổn định của hệ thống 57
Ngày nay, cùng với sự phát triển vô cùng nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta ngày càng đạt được nhiều thành tựu ở hầu khắp các lĩnh vực như sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kĩ thuật quân sự…
Robot đã được ra đời và trở thành một công cụ đắc lực và hiệu quả giúp đỡ con người thực hiện rất nhiều công việc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giảm thiểu sức lao động chân tay cũng như để giải quyết những công việc mà khả năng con người không thể thực hiện được Đặc biệt là sau đại dịch COVID-19 thì các xí nghiệp lại có nhu cầu lớn về sử dụng Robot trong sản xuất được chú ý hơn nhằm đảm bảo an toàn cho nhân công cũng nhưng nâng cao hiệu xuất sản xuất, tăng độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.
Robot Laser hiện nay đã trở nên thông minh hơn thế hệ robot truyền thống Chúng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật, dịch vụ thông minh cắt Laser Trong thời gian tới, robot thông minh sẽ tiếp tục được tích hợp mở rộng nhiều công nghệ tiên tiến nhất như: cộng tác người - robot laser, truyền động tích hợp thông minh, nhận biết cảm xúc, giao diện máy tính - bộ não, mạng dữ liệu lớn, phần mềm sinh học và nền tảng đám mây
Vì những vấn đề nêu ở trên nhóm đã quyết định lựu chọn đề tài của đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy sẽ đưa ra những góp ý khoa học để chúng em cải thiện trong tương lai.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY KHẮC LASER
Lịch sử ra đời của các loại máy khắc, cắt Laser được đặt nền móng từ khi Albert Einstein dự đoán về hiện tượng “phát xạ kích thích” (phát xạ cảm ứng) Đây là nền tảng cho hoạt động của tất cả tia laser.
Với nền tảng lý thuyết về khả năng phát xạ cảm ứng do Albert Einstein phát hiện vào năm 1917, sau khi trải qua thời gian dài nghiên cứu, đến năm 1960, Maiman đã cho ra đời thành công tia laser hồng ngọc hoạt động được đầu tiên trên thế giới Đến tháng 11/1967, Maiman đã đăng ký thành công bằng sáng chế ra tia laser đầu tiên trên thế giới.
Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương Sao đó 2 năm, người Anh bắt đầu có những thành tựu đầu tiên trong việc cắt kim loại bằng tia laser bằng cách sử dụng hỗ trợ khí oxy
Hình 1.1 Máy cắt laser đầu tiên trong lịch sử
Năm 1970, công nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hang không vũ trụ Sau đó thay vì sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với sự bổ trợ của khí CO2, và từ đó máy cắt laser CO2 ra đời.Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi kim, vải da,… chứ không thể nào đốt cháy được kim loại Từ đó, với những thí nghiệm mới, với nhiều sự kết hợp, chế tạo khác nhau mà các nhà khoa học đã phát minh ra được nhiều loại máy cat laser hơn, có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với những chiếc máy laser đời cũ Ưu điểm lớn của máy cắt laser so với các công nghệ cơ khí khác là công cụ kẹp phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi Độ chính xác có thể nói là hoàn hảo, tia cũng không bị mòn trong quá trình cắt Máy cắt laser hiện đại giúp giảm cong vênh của vật liệu khi cắt, các hệ thống lase có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ Với kim loại, kim cương và mọt số vật liệu khác sẽ rất khó hoặc không thể cắt được bằng các công cụ truyền thống, đó là lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy hết sức mạnh của nó Hiện nay trên thị trường có 3 nguồn cắt laser chủ yếu là CO2 laser, YAG laser và Fiber laser.
Trên thế giới, ngày nay công nghệ khắc laser được ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử, y học, hàng không vũ trụ, ô tô Một trong số các ứng dụng phổ biến nhất đó là cắt kim loại như vonfram, nhôm, thép, đồng thau hoặc niken Vì laser đem lại vết cắt sạch và hoàn thiện bề mặt mịn Một trong số các ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ khắc laser là trong lĩnh vực phẫu thuật Khi đó, các chùm tia laser sẽ được thay thế dao mổ và sử dụng để làm cắt mô Việc làm này đóng vai trò quan trọng trong các ca phẫu thuật cần đảm bảo độ chuẩn xác cao. Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ khắc laser được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực gia công quà tặng, khắc mã vạch, sản xuất tem mác, … Công nghệ này có thể khắc trên các chất liệu như: kim loại, gỗ, mica, thủy tinh, hợp kim, nhựa.
Nhiệm vụ của nhóm là nghiên cứu, thiết kế thành công ra một máy khắc Laser có kiểu trục quay để có thể gia công trên những vật có dạng trụ tròn với bề mặt cong một cách đơn giản, dễ dàng, nhanh chóng với độ chính xác cao, trên những vật liệu phi kim như giấy, gỗ, nhựa, … dễ dàng sử dụng dành cho cả những người lao động phổ thông Đề tài hoàn toàn có thể sử dụng vào mục đích thương mại hoá trong tương lai.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Ngày nay, để đẩy mạnh công nghiệp - hóa hiện đại hóa đất nước, gia công và cơ khí chế tạo đang là lĩnh vực được quan tâm hàng đầu Do đó máy khắc laser được ra
Hình 1.2 Máy cắt laser trong công nghiệp
Một số vấn đề nhóm đặt ra đối với đề tài “Máy khắc laser có kiểu trục quay “như sau:
Thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy khắc Laser có cơ cấu chuyển động tịnh tiến và cơ cấu trục giữ phôi có thể chuyển động xoay và thay đổi được kích thước phôi.
Thiết bị lắp đặt một hệ thống cơ khí có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng và thay thế các thiết bị Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lí, vững chắc và hiệu quả cao. Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các thiết bị.
Hệ thống điện, điện tử: Đầu khắc laser hoạt động ổn định, chính xác, đảm bảo tính an toàn khi sử dụng. Thành phẩm sau khi cắt có đường cắt tinh xảo, sắc nét và có độ thẩm mỹ cao. Động cơ bước, mạch điều khiển hoạt động ổn định, chính xác đáp ứng được chế độ làm việc của mô hình.
Phần mềm dễ sử dụng với mọi đối tượng.
Chương trình và phần mềm điều khiển:
Xây dựng chương trình điều khiển máy cắt khắc theo bản vẽ thiết kế
Tính toán các thông số phù hợp với vật liệu gia công.
Tốc độ cắt khắc nhanh Điều chỉnh kích thước hình, tốc độ khắc và độ sâu hình khắc dễ dàng
Máy được thiết kế dạng modun tháo lắp dễ dàng khi vận chuyển đi xa, dễ dàng thay thế khi hỏng hóc, nhỏ gọn, vận hành đơn giản.
Nhóm đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất.
Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ bước, mạch điều khiển, mô đun điều khiển trong hệ thống máy khắc Laser qua Internet
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống chấp hành, hệ thống điều khiển của máy khắc laser thông qua giáo trình.
Tìm hiểu nguyên lý làm việc của đầu khắc laser thông qua tài liệu.
Tính toán lựa chọn các linh kiện phù hợp với đề tài.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thử nghiệm dựa trên quan sát, đo lường đánh giá hoạt động thực tế của mô hình robot khắc laser có trục quay để kịp thời đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp.
CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ MÁY KHẮC LASER
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER KIỂU TRỤC QUAY
Thiết kế hệ thống cơ khí
Nguyễn Đăng Thành ĐạtNgô Quang KhánhGiáp Văn Phượng
Xây dựng chương trình điều khiển
Chương 4: Chế tạo mô hình và đánh giá máy khắc laser có kiểu trục quay
Chế tạo hệ thống điện, điều khiển
TT Tên bản vẽ Khổ giấy
Số lượng SV thực hiện
1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Trần Việt Hưng
2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Ngô Quang Khánh
3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Giáp Văn Phượng
Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm.
Nội dung công việc SV thực hiện
1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung giá đỡ trong mô hình hệ thống
Trần Việt Hưng Nguyễn Đăng Thành Đạt
2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực Ngô Quang Khánh
3 Lập chương trình và thử nghiệm Giáp Văn Phượng
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên hướng dẫn
ThS Nhữ Quý Thơ ĐÁNH GIÁ, NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2023 Giáo viên phản biện
MỤC LỤC Danh mục hình ảnh Danh mục bảng biểu
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY KHẮC LASER 2
1.2 Các vấn đề đặt ra 3
Hệ thống điện, điện tử: 4
Chương trình và phần mềm điều khiển: 4
Phương pháp nghiên cứu lí thuyết 5
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 5
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 6
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÍ THUYẾT VỀ MÁY KHẮC LASER 8
Giới thiệu về máy khắc laser 10
Cấu tạo đầu khắc laser: 11
2.2 Hệ thống chấp hành 14 Động cơ bước 14
2.3 Hệ thống điện, điện tử 17
Phần mềm điều khiển GRBL 26
Phần mềm bố trí và điều khiển LightBurn: 27
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER KIỂU TRỤC QUAY 30
3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí 30
Tính toán và lựa chọn cho phần cơ khí 32
Tính chọn động cơ cho trục x 33
Tính chọn động cơ cho trục z 38
Tính chọn xung phù hợp với máy 41
3.2 Thiết kế hệ thống điện – điều khiển 42
Sơ đồ nối dây giữa động cơ bước và mạch điều khiển động cơ 42
Nối dây cho module điều khiển Laser 43
Sơ đồ nguyên lý làm việc 43
3.3 Xây dựng chương trình điều khiển 47
CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ MÁY KHẮC LASER CÓ
4.1 Chế tạo mô hình hệ thống cơ khí 50
4.2 Chế tạo hệ thống điện, điều khiển 50
Nối dây cho mạch điều khiển MKS DLC32 52
Thiết lập thông số bước cho động cơ bước 54
Phần mềm khắc Laser chuyên dụng Lightburn 55
4.3 Thử nghiệm và đánh giá hệ thống 56
Thử nghiệm 56 Đánh giá 57 Đánh giá đề tài 58 Đánh giá hệ thống 59
4.4 Hạn chế và phương hướng giải quyết 59
Hình 1.1 Máy cắt laser đầu tiên trong lịch sử 2
Hình 1.2 Máy cắt laser trong công nghiệp 4
Hình 1.3 Máy khắc laser với gỗ 6
Hình 2.1 Minh hoạ tia laser 8
Hình 2.2 Mô tả quá trình hoạt động của tia Laser 9
Hình 2.3 Thành phần cấu tạo cơ bản của đầu khắc Laser CO2 11
Hình 2.4 Máy cắt laser fiber 13
Hình 2.5 Máy cắt laser nguồn tinh thể YAG 13
Hình 2.6 Động Cơ Bước Nema17 17HD4401S 14
Hình 2.7 Các bộ phận cấu tạo nên động cơ bước 15
Hình 2.8 Kích thước kỹ thuật động cơ bước 15
Hình 2.9 Trục quay kiểu con lăn 16
Hình 2.10 Công tắc hành trình XSS – 5GL2 17
Hình 2.11 Đầu khắc LASER Diode CV-Laser 18
Hình 2.12 Mạch điều khiển Laser Diode CV-Laser Module 19
Hình 2.13 Hấp thụ năng lượng 19
Hình 2.15 Khuếch đại phát xạ 20
Hình 2.16 Cách hoạt động của diode laser 21
Hình 2.17 Nguồn điện tổ ong 22
Hình 2.18 Module điều khiển CV-Laser 23
Hình 2.19 Mạch điều khiển MKS DLC32 24
Hình 2.20 Sơ đồ chân Mạch điều khiển MKS DLC32 25
Hình 2.21 Màn hình giao diện cảm ứng MKS TS35 26
Hình 2.22 Minh họa về điều khiển GRBL 27
Hình 2.23 Giao diện Phần mềm LIGHTBURN 28
Hình 3.1 Mô phỏng kết cấu khung máy 3D 30
Hình 3.2 Sơ đồ mô phỏng trục X 33
Hình 3.3 Sơ đồ lực trục X 34
Hình 3.5 Thông số kích thước động cơ 36
Hình 3.6 Thông số kĩ thuật đai GT2 36
Hình 3.7 Sơ đồ mô phỏng trục z 38
Hình 3.8 Sơ đồ lực trục Z 38
Hình 3.10 Sơ đồ nối dây module DVR8825 điều khiển động cơ bước 42
Hình 3.11 Module điều khiển Laser 43
Hình 3.12 Nguyên lý hoạt động của hệ thống hệ thống 43
Hình 3.13 Sơ đồ khối hệ thống 44
Hình 3.14 Lưu đồ thuật toán 45
Hình 3.15 Mô phỏng mạch điều khiển bằng Proteus 46
Hình 3.16 Cài đặt MKSLaserTool-setup 47
Hình 3.17 Cài đặt CH340 driver file 48
Hình 3.18 Mở phần mềm và kết nối DLC32 49
Hình 3.19 Cấp tham số DLC32 49
Hình 3.20 Chọn firmware DLC32 để cập nhập 49
Hình 4.1 Mô hình hoàn chỉnh 50
Hình 4.3 Mạch điều khiển hoàn chỉnh 51
Hình 4.4 Giao diện mạch điều khiển MKS DLC32 52
Hình 4.6 Giao điện USB-PC 52
Hình 4.7 Cài vi bước và nối module DRV8825 53
Hình 4.8 Nối dây màn hình với mạch điều khiển 53
Hình 4.9 Nối dây kết nối laser diode với mạch điều khiển 53
Hình 4.10 Nối dây công tắc hành trình với mạch điều khiển 53
Hình 4.11 Thiết lập thông số động cơ bước 55
Hình 4.12 Giao diện phần mềm điều khiển lightburn 55
Hình 4.13 Sản phẩm thử nghiệm của nhóm 56
Hình 4.14 Sản phẩm khắc chữ 57
Bảng 3.1 Cơ cấu của mô hình 3 30Bảng 3.2 Nối chân Pin cho mạch điều khiển động cơ 42Bảng 4.1 Bảng đánh giá độ ổn định của hệ thống 57
Ngày nay, cùng với sự phát triển vô cùng nhanh chóng của khoa học kĩ thuật, con người chúng ta ngày càng đạt được nhiều thành tựu ở hầu khắp các lĩnh vực như sản xuất, y học, công nghệ thông tin, kĩ thuật quân sự…
Robot đã được ra đời và trở thành một công cụ đắc lực và hiệu quả giúp đỡ con người thực hiện rất nhiều công việc từ đơn giản đến phức tạp nhằm giảm thiểu sức lao động chân tay cũng như để giải quyết những công việc mà khả năng con người không thể thực hiện được Đặc biệt là sau đại dịch COVID-19 thì các xí nghiệp lại có nhu cầu lớn về sử dụng Robot trong sản xuất được chú ý hơn nhằm đảm bảo an toàn cho nhân công cũng nhưng nâng cao hiệu xuất sản xuất, tăng độ chính xác trong các dây chuyền sản xuất.
Robot Laser hiện nay đã trở nên thông minh hơn thế hệ robot truyền thống Chúng đóng vai trò ngày càng quan trọng trong sản xuất thông minh, hệ thống vận chuyển thông minh, internet vạn vật, dịch vụ thông minh cắt Laser Trong thời gian tới, robot thông minh sẽ tiếp tục được tích hợp mở rộng nhiều công nghệ tiên tiến nhất như: cộng tác người - robot laser, truyền động tích hợp thông minh, nhận biết cảm xúc, giao diện máy tính - bộ não, mạng dữ liệu lớn, phần mềm sinh học và nền tảng đám mây
Vì những vấn đề nêu ở trên nhóm đã quyết định lựu chọn đề tài của đồ án tốt nghiệp là “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay” Do khả năng và tầm nhận thức còn hạn chế, kinh nghiệm thực tế chưa nhiều, với khối lượng công việc đòi hỏi có sự tổng hợp cao nên thiết kế của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót Mong thầy sẽ đưa ra những góp ý khoa học để chúng em cải thiện trong tương lai.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY KHẮC LASER
Lịch sử ra đời của các loại máy khắc, cắt Laser được đặt nền móng từ khi Albert Einstein dự đoán về hiện tượng “phát xạ kích thích” (phát xạ cảm ứng) Đây là nền tảng cho hoạt động của tất cả tia laser.
Với nền tảng lý thuyết về khả năng phát xạ cảm ứng do Albert Einstein phát hiện vào năm 1917, sau khi trải qua thời gian dài nghiên cứu, đến năm 1960, Maiman đã cho ra đời thành công tia laser hồng ngọc hoạt động được đầu tiên trên thế giới Đến tháng 11/1967, Maiman đã đăng ký thành công bằng sáng chế ra tia laser đầu tiên trên thế giới.
Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương Sao đó 2 năm, người Anh bắt đầu có những thành tựu đầu tiên trong việc cắt kim loại bằng tia laser bằng cách sử dụng hỗ trợ khí oxy
Hình 1.1 Máy cắt laser đầu tiên trong lịch sử
Năm 1970, công nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hang không vũ trụ Sau đó thay vì sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với sự bổ trợ của khí CO2, và từ đó máy cắt laser CO2 ra đời.Máy cắt CO2 được sử dụng để cắt phi kim, vải da,… chứ không thể nào đốt cháy được kim loại Từ đó, với những thí nghiệm mới, với nhiều sự kết hợp, chế tạo khác nhau mà các nhà khoa học đã phát minh ra được nhiều loại máy cat laser hơn, có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với những chiếc máy laser đời cũ Ưu điểm lớn của máy cắt laser so với các công nghệ cơ khí khác là công cụ kẹp phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi Độ chính xác có thể nói là hoàn hảo, tia cũng không bị mòn trong quá trình cắt Máy cắt laser hiện đại giúp giảm cong vênh của vật liệu khi cắt, các hệ thống lase có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ Với kim loại, kim cương và mọt số vật liệu khác sẽ rất khó hoặc không thể cắt được bằng các công cụ truyền thống, đó là lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy hết sức mạnh của nó Hiện nay trên thị trường có 3 nguồn cắt laser chủ yếu là CO2 laser, YAG laser và Fiber laser.
Trên thế giới, ngày nay công nghệ khắc laser được ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử, y học, hàng không vũ trụ, ô tô Một trong số các ứng dụng phổ biến nhất đó là cắt kim loại như vonfram, nhôm, thép, đồng thau hoặc niken Vì laser đem lại vết cắt sạch và hoàn thiện bề mặt mịn Một trong số các ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ khắc laser là trong lĩnh vực phẫu thuật Khi đó, các chùm tia laser sẽ được thay thế dao mổ và sử dụng để làm cắt mô Việc làm này đóng vai trò quan trọng trong các ca phẫu thuật cần đảm bảo độ chuẩn xác cao. Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ khắc laser được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực gia công quà tặng, khắc mã vạch, sản xuất tem mác, … Công nghệ này có thể khắc trên các chất liệu như: kim loại, gỗ, mica, thủy tinh, hợp kim, nhựa.
Nhiệm vụ của nhóm là nghiên cứu, thiết kế thành công ra một máy khắc Laser có kiểu trục quay để có thể gia công trên những vật có dạng trụ tròn với bề mặt cong một cách đơn giản, dễ dàng, nhanh chóng với độ chính xác cao, trên những vật liệu phi kim như giấy, gỗ, nhựa, … dễ dàng sử dụng dành cho cả những người lao động phổ thông Đề tài hoàn toàn có thể sử dụng vào mục đích thương mại hoá trong tương lai.
1.2 Các vấn đề đặt ra
Ngày nay, để đẩy mạnh công nghiệp - hóa hiện đại hóa đất nước, gia công và cơ khí chế tạo đang là lĩnh vực được quan tâm hàng đầu Do đó máy khắc laser được ra
Hình 1.2 Máy cắt laser trong công nghiệp
Một số vấn đề nhóm đặt ra đối với đề tài “Máy khắc laser có kiểu trục quay “như sau:
Thiết kế và chế tạo cơ khí cho máy khắc Laser có cơ cấu chuyển động tịnh tiến và cơ cấu trục giữ phôi có thể chuyển động xoay và thay đổi được kích thước phôi.
Thiết bị lắp đặt một hệ thống cơ khí có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng và thay thế các thiết bị Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lí, vững chắc và hiệu quả cao. Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các thiết bị.
Hệ thống điện, điện tử: Đầu khắc laser hoạt động ổn định, chính xác, đảm bảo tính an toàn khi sử dụng. Thành phẩm sau khi cắt có đường cắt tinh xảo, sắc nét và có độ thẩm mỹ cao. Động cơ bước, mạch điều khiển hoạt động ổn định, chính xác đáp ứng được chế độ làm việc của mô hình.
Phần mềm dễ sử dụng với mọi đối tượng.
Chương trình và phần mềm điều khiển:
Xây dựng chương trình điều khiển máy cắt khắc theo bản vẽ thiết kế
Tính toán các thông số phù hợp với vật liệu gia công.
Tốc độ cắt khắc nhanh Điều chỉnh kích thước hình, tốc độ khắc và độ sâu hình khắc dễ dàng
Máy được thiết kế dạng modun tháo lắp dễ dàng khi vận chuyển đi xa, dễ dàng thay thế khi hỏng hóc, nhỏ gọn, vận hành đơn giản.
Nhóm đã vận dụng nhiều phương pháp nghiên cứu để đạt được kết quả tốt nhất.
Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của động cơ bước, mạch điều khiển, mô đun điều khiển trong hệ thống máy khắc Laser qua Internet
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống chấp hành, hệ thống điều khiển của máy khắc laser thông qua giáo trình.
Tìm hiểu nguyên lý làm việc của đầu khắc laser thông qua tài liệu.
Tính toán lựa chọn các linh kiện phù hợp với đề tài.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Thử nghiệm dựa trên quan sát, đo lường đánh giá hoạt động thực tế của mô hình robot khắc laser có trục quay để kịp thời đưa ra biện pháp giải quyết phù hợp.
Thử nghiệm và đánh giá hệ thống
Sau khoảng thời gian thực hiện nghiên cứu, chế tạo, lắp ráp mô hình đồ án tốt nghiệp đề tài “Máy khắc Laser có kiểu trục quay” dưới sự cố gắng, nhiệt huyết của tất cả thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn cùng với sự giúp đỡ nhiệt tình của Th.S Nhữ Quý Thơ, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và đáp ứng được các yêu cầu đã đề ra và thu được kết quả như sau:
Tìm hiểu được về tổng quan hệ thống máy khắc Laser
Tổng hợp, phân tích và đưa ra giải pháp cho đề tài máy khắc Laser có kiểu trục quay
Xây dựng được mô hình mô phỏng cơ khí và điều khiển cho hệ thống
Xây dựng thành công mô hình cơ khí máy khắc Laser có kiểu trục quay với các mục tiêu đã đặt ra đồng thời nhỏ gọn, có tính thẩm mĩ cao, an toàn, dễ dàng sử dụng Hiểu được nguyên lý hoạt động của toàn hệ thống
Biết vận hành sử dụng, bảo trì, bảo dưỡng, khắc phục sự cố cho hệ thống
Ngoài ra, trong quá trình làm đồ án còn giúp các thành viên nâng cao các kĩ năng làm việc nhóm, nâng cao tinh thần học hỏi điều mới, các kĩ năng mềm là các các nền tàng giúp phát triển sau này
Các sản phẩm sau khi đã tinh chỉnh các thông số
Hình 4.60 Sản phẩm khắc chữ
Sản phẩm khắc nhiều chi tiết phức tạp:
Hình 4.61 Chữ viết, hình nhiều chi tiết Đánh giá
Hệ thống máy khắc laser qua thử nghiệm cho thấy khả năng khắc ra đường nét đều sắc nét
Bảng 4.3 Bảng đánh giá độ ổn định của hệ thống
Tốc độ 100mm/s - Công suất
Tốc độ 60mm/s -Công suất
Tốc độ 20mm/s -Công suất 100% 100% 100%
Sản phẩm 1: Sản phẩm khắc chữ
Sản phẩm 2: Sản phẩm khắc hình
Sản phẩm 3: Sản phẩm khắc hình và chữ Đánh giá đề tài
Máy khắc laser là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay, sự ra đời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội Sự ra đời của máy laser làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn, độ chính xác cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt Máy laser có nhiều chủng loại khác nhau tùy thuộc vào công suất và cơ cấu khác nhau Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy laser đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng vào sản xuất các máy này gặp nhiều hạn chế Đa phần chỉ ở các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu với quy mô sản xuất lớn
Trong một máy khắc Laser thì có rất nhiều phương pháp điều khiển để máy khắc trở nên tự động hóa tốt hơn dễ sử dụng và vận hành Như đã trình bày ở trên, một máy khắc laser có thể đơn giản hoặc phức tạp tùy theo tính năng mà người dùng mong muốn Trong thời gian làm đồ án vừa qua, nhóm đã nghiên cứu cách điều khiển máy khắc Laser để có thể gia công được trên mặt cong
Tìm hiểu cấu tạo của máy khắc Laser
Tìm hiểu các phương pháp điều khiển cho máy
Tìm hiểu và đưa ra giải pháp gia công trên mặt cong với trục quay đồng thời Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian và trình độ nên trong khi làm đồ án tốt nghiệp
Chúng em mong được sự góp ý của các thầy cô và các bạn để có thể xây dựng được một sản phẩm hoàn chỉnh hơn trong tương lại Sản phẩm đó sẽ có nhiều tính năng thông minh hơn, khả năng tự động hóa cao cùng với việc gia công số lượng lớn và sự điều khiển tối ưu hơn để có thể áp dụng vào thực tiễn cuộc sống của chúng ta Đánh giá hệ thống
Môi trường vận hành: Mô hình được vận hành trong môi trường có điều kiện bình thường giống như trong các xưởng gia công chế tạo Khi vận hành vẫn còn xuất hiện một số sai sót:
Khi vận hành thì trục quay đã không hoạt động do việc kết nối dây chưa được chính xác nhóm đã tiến hành khắc phục và chạy thử nghiệm lại thành công
Lựa chọn công suất và tốc độ khắc chưa phù hợp với vật liệu sẽ cho ra sản phẩm với chất lượng chưa được tốt cần thử nghiệm lại nhiều lần để tìm ra thông số tối ưu cho từng loại vật liệu gia công khác nhau Độ nhạy và khả năng đáp ứng của hệ thống
Hệ thống đáp ứng nhanh các yêu cầu được đưa ra, vấn có độ trễ nhưng thời gian ngắn nên không cảm thấy được
Hệ thống có thể hoạt động được liên tục trong thời gian dài vì vậy có thể khắc được các chi tiết có độ phức tạp cao đòi hỏi thời gian gia công lâu
Hạn chế và phương hướng giải quyết
Trong quá trình thực hiện đồ án ngoài những thuận lợi, nhóm cũng gặp phải rất nhiều khó khăn:
Do thời gian và kiến thức hạn chế, chưa có kinh nghiệm nên phần tính toán thiết kế còn sơ sài, chưa thực sự tối ưu và còn nhiều thiếu sót
Các chi tiết cơ khí chưa được tối ưu để ghép nối với nhau vì vậy nhóm đã phải dành rất nhiều thời gian và công sức để khắc phục
Do lần đầu nhóm thực hiện thiết kế và hoàn thiện máy nên với điều kiện còn hạn chế về tài chính cũng như kinh nghiệm chế tạo nên máy còn hoạt động chậm, chưa ổn định với độ chính xác đem lại chỉ ở mức vừa phải
Khả năng ngoại ngữ còn chưa tốt nên việc tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu tiếng Anh chưa đạt được hiệu quả tối đa
Khả năng lập trình chưa tốt nên chưa thể can thiệp sâu vào máy
Tìm hiểu kĩ các tài liệu lý thuyết có liên quan để phần thiết kế và mô hình hóa mô phỏng tốt hơn, tối ưu hơn
Thiết kế được các chi tiết cơ khí chính xác hơn phù hợp để ghép nối cùng các linh kiện khác để việc vận hành được chuẩn xác nhất đồng thời đem lại độ bền cho máy
Tìm hiểu thêm các phương pháp điều khiển khác để lựa chọn ra được phương pháp điều khiển tốt nhất cho máy khắc Laser với các tiêu chí như đơn giản, dễ sử dụng, đem lại hiệu quả tốt nhất
Sử dụng đầu laser công suất lớn có thể gia công được nhiều loại vật liệu khác nhau như kim loại, phi kim… Đầu tư thêm về phần điện tử, giúp máy hoàn thiện hơn, có thể ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, vì đây là máy có tiềm năng….
Tích hợp cánh tay robot để gắp phôi tự động.