Sự phát triển công nghiệp hóa hiện đại hóa là một quá trình diễn ra trên toàn thế giới với nhiều nước đang chuyển đổi từ các nền kinh tế nông nghiệp sang nền kinh tế công nghiệp. Trong quá trình này, các nền kinh tế phát triển đang chuyển từ sản xuất các hàng hóa thủ công tới chế tạo sản phẩm với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, tự động hóa và robot. Với sự tốc độ phát triển nhanh của công nghiệp hóa, thì máy móc ngày càng được sử dụng nhiều trong sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa đang diễn ra với tốc độ mạnh mẽ, cùng với đó là sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Với máy CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cùng dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác do con người được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA: CƠ KHÍ - BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY CNC LASER MINI GVHD: Ths.Lê Văn Nghĩa Thành viên nhóm: Hà Nội–Năm 2023 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đặt vấn đề .7 1.1.2 Giới thiệu máy CNC 1.2 Giới thiệu máy cắt khắc laser 1.2.1 Giới thiệu chung máy khắc cắt laser 1.2.2 Lịch sử đời máy cắt laser công nghệ cắt laser 10 1.2.3 Sự phát triển máy cắt, khắc laser 11 1.2.4 Một số máy CNC .12 1.2.5 Những ứng dụng máy cắt khắc laser .14 1.3 Mục tiêu đề tài 15 1.4 Phương pháp nghiên cứu 16 1.5 Ý nghĩa thực tiễn .16 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG .17 2.1 Tranh khắc laser 17 2.1.1 Nguyên lý trình khắc Laser .17 2.1.2 Tổng quan laser 17 2.1.3 Các chế độ hoạt động .18 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm 18 2.2 Cấu tạo máy cnc laser .20 2.2.1 Cấu tạo chung .20 2.2.2 Các phương pháp truyền động dùng cho máy CNC 21 2.2.3 Loại động sử dung máy cnc 23 2.2.4 Băng dẫn hướng 25 2.2.5 Đầu khắc laser .25 2.3 Nguyên lý hoạt động máy CNC 27 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 28 3.1 Lựa chọn đầu khắc laser 28 3.2 Tính tốn trục X 29 3.2.1 Tính chọn vít me đai ốc bi 29 3.2.2 Chọn gối đỡ 32 3.2.3 Chọn động trục X 33 3.2.4 Chọn khớp nối .35 3.2.5 Chọn gối đỡ trục trục trơn dẫn hướng 36 3.3 Tính tốn trục Y 37 3.3.1 Tính tốn vít me bi 37 3.3.2 Tính tốn lựa chọn động 39 3.4 Thiết kế khí 40 3.4.1 Phần mềm SolidWorks 40 3.4.2 Thiết kế khung .41 3.4.2 Các chi tiết khác máy 43 3.5 Thiết kế hệ thống điện .45 3.5.1 Driver 8825 45 3.5.2 Vi điều khiển .47 3.5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch in 49 3.6 Phần mềm điều khiển 52 3.6.1 GRBL 52 3.6.2 Lưu đồ thuật toán 53 3.6.3 Phần mềm Benbox 54 3.6.4 Các bước làm việc với phần mềm Benbox 54 KẾT LUẬN 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mơ hình sản xuất tổ hợp CIM Hình 1.2: Máy cắt khắc laser công nghiệp 10 Hình 1.3: Tia laser tạo từ hồng ngọc 11 Hình 1.4: Máy khắc laser CNC D3040 S1 12 Hình 1.5: Máy CNC 3810 .13 Hình 1.6: Máy CNC laser mini LaserPecker 14 Hình 1.7: Các sản phẩm tạo từ máy cắt laser CNC 15 Hình 2.1: Nguyên lý cắt laser 17 Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý phát laser 17 Hình 2.3: Biên dạng vết cắt với vị trí tiêu điểm 19 Hình 2.4: Sản phẩm cắt khơng áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) có luồng khí bổ trợ (dưới) 20 Hình 2.5: Bộ vít me đai ốc thường 21 Hình 2.6: Bộ vít me đai ốc bi 22 Hình 2.7: Bộ truyền đai 22 Hình 2.8: Động bước 23 Hình 2.9: Động servo 24 Hình 2.10: Thanh ray vng ray trịn .25 Hình 2.11: Laser diode 26 Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc chức máy CNC laser 27 Hình 3.1: Mơ-đun Laser FB03-3000 .28 Hình 3.2: Sơ đồ truyền động trục X 29 Hình 3.3: Đồ thị xác định ứng xuất lớn 32 Hình 3.4: Gối đỡ Liner pillow block SCS8UU .33 Hình 3.5: Động bước NEMA 17 17HS4401 34 Hình 3.6: Kích thước động bước Nema 17 35 Hình 3.7: Khớp mềm trục 4-8 35 Hình 3.8: Gối đỡ trượt SK10 36 Hình 3.9: Trục trơn Phi 10 36 Hình 3.10: Gối đỡ KP08 37 Hình 3.11: Đồ thị xác định ứng xuất lớn 39 Hình 3.12: Phần mềm SolidWorks 41 Hình 3.13: Nhơm định hình 20x20 41 Hình 3.14: Dàn khung cho máy cnc laser .42 Hình 3.15: Ke vng góc 20x20 .42 Hình 3.16: Lắp đặt ke vng góc 43 Hình 3.17: Vật liệu nhựa ABS 43 Hình 3.18: Thiết kế đầu khắc laser 44 Hình 3.19: Thiết kế miếng gá động 44 Hình 3.20: Khung máy cnc laser .45 Hình 3.21: Sơ đồ kết nối DRV8825 47 Hình 3.22: Sơ đồ chân arduino GRBL 48 Hình 3.23: Sơ đồ nguyên lý 50 Hình 3.24: Sơ đồ dây board 51 Hình 3.25: Lớp bottom layer 51 Hình 3.26: Lớp top layer 51 Hình 3.27: Mạch pcb hệ thống điều khiển cnc laser 52 Hình 3.28: Sơ đồ diều khiển máy cnc .52 Hình 3.29: Giao diện phần mềm Benbox 54 Hình 3.30: Update Firmware cho phần mềm 55 Hình 3.31: Nhập thông số cho máy 55 Hình 3.32: Nhập thơng số cho đầu khắc laser 56 Hình 3.33: Lựa chọn mẫu khắc điều chỉnh kích thước .57 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1 12 Bảng 1.2: Thông số máy CNC 3810 .13 Bảng 1.3: Thông số máy CNC laserPecker 14 Bảng 2.1: Tốc độ cắt công suất laser gợi ý cho loại vật liệu 18 Bảng 3.1: đặc điểm kỹ thuật dung của: Mô-đun Laser FB03-3000 .28 Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật động step .34 Bảng 3.3: Các chân chức drv8825 45 Bảng 3.4: Các độ phân giải vi bước drv8825 46 Bảng 3.5: Bảng thông số kỹ thuật Arduino nano .48 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Đặt vấn đề Sự phát triển cơng nghiệp hóa đại hóa q trình diễn toàn giới với nhiều nước chuyển đổi từ kinh tế nông nghiệp sang kinh tế cơng nghiệp Trong q trình này, kinh tế phát triển chuyển từ sản xuất hàng hóa thủ cơng tới chế tạo sản phẩm với hỗ trợ công nghệ thông tin, tự động hóa robot Với tốc độ phát triển nhanh cơng nghiệp hóa, máy móc ngày sử dụng nhiều sản xuất, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa - diễn với tốc độ mạnh mẽ, với xuất máy CNC nhanh chóng thay đổi việc sản xuất cơng nghiệp Với máy CNC đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực lượng lớn thao tác người giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất với máy CNC tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Kỹ thuật tự động CNC giảm thiểu sai sót giúp người thao tác có thời gian cho cơng việc khác Ngồi cịn cho phép linh hoạt thao tác sản phẩm thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, loạt máy CNC kết hợp thành tổ hợp, gọi cell, để làm nhiều thao tác phận Máy CNC ngày điều khiển trực tiếp từ vẽ phần mềm CAM, phận hay lắp ráp trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần vẽ in chi tiết Có thể nói CNC phân đoạn hệ thống robot công nghiệp, tức chúng thiết kế để thực nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn) Dựa ưu điểm máy CNC với phát ngành công nghiệp chế tạo, chúng em định nguyên cứu thiết kế mơ hình máy laser CNC loại nhỏ với chức máy CNC dựa kiến thức học nghiên cứu trường 1.1.2 Giới thiệu máy CNC NC viết tắt từ ”Numerical Control”, hiểu đơn giản điều khiển số, đời với mục đích điều khiển q trình cơng nghệ gia cơng cắt gọt máy công cụ Về thực chất, trình tự động điều khiển hoạt động máy (như máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu chi tiết gia công, kho quản lý phôi sản phẩm ) sở liệu cung cấp dạng mã số nhị nguyên bao gồm chữ số, số thập phân, chữ số ký tự đặc biệt tạo nên chương trình làm việc thiết bị hay hệ thống Máy CNC tên đầy đủ Computer Numerical Control (điều khiển máy tính) Là dạng máy tự động chạy thơng qua thao tác điều khiển máy tính Trong bước cơng việc lập trình tự động giúp cho máy hoạt động liên tục, nối liền bước công đoạn với cách sử dụng chương trình viết ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G Để tạo mẫu vật với tốc độ yêu cầu kỹ thuật xác định từ trước Máy CNC phát triển vào cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 phịng thí nghiệm Servomechanism trường MIT, Massachusetts, Hoa Kỳ Sự xuất máy CNC nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Các đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực hiện, lượng lớn thao tác người thực giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất với máy CNC tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Kĩ thuật tự động CNC giảm thiểu sai sót giúp người thao tác có thời gian cho cơng việc khác Ngồi cịn cho phép linh hoạt thao tác sản phẩm thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, loạt máy CNC kết hợp thành tổ hợp, gọi cell, để làm nhiều thao tác phận Máy CNC ngày điều khiển trực tiếp từ vẽ phần mềm CAM, phận hay lắp ráp trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần vẽ in chi tiết Có thể nói CNC phân đoạn hệ thống robot công nghiệp, tức chúng thiết kế để thực nhiều thao sản xuất (trong tầm giới hạn) Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động chế tạo khí phát triển đạt đến trình độ cao phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt tổ hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm robot cấp phôi liệu vận chuyển, hệ thống đo lường quản lý chất lượng tiên tiến, kiểu nhà kho đại đưa vào áp dụng mang lại hiệu kinh tế đáng kể Hình 1.1: Mơ hình sản xuất tổ hợp CIM 1.2 Giới thiệu máy cắt khắc laser 1.2.1 Giới thiệu chung máy khắc cắt laser Trong kỷ 21, công nghệ phát triển hàng ngày công nghệ tiên tiến cơng nghệ cắt laser Máy cắt, khắc laser trở thành công cụ đắc lực ngành công nghiệp sản xuất gia công Máy cắt, khắc CNC laser thiết bị sản xuất sử dụng công nghệ laser để khắc, cắt đánh dấu vật liệu cách sử dụng chế điều khiển số (CNC - Computer Numerical Control) để điều khiển trình sản xuất Các vật liệu khắc bao gồm gỗ, nhựa, kim loại, thủy tinh, đá, da nhiều vật liệu khác Công nghệ sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất, từ chế tác nghệ thuật, quảng cáo, đồ trang sức đến sản xuất công nghiệp