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
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Giới thiệu chung
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.
Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất (trong tầm giới hạn).
Dựa trên các ưu điểm của máy CNC cùng với sự phát trên của ngành công nghiệp chế tạo, chúng em quyết định nguyên cứu thiết kế mô hình máy laser CNC loại nhỏ với các chức năng cơ bản của một máy CNC dựa trên những kiến thức đã được học và nghiên cứu tại trường
1.1.2 Giới thiệu về máy CNC
NC là viết tắt của từ ”Numerical Control”, được hiểu đơn giản là điều khiển số, ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và các sản phẩm ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Máy CNC tên đầy đủ là Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính).
Là một dạng máy tự động chạy thông qua các thao tác điều khiển trên máy tính Trong đó các bước của công việc được lập trình tự động giúp cho máy có thể hoạt động liên tục, nối liền các bước các công đoạn với nhau bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G Để tạo ra được mẫu vật với tốc độ và yêu cầu kỹ thuật được xác định từ trước Máy CNC được phát triển vào cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT, Massachusetts, Hoa Kỳ
Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện 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 Kĩ 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 Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết.
Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn).
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ hợp CIM (ComputerIntegrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các robot cấp phôi liệu và vận chuyển,các hệ thống đo lường và quản lý chất lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại hiệu quả kinh tế rất đáng kể.
Hình 1.1: Mô hình sản xuất tổ hợp CIM
Giới thiệu về máy cắt khắc laser
1.2.1 Giới thiệu chung về máy khắc cắt laser
Trong thế kỷ 21, công nghệ phát triển hàng ngày và một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay đó là công nghệ cắt laser Máy cắt, khắc laser trở thành một công cụ đắc lực trong ngành công nghiệp sản xuất và gia công Máy cắt, khắc CNC laser là một thiết bị sản xuất sử dụng công nghệ laser để khắc, cắt hoặc đánh dấu các vật liệu bằng cách sử dụng một cơ chế điều khiển số (CNC - Computer Numerical Control) để điều khiển quá trình sản xuất Các vật liệu có thể được khắc bao gồm gỗ, nhựa, kim loại, thủy tinh, đá, da và nhiều vật liệu khác Công nghệ này đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ chế tác nghệ thuật, quảng cáo, đồ trang sức đến sản xuất công nghiệp.
Hình 1.2: Máy cắt khắc laser công nghiệp
1.2.2 Lịch sử ra đời máy cắt laser và công nghệ cắt laser
Tia laser được biết đến lần đầu tiên bằng một thí nghiệm tình cờ của nhà vật lýTheodore Maiman, thông qua phương thức chiếu đèn flash công suất cao trên một thỏi ruby với các bề mặt tráng bạc trong căn phòng thí nghiệm Hughes Laboratory tại Malibu,California những năm 1960 Nhờ phát hiện này, các nhà khoa học dần nghiên cứu chuyên sâu thêm, phát hiện ra sẽ có nhiều lợi ích to lớn nếu biết cách tận dụng nguồn tia laser này Tiêu biểu là cuộc nghiên cứu phát triển laser bán dẫn đầu tiên của Roberrt N.Hall năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-asen và tạo tia có bước sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Hay năm 1970, Zhores IvanovichAlferov của Liên Xô cùng Hayashi và Panish của phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển thành công diode laser hoạt động được liên tục trong nhiệt độ phòng Cho đến bây giờ, theo thời gian, tia laser đã trở thành công cụ tuyệt vời khó có thể thiếu trong đời sống trong các ngành sản xuất cơ khí, nghệ thuật, cho đến y học,…
Hình 1.3: Tia laser tạo ra từ hồng ngọc
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 Năm 1970, công nghệ này bắt đầu được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng trong ngành hàng 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 cắt laser hơn, có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với những chiếc máy laser đời cũ.
1.2.3 Sự phát triển máy cắt, khắc laser
Máy khắc laser đã trải qua một sự phát triển đáng kể trong những năm qua Các công nghệ khắc laser đầu tiên được phát triển vào những năm 1960 và được sử dụng đầu tiên để cắt kim loại và làm sạch bề mặt Tình hình nghiên cứu và phát triển máy cắt laser trên thế giới hiện nay đang phát triển mạnh mẽ với sự tham gia của nhiều quốc gia trên thế giới như Trung Quốc, Mỹ, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc, Úc, và nhiều quốc gia khác.Các nhà khoa học và kỹ sư đã tập trung chủ yếu vào việc phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của máy cắt laser Một trong những tiến bộ lớn nhất của máy cắt laser là sự tăng cường độ chính xác và khả năng cắt các vật liệu khác nhau, từ các vật liệu kim loại đến các vật liệu phi kim Máy cắt laser cũng có thể được điều khiển bằng các phần mềm để cắt các hình dạng phức tạp và tối ưu hóa sản xuất
Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất trong công nghiệp máy cắt laser hiện nay là giá thành các thiết bị Vì vậy, hiện nay các nhà thiết kế phát triển sản phẩm đã cho ra đời rất nhiều loại máy CNC laser mini với chi phí thấp, đây giải pháp tối ưu để tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu, tiết kiệm diện tích vận hành cũng như đáp ứng được nhu cầu sản xuất tùy chỉnh cho các doanh nghiệp nhỏ.
Máy khắc laser CNC D3040 S1 (Moving gantry)
Máy laser D3040 được sản xuất với chất liệu kim loại cao cấp, máy có độ chính xác cao đến từng cm Đầu khắc laser chuyển động theo cả 2 trục X và Y Về chức năng máy có thể khắc lên nhiều vật liệu như : khắc laser trên gỗ, mica, cao su, ví da, nhựa pvc đen, cao su xốp vỏ điện thoại di động, thép không gỉ,
Hình 1.4: Máy khắc laser CNC D3040 S1
Bảng 1.1: Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1
Vùng hoạt động 300x400 (mm) Trục Z điều chỉnh bằng tay
Vật liệu khung Nhôm định hình Độ chính xác ±0.01 (mm) Động cơ dẫn trục Step Motor
Phần mềm điều khiển GBRL control
Hệ điều hành hỗ trợ Windows
Máy CNC 3018 Pro là máy công cụ CNC ba trục thu nhỏ trọng lượng nhẹ, giá thấp, rất phù hợp để học lập trình, học khắc ba trục và kiến thức liên quan đến điều khiển số. Đầu khắc laser của máy di chuyển theo hai trục X và Z, bàn máy di chuyển theo trục Y.
Bảng 1.2: Thông số máy CNC 3810
Vật liệu khung Nhôm định hình (phiên bản thường)
Thép (phiên bản cao cấp) Độ chính xác ±0.01 (mm) Động cơ dẫn trục Step Motor
Phần mềm điều khiển GBRL control
Hệ điều hành hỗ trợ Windows
Máy khắc laser mini LaserPecker 3
Máy có thể khắc tốt trên chất liệu vàng, bạc, đồng, nhôm, titanium, thép không gỉ, nhựa, acrylic, nhưng kích thước nhỏ gọn, dễ cài đặt, dễ vận hành Máy sử dụng đầu Galvo như máy khắc fiber giúp tăng tốc độ và độ chính xác Kết cấu nhỏ gọn, không có bộ phận chuyển động tịnh tiến, hoạt động êm ái Sử dụng app trên điện thoại.
Hình 1.6: Máy CNC laser mini LaserPecker 3
Bảng 1.3: Thông số máy CNC laserPecker 3
Tốc độ khắc 6nm/giây-800nm/giây
Hệ điều hành hỗ trợ Android & IOS - Windows & Mac OS
1.2.5 Những ứng dụng của máy cắt khắc laser
Ngày nay, nhu cầu về cắt khắc vật liệu đã trở thành một nhu cầu thiết yếu trong nhiều ngành công nghiệp Trong ngành quảng cáo, các sản phẩm quảng cáo thường được sản xuất từ các vật liệu như nhựa, gỗ, kim loại, thủy tinh, đá granite và nhiều vật liệu khác Các sản phẩm này thường được cắt và khắc để tạo ra các hình ảnh, chữ viết,logo và các mẫu thiết kế khác Trong ngành sản xuất kim loại, các sản phẩm như đồ gia dụng, máy móc và các linh kiện khác thường được sản xuất từ các loại kim loại như thép không gỉ, nhôm, đồng và các hợp kim khác, các sản phẩm này thường được cắt và khắc để tạo ra các hình dáng và kích thước chính xác Bên cạnh các ngành công nghiệp trên, nhu cầu cắt khắc còn được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác như trong y học, giáo dục, nghệ thuật và thậm chí trong các hoạt động thể thao.
Hình 1.7: Các sản phẩm được tạo ra từ máy cắt laser CNC
Mục tiêu đề tài
Nghiên cứu mô hình máy CNC hai trục sử dụng tia laser: Tiếp cận và tìm hiểu về mô hình máy CNC hai trục, trong đó sử dụng tia laser làm công cụ khắc Xác định các ưu điểm và hạn chế của mô hình này trong việc khắc chữ, hình ảnh và mẫu trên các vật liệu khác nhau.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học: Nắm vững các nguyên lý hoạt động của máy CNC và công nghệ khắc laser Nghiên cứu về các thành phần cơ khí quan trọng như bộ điều khiển, trục chính, hệ thống di chuyển và cơ cấu khắc Thiết kế và chế tạo một hệ thống di chuyển chính xác và ổn định cho đầu laser để đảm bảo chất lượng và độ chính xác của quá trình khắc Lựa chọn các vật liệu phù hợp và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật Áp dụng các kiến thức đã học về cơ học, điện tử và điều khiển để một máy khắc laser mini đơn giản, nhỏ gọn và có khả năng khắc các vật liệu như gỗ, da, nhựa, và một số kim loại nhẹ.Tạo ra một giải pháp hiệu quả và giá trị kinh tế cho các cá nhân và doanh nghiệp nhỏ có nhu cầu khắc chữ, hình ảnh và mẫu trên các vật liệu nhỏ và vừa.
Thiết kế, mô phỏng cơ khí trên các phần mềm 3D: Sử dụng các phần mềm thiết kế 3D như SolidWorks hoặc AutoCAD để thiết kế các bộ phận cơ khí của máy khắc laser Mô phỏng hoạt động của máy khắc laser thông qua việc tạo ra các mô hình 3D và thực hiện các kiểm tra chuyển động và tương tác giữa các bộ phận Đảm bảo tính hợp lý và tương thích giữa các bộ phận cơ khí, đồng thời kiểm tra tính khả thi và khả năng hoạt động của mô hình thiết kế.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu hiện trạng của công nghệ khắc laser và các mô hình máy CNC hai trục sử dụng tia laser có sẵn trên thị trường Tìm hiểu các sản phẩm và công nghệ hiện tại, các ưu điểm và hạn chế của chúng, nghiên cứu chất lượng, tính năng, của các sản phẩm này để có cái nhìn tổng quan về thị trường hiện tại.
Phương pháp tham khảo tài liệu: Nghiên cứu và tìm hiểu các tài liệu tham khảo liên quan đến công nghệ khắc laser, tìm hiểu tổng quan về máy CNC, tìm hiểu về nguyên lý hoạt động, cấu trúc và các thành phần quan trọng của máy CNC để có cái nhìn tổng quan về mô hình máy CNC hai trục và hiểu rõ về cách tích hợp công nghệ khắc laser vào mô hình này Ứng dụng các công thức, phương trình và tiêu chuẩn để tính toán và kiểm tra độ bền của các chi tiết và bộ phận trong máy khắc laser mini.
Sử dụng kiến thức và công cụ tính toán, đặc biệt là sự hỗ trợ từ máy tính và phần mềm thiết kế để thực hiện phân tích thiết kế Sử dụng các phần mềm đồ họa và mô phỏng 3D như SolidWorks để tạo ra mô hình máy khắc laser mini và mô phỏng hoạt động và tương tác giữa các bộ phận trong máy khắc laser mini để kiểm tra tính hợp lý và tương thích của các bộ phận cơ khí, hệ thống di chuyển và cơ cấu khắc trên mô hình3D Phương pháp này mang lại độ chính xác tương đối cao và giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình nghiên cứu và phát triển.
Ý nghĩa thực tiễn
Về mặt khoa học, đồ án có ý nghĩa quan trọng trong việc đưa ra một giải pháp đơn giản và có chi phí thấp cho việc vẽ tranh, cắt và khắc các biến dạng phức tạp trên các vật liệu khác nhau Với kết cấu đơn giản, máy khắc laser mini này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc tạo ra các sản phẩm nghệ thuật và cắt chính xác các hình dạng phức tạp trên các vật liệu khác nhau Điều này đáp ứng nhu cầu thực tế của nhiều lĩnh vực như nghệ thuật, công nghiệp và chế tạo sản phẩm.
Về mặt nghiên cứu, đồ án mang ý nghĩa quan trọng trong việc tạo ra một cơ hội cho sinh viên phát triển tư duy và kỹ năng thiết kế sản phẩm Đề tài này giúp sinh viên tiếp cận và áp dụng kiến thức liên quan đến máy CNC, bao gồm các công thức và lý thuyết để giải quyết các vấn đề thiết kế Sinh viên sẽ được đào tạo để xây dựng một hệ thống cơ điện tử thực tế, từ việc lựa chọn linh kiện cho đến việc tích hợp và kiểm tra hoạt động Điều này giúp sinh viên rèn kỹ năng nghiên cứu và phát triển sản phẩm công nghệ, đồng thời khám phá sự ứng dụng thực tế của kiến thức đã học trong quá trình đào tạo.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG
Tranh khắc bằng laser
2.1.1 Nguyên lý quá trình khắc Laser
Laser (Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) – khuếch đại ánh sáng bằng phản xạ kích thích - là một chùm ánh sáng có tính đơn sắc cao, tương đối song song (trực quan) và có tính tập trung năng lượng.
Nhờ tính tập trung năng lượng mà khi điều chỉnh đúng tiêu cự, nhiệt độ tại điểm trên bề mặt gia công rất cao dẫn tới vật liệu bị cháy Sau đó phần phoi này được đẩy ra khỏi chi tiết gia công nhờ luồng khí đồng trục với tia laser Việc này tiếp tục lặp lại với từng điểm sát nhau từ đó tạo ra những đường cắt/khắc Đối với các máy CNC vẽ tranh bằng laser, cụm tia laser là cơ cấu chấp hành và được điều khiển quỹ đạo bằng các việc điều khiển vị trí X, Y, Z,…
Hình 2.8: Nguyên lý cắt laser
Tia laser sinh ra nhờ nguồn photon có được từ môi trường hoạt tính của bộ phát laser Các photon bị phản xạ trong buồng hoạt tính cho tới khi nó tích đủ năng lượng và có hướng chuyển động dọc theo trục quang học, lúc này hạt photon có thể xuyên qua được thấu kính bán trong suốt và góp phần tạo thành tia laser.
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý của bộ phát laser
Trên thị trường hiện nay có 4 loại laser: rắn, lỏng, khí và bán dẫn Các loại laser này chỉ khác nhau bởi môi trường hoạt tính, tùy loại môi trường hoạt tính mà dẫn tới màu sắc và tỷ lệ công suất/giá tiền khác nhau.
2.1.3 Các chế độ hoạt động
Chế độ phát liên tục (CW – Continous Wave): tại đề độ này nguồn laser phát xạ liên tục với công suất hiệu dụng Tuy nhiên điều này dẫn tới nguồn phát mau nóng, gây giảm tuổi thọ môi trường hoạt tính hơn chế độ PO.
Chế độ phát xung (PO – Pulse Operation): chế độ có 2 pha đóng và ngắt Mục đích của chế độ phát xung nhằm nâng cao tối đa hiệu suất cắt, hạn chế hao phí năng lượng do hiện tượng laser cắt vào phôi nhờ vậy cải thiện tuổi thọ nguồn phát.
2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm
Tùy vào loại vật liệu mà ta nên sử dụng tốc độ khắc khác nhau Đối với phôi là nhựa, nếu bề mặt phơi nhiễm laser rộng sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm vì phần phôi nóng chảy kết dính lại vào phôi Còn về các phôi làm từ gỗ, cần có tốc độ khắc hợp lý vì trước khi tới giai đoạn laser bóc tách được vật liệu thì phải qua quá trình bốc hơi.
Bảng 2.4: Tốc độ cắt và công suất laser gợi ý cho từng loại vật liệu
Vật liệu Bề dày (mm) Tốc độ cắt (m/ph) Năng lượng (W)
Bảng 2.1 phía trên cho thấy sự khác nhau về tốc độ, chiều sâu cắt bằng công nghệ laser trên từng loại vật liệu, ta có thể dùng số liệu này để chọn sơ bộ tốc độ khắc ở chương sau.
Tuy nhìn trực quan tia laser khá song song, nhưng thực tế mỗi bộ phát laser đều cho ra chùm tia hội tụ Điểm hội tụ phụ thuộc vào tiêu cự hệ thống thấu kính của mỗi nguồn (có thể tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật) Nếu điểm hội tụ nằm ngay trên bề mặt gia công, chiều sâu gia công cũng như chất lượng bề mặt cải thiện rất nhiều.
Hình 2.10: Biên dạng vết cắt với từng vị trí tiêu điểm
Như ta thấy tại hình 2.9 vết cắt gọn và sâu nhất khi điểm hội tụ nằm ngay trên bề mặt gia công Việc đo được vị trí và duy trì điểm hội tụ nằm đúng vị trí rất quan trọng vì không những cho ra sản phẩm đẹp, nét khắc gọn mà còn tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ nguồn laser.
Nguồn khí bổ trợ Đối với các sản phẩm tranh CNC laser từ gỗ, hoặc có vật liệu nguồn gốc xenlulose việc thể hiện hình ảnh lên mặt phẳng chỉ đơn giản là làm cháy 1 phần nhỏ trên bề mặt Thông thường do đặc tính ẩm nên vết đốt khó lan nếu có quạt tản nhiệt, Tuy nhiên khi chất liệu làm tranh có gốc nhựa, thì tại điểm gia công xuất hiện phần xỉ, để tránh hiện tượng phần xỉ kết dính lại vào phôi, đầu laser cần trang bị luồng khí bổ trợ.
Hình 2.11: Sản phẩm cắt khi không áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) và có luồng khí bổ trợ (dưới)
Về bề mặt gia công
Mặt phẳng: tranh lưu niệm, ký hiệu trên chi tiết máy (bánh răng, đai ốc, gá chi tiết,…) Các hình ảnh có thể nằm ở nhiều vị trí khác về cao độ (so với tọa đồ bàn máy), nhưng mỗi hình ảnh đều cũng ở một độ cao xác định
Mặt cong: tranh ảnh lưu niệm trên bình rượu, trái cây, nhãn hiệu trên các bề mặt cong của máy công nghiệp Để tạo được những sản phẩm có chất lượng tốt đòi hỏi hệ thống điều khiển duy trì khoảng cách giữa điểm hội tụ của tia laser và mặt phẳng tức thời.
Cấu tạo của máy cnc laser
Nhưng nhìn chung, một máy CNC đều phải có những bộ phận cơ bản gồm 2 phần chính:
Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.
Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
Cơ cấu chấp hành thường bao gồm các bộ phận:
Hệ thống truyền động: Là hệ thống chịu trách nhiệm truyền động động cơ đến trục chính thông qua hộp số và các bộ phận khác để thực hiện quá trình khắc và cắt.
Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X,Y
Động cơ: Là bộ phận cơ khí chính trong máy khắc laser, giúp thực hiện các chuyển động cần thiết để di chuyển bộ khắc laser đến các vị trí khác nhau trên bề mặt vật liệu để thực hiện quá trình khắc và cắt.
Bộ phận laser: Tạo ra ánh sáng laser để thực hiện quá trình khắc, cắt hoặc đánh dấu trên vật liệu được gia công.
Bàn máy: Là bộ phận nơi đặt vật liệu cần gia công, bàn máy có thể được thiết kế có thể di chuyển để thuận tiện cho việc lắp đặt vật liệu.
Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit): Được hình thành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào ra và các thiết bị số Nó được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số CNC Lệnh CNC thực hiện bên trong bộ điều khiển sẽ thông báo cho mô tơ chuyển động quay đúng số vòng cần thiết
→trục vit me bi quay đúng số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy và dao Thiết bị phản hồi ở đầu kia của vit me bi cho phép kiểm soát kết thúc lệnh đúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện.
Phần mềm điều khiển (Control Software): Phần mềm điều khiển được sử dụng để lập trình và điều khiển hoạt động của máy CNC.
2.2.2 Các phương pháp truyền động được dùng cho máy CNC
Vít me đai ốc thường:
Hình 2.12: Bộ vít me đai ốc thường
Vít me được gắn đồng trục với động cơ thông qua khớp nối mềm, khi động cơ quay, vít me quay Động cơ và vít me gắn cố định làm cho đai ốc di chuyển dọc trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X Y Z) tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một vòng quay của động cơ sẽ làm cho đai ốc dịch chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương án này là chậm và có độ chính xác khi chuyển động không cao vì có độ rơ của đai ốc Dùng động cơ có bước góc càng nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao.
Một số ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công chi tiết phương án này dùng trong các máy công nghiệp gia công các loại vật liệu cứng có kích thước lớn…
Vít me đai ốc bi:
Hình 2.13: Bộ vít me đai ốc bi
Thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai ốc, các viên bi, vành chặn và rãnh hồi bi Đây là hệ thống truyền chuyển động được gia công một cách chính xác, có nhiệm vụ biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít đai ốc bi Việc tiếp xúc giữa trục vít và đai vít bởi một lớp bi thép có tác dụng giảm triệt để lực ma sát trượt khi chuyển động Điều này đem đến một ưu điểm lớn: chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động Độ chính xác di chuyển cao do không có độ rơ giữa vít me và đai ốc, tuy nhiên khả năng chịu tải của nó kém hơn so với vít me thông thường, Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thành đắt cũng là nhược điểm lớn của vít me bi.
Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền đó là kết cấu của rãnh hồi bi: rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp.
Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền, độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
Rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên đai ốc có ưu điểm là kết cấu gọn và tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó khăn.
Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi
Hai đầu của đai được đặt vừa vào hai puli có cùng kích thước răng với đai Một cái bắt chặt vào trục động cơ, cái còn lại bắt chặt vào trục quay tự do ở phía dọc theo chiều của trục được dẫn động Một phần của đai được gắn chặt với bộ phận của phần trượt Khi động cơ quay toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo các bộ phận đó di chuyển.
Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của puli Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của puli (thường là 20-30mm) Bộ truyền đai có tốc độ di chuyển nhanh hơn rất nhiều tuy nhiên độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể có những sai lệch khi gia công và không chịu được rung do lực cắt sinh ra, lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước hoặc giãn đai.
2.2.3 Loại động cơ sử dung trong máy cnc
Hình 2.15: Động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ đặc biệt được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và cơ khí, bao gồm cả trong máy CNC (Computer Numerical Control). Động cơ bước được sử dụng để điều khiển chuyển động của các trục trong máy CNC, giúp cho quá trình gia công trở nên chính xác và ổn định. Động cơ bước bao gồm 2 thành phần chính đó là Stator và Rotor
Stator: Bộ phận được cấu tạo bằng sắt từ Trên thân, nhiều rãnh nhỏ được thiết kế để đặt cuộn dây dễ dàng.
Rotor: Bộ phận này là nam châm vĩnh cửu Chúng sẽ được sắp xếp chồng lên nhau
Nguyên lý hoạt động của máy CNC
Nguyên lý hoạt động của máy CNC tương tự như chức năng của bộ não con người Nó hoạt động dưới sự điều khiển một máy tính với tín hiệu kỹ thuật số cho nó biết phải làm gì Sau đó, máy tính chuyển tín hiệu kỹ thuật số này thành chuyển động của đầu dao của máy di chuyển dọc theo phôi với tốc độ và hướng cụ thể Đây là một chiếc máy sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính và các hướng dẫn được lập trình để sản xuất các bộ phận ba chiều từ một mô hình kỹ thuật số 2D duy nhất.Máy CNC hoạt động bằng cách sử dụng hệ tọa độ xyz đã được lập trình trong máy bằng phần mềm CAD như AutoCAD hoặc SolidWorks Các tọa độ xyz sau đó được chuyển thành các chuyển động cụ thể trên bộ phận có thể được sử dụng trong thành phẩm.
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc chức năng của máy CNC laser
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Lựa chọn đầu khắc laser
Sau khi đưa ra các yêu cầu chung như khắc trang trí trên các vật liệu gỗ, ván ép, da, công suất không quá cao, tiêu thụ điện năng thấp, giá thành rẻ, nhóm đã đối chiếu với nhu cầu sử dụng và quyết định lựa chọn FB03-3000 3000mW Mô-đun Laser xanh 440nm.
Hình 3.20: Mô-đun Laser FB03-3000 Bảng 3.5: đặc điểm kỹ thuật dung của: Mô-đun Laser FB03-3000 Đặc điểm kỹ thuật chung
Vật liệu tản nhiệt máy bay
Màu dạ quang Màu xanh da trời
Chế độ làm mát Rãnh tản nhiệt, Quạt tản nhiệt
Trọng lượng 117g Điện áp đầu vào DC 12V 2.5A có thể khắc MDF/Balsa/Giấy/Gỗ/Vải/Nhựa/Da/Ván ép/Giấy xốp/Nhôm Anodized không thể khắc Kim loại/Thủy tinh/Đá/Gốm sứ/Thép không gỉ/Vật liệu phản quang/Vật liệu trong suốt
Năng lượng laze 3000mW bước sóng 445nm hình dạng chùm Dấu chấm (Có thể lấy nét)
Giao diện đầu vào XH2.54-3P
Tính toán trục X
3.2.1 Tính chọn bộ vít me đai ốc bi
Vật liệu: Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công
- Vật liệu đai ốc: gang xám
Hình 3.21: Sơ đồ truyền động trục X
Ta có thể tính toán được khối lượng của bàn máy bằng công thức: m = D.V Trong đó: m là khối lượng của bàn máy
D là khối lượng riêng của nhôm (2700 kg/m 3 )
V là thể tích của bàn máy: 0,81.10 -3 (m3)
Khối lượng của bàn máy là: m=D.V=0,81.10 -3 2700 = 2,187 (kg)
Vậy ta có khối lượng bàn máy là 2,187 kg.
Vì trong quá trình gia công thì máy khắc bằng tia laser không sinh ra lực cắt Vì lý như vậy, nên lực dọc trục Fa tác dụng lên bộ truyền là tổng khối lượng bàn máy và phôi.
Ta có khối lượng phôi lớn nhất là 10 (kg)
Tổng khối lượng của bàn máy và phối: M = 10 + 2,187 ,187 (kg)
Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền nén (kéo) [1]
Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me.
Theo điều kiện bền ta có: d 1 = √ π 4,13 ⋅ [ σ k ] (3.1)
Fa là lực dọc trục d1 là đường kính trong của vít me (mm)
Với [ σ ch ]là giới hạn chảy của vật liệu làm vít, đối với trục vít me ở đây được làm từ thép 45 có [ σ ch ]= 360 (MPa) => [ σ k ]0 (MPa) d 1 = √ 4,13 π ⋅ [ σ Fa k ] = √ 4,13 π 120 121,87 = 1,16 ( mm) (3.3)
Chọn d1 = 6 mmChọn các thông số khác của bộ truyền:
Đường kính bi: db = (0,08 ÷ 0,15).d1 = 0,1.6= 0,6 (mm) (3.4) Chọn db = 1,2 (mm)
Bước vít: p = db + (1 ÷ 5) = 1,2+5 = 6,2 (mm) (3.5) Chọn p = 8 (mm)
Bán kính rãnh lăn: r1 = (0,51 ÷ 0,53).db = 0,636 (mm) (3.6)
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi: c= ( r 1 − ⅆ 2 b ) cos ( β )= ( 0,636 − 1,2 2 ) cos ( 45 )=¿ 0,025 (mm) (3.7)
Trong đó : β là góc tiếp xúc.
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: dtb = d1 + 2.(r1 – c) = 7,22 (mm) (3.8)
Đường kính trong của đai ốc:
Chiều sâu của profin ren: h1 = (0,3 ÷ 0,35).db = 0,42 (mm) (3.10) Chọn h1 = 0,5 mm
Đường kính ngoài của vít và đai ốc: d = d1 + 2.h1 = 8 (mm) (3.11)
Góc nâng vít γ : γ= arctag ( π ⋅ p Dtb ) ,42 0 (3.13)
Số bi trong các vòng ren làm việc:
Zb = π Dtb K db − 1 = 42,47 ≈ 43 (viên) (3.14) Trong đó: K là số vòng ren làm việc K = 2,3
Khe hở tương đối: Χ = ∆ d 1 = 7 10 −3 ( mm) (3.16)
Góc ma sát lăn thay thế: φ 1 =arctan ( d 1 2 sin f t β ) =0,135 0 (3.17)
Trong đó: f t là hệ số ma sát lăn =0,005
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: η= tan (γ ) tan ( γ +φ 1 ) =0,99 (3.18) Tính kiểm nghiệm độ bền:
Tải trọng riêng dọc trục: q a = F a
Với λ=0,8 – là hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi
Từ X = 7.10 −3 và q a =2,46 ta khảo sát đồ thị:
Hình 3.22: Đồ thị xác định ứng xuất lớn nhất
Xác định được σ max 00 MPa
σ max ≤ [ σ max ] P00 MPa (thỏa mãn điều kiện bền)
Do yêu cầu của cơ cấu cùng với sự tham khảo các nguồn tài liệu về chọn gối đỡ em đã chọn gối cố định để hạn chế sự dịch chuyển dọc trục theo tiêu chuẩn của hãng SKF.
Với cơ sở để lựa chọn dựa trên đường kính trục vít me và tải trọng dọc trục là chính, em xin chọn gối đỡ Liner pillow block SCS8UU.
Hình 3.23: Gối đỡ Liner pillow block SCS8UU
Thông số tính toán động cơ bước trên trục X:
Hệ số ma sát của giá dẫn hướng: μ= 0,12
Góc nghiêng so với phương ngang: θ=0
Vận tốc cực đại: Vm = 0.2 m/s
Đường kính trục vít me: 8 mm
Độ chính xác của bàn máy ∆ l =0,03 mm /bước
Khoảng cách dịch chuyển: l = 200 mm
Tính toán lựa chọn động cơ bước: [2] Độ phân giải cần thiết của động cơ bước: θ s = 360 ∆ l p b = 1,35 o (3.20)
Số vòng quay động cơ bước:
Momen quán tính do ma sát của thanh dẫn hướng tác dụng lên trục động cơ:
2 π μ m g=1,5 10 −3 ( Nm) (3.22) Momen xoắn do khối lượng lên trục động cơ là:
Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:
Momen tổng cộng tác dụng lên trục động cơ là:
Công suất làm việc của động cơ:
Chọn động cơ bước NEMA17 17HS4401 có thông số như sau:
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật động cơ step
Dòng đỉnh 1.68 A Điện áp 12-24 VDC
Tốc độ xoay tối đa ≥19000 xung/s (2850 rpm)
Kích thước 42x42x40 mm Đường kính trục 5mm
Hình 3.24: Động cơ bước NEMA 17 17HS4401
Hình 3.25: Kích thước động cơ bước Nema 17
Có rất nhiều loại khớp nối để ta lựa chọn cho bài toán này nhưng trên cơ sở tham khảo tài liệu và thực nghiệm từ các hãng sản xuất em xin chọn loại khớp nối là loại khớp mềm trục 4-8, căn cứ theo đường kính trục vít me và đường kính trục động cơ
- Đường kính đầu vào: 4mm
- Đường kính đầu ra: 8mm
3.2.5 Chọn gối đỡ trục và trục trơn dẫn hướng
Có rất nhiều loại trục trơn và gối đỡ thanh trượt để lựa chọn cho sản phẩm này nhưng trên cơ sở tham khảo tài liệu ,từ thực nghiệm thực tế từ các hãng sản xuất và để phù hợp với thông của cơ cấu dẫn hướng vít me đai ốc bi em xin chọn loại gối đỡ thanh trượt SK 10 và trục trơn tròn phi 10 có thông số kỹ thuật như sau:
Hình 3.27: Gối đỡ thanh trượt SK10
Chọn gối đỡ có thông số kỹ thuật như sau:
Tính toán trục Y
3.3.1 Tính toán vít me bi
Sau khi thiết kế mô hình trên phần mềm Solidworks chúng em đã đưa ra được khối lượng tải trên trục Y là 0,508 (kg)
Vì trong quá trình gia công thì máy khắc bằng tia laser không sinh ra lực cắt Vì lý như vậy, nên lực dọc trục Fa là:
Tính toán bộ truyền vít me - đai ốc bi theo độ bền nén (kéo)
Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của vít me.
Với [ σ ch ] là giới hạn chảy của vật liệu làm vít, đối với trục vít me ở đây được làm từ thép 45 có [ σ ch ]= 360 (MPa) => [ σ k ]0 (MPa) d 1 = √ 4,13 π ⋅ [ σ Fa k ] = √ 4,13 π 120 5,08 = 0,24 (mm) (3.27)
Chọn các thông số khác của bộ truyền:
Đường kính bi: db = (0,08 ÷ 0,15).d1 = 0,1.6= 0,6 (mm) (3.28)Chọn db = 1,2 (mm)
Bước vít: p = db + (1 ÷ 5) = 1,2+5 = 6,2 (mm) (3.29) Chọn p = 8 (mm)
Bán kính rãnh lăn: r1 = (0,51 ÷ 0,53).db = 0,636 (mm) (3.30)
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi: c= ( r 1 − ⅆ 2 b ) cos ( β )= ( 0,636− 1,2 2 ) cos (45)=¿ 0,025 (mm) (3.31)
Trong đó : β là góc tiếp xúc
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi: dtb = d1 + 2.(r1 – c) = 7,22 (mm) (3.32)
Đường kính trong của đai ốc:
Chiều sâu của profin ren: h1 = (0,3 ÷ 0,35).db = 0,42 (mm) (3.34) Chọn h1 = 0,5 mm
Đường kính ngoài của vít và đai ốc: d = d1 + 2.h1 = 8 (mm) (3.39)
Góc nâng vít γ : γ= arctag ( π ⋅ p Dtb ) = 19,42 0 (3.42)
Số bi trong các vòng ren làm việc:
Zb = π Dtb K db − 1B,47 ≈ 43 (viên) (3.43) Trong đó: K là số vòng ren làm việc K = 2,3
Khe hở tương đối: Χ = ∆ d 1 = 7 10 −3 ( mm) (3.45)
Góc ma sát lăn thay thế: φ 1 = arctan ( d 1 2 sin f t β ) = 0,135 0 ) (3.46)
Trong đó: f t là hệ số ma sát lăn =0,005
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: η= tan (γ ) tan ( γ +φ 1 ) =0,99 (3.47) Tính kiểm nghiệm độ bền:
Tải trọng riêng dọc trục: q a = F a
Với λ=0,8 – là hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi
Từ X = 7.10 −3 và q a =2,46 ta khảo sát đồ thị:
Hình 3.30: Đồ thị xác định ứng xuất lớn nhất
Xác định được σ max 00 MPa
σ max ≤ [ σ max ] P00 MPa (thỏa mãn điều kiện bền)
3.3.2 Tính toán lựa chọn động cơ.
Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y:
Hệ số ma sát của giá dẫn hướng: μ= 0,12
Đường kính trục vít me: 8 mm
Độ chính xác của bàn máy ∆ l =0,03 mm /bước
Khoảng cách dịch chuyển: l = 200 mm
Hệ số an toàn: s f =3 Độ phân giải cần thiết của động cơ bước: θ s = 360 ∆ l p b = 1,35 o (3.49)
Số vòng quay động cơ bước:
Momen quán tính do ma sát của thanh dẫn hướng tác dụng lên trục động cơ:
2 π μ m g=3 10 −3 (Nm) (3.51) Momen xoắn do khối lượng lên trục động cơ là:
Momen xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:
Momen tổng cộng tác dụng lên trục động cơ là:
T m =( T a + T 1 ) s f = 0,02 ( Nm ) (3.54) Công suất làm việc của động cơ:
Chọn động cơ bước NEMA 17 17HS4401.
Thiết kế cơ khí
SOLIDWORKS là phần mềm thiết kế 3D tham số chạy trên hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1995, được tạo bởi công ty SOLIDWORKS Dassault Systèmes, là một công ty thành viên của tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới Dassault Systèmes, S A (Vélizy, Pháp) Cộng đồng người dùng SOLIDWORKS bản quyền trên thế giới hiện là gần 6 triệu người với khoảng 200.000 doanh nghiệp và tập đoàn.
Phần mềm SOLIDWORKS được biết đến từ phiên bản SOLIDWORKS 1995.Cho đến nay SOLIDWORKS đã có nhiều bước phát triển vượt bậc về tính năng, hiệu suất và khả năng đáp ứng các nhu cầu thiết kế 3D trong các ngành kỹ thuật, công nghiệp SOLIDWORKS còn được phát triển và ứng dụng rộng rãi trong các ngành khác như: đường ống, kiến trúc, nội thất, xây dựng…
ViHoth là đại lý phân phối ủy quyền chính thức của SOLIDWORKS Dassault Systemès từ năm 2011 Với nhiều hoạt động nỗ lực trong việc phát triển cộng đồng người dùng SOLIDWORKS tại Việt Nam, cũng như nền tảng kinh nghiệm tổng hợp về CAD/CAM/CAE/PLM trong các ngành công nghiệp, ViHoth hiện là đối tác uy tín và tin cậy của các doanh nghiệp trong lĩnh vực này.
Sử dụng nhôm định hình 20x20 để làm khung với các ưu điểm như chống oxi hóa trong quá trình sử dụng ngay cả trong điều kiện làm việc khắc nghiệt – Có độ bền cao, và khả năng chịu tải tốt thích hợp ứng dụng làm bàn thao tác cơ khí và bộ phận phụ của băng tải, khung máy…
Từ không gian làm việc của máy khắc laser, chúng em đưa ra được thông số kích thước bao của khung máy và đi đến thiết kế trên phần mềm.
Hình 3.33: Dàn khung cho máy cnc laser
Khung bao gồm 5 thanh NĐH dài 440mm, 2 thanh NĐH dài 370 mm và 2 thanh dài 300 mm.
Các thanh nhôm định hình được liên kết với nhau bởi các ke vuông góc 20x20.
Hình 3.35: Lắp đặt ke vuông góc
3.4.2 Các chi tiết khác của máy
Các chi tiết như hộp lắp module laser, miếng gá động cơ, không có sẵn trên thị trường, nên sẽ phải gia công bằng máy in 3D.
Hình 3.36: Vật liệu nhựa ABS
Thiết kế trên phần mềm SolidWorks:
Hình 3.37: Thiết kế đầu khắc laser
Hình 3.38: Thiết kế miếng gá động cơ
Sản phẩm được thiết kế trên phần mềm:
Hình 3.39: Khung máy cnc laser
Thiết kế hệ thống điện
Mạch điều khiển động cơ bước DRV8825 là một mạch ra chân cho driver điều khiển động cơ bước lưỡng cực DRV8825 của TI Mạch có sơ đồ ra chân và giao điện đồng nhất với Driver điều khiển động cơ bước A4988, nên có thể dùng để thay thế A4988 với hiệu suất cao hơn.
Dòng liên tục trên mỗi pha: 1A~2.5A
Bảng 3.7: Các chân chức năng của drv8825
VMOT & GND Được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ từ 8.2-45V1A, 1B, 2A, 2B Kết nối với 4 cuộn dây của động cơ
DIRECTION Điều khiển chiều quay của động cơ
STEP Điều khiển các bước
M0, M1, M2 Cài đặt các chế độ bước của động cơ
SLEEP Kéo chân này về LOW sẽ đặt trình điều khiển vào chế độ ngủ
ENABLE LOW - Cho phép driver điều khiển động cơ Đầu vào bộ chọn độ phân giải (kích thước bước) (Mode 0, Mode 1, Mode 2) cho phép lựa chọn từ 6 độ phân giải bước theo bảng dưới đây Cả ba đầu vào bộ chọn đều có điện trở 100kΩ bên trong để kéo xuống Vì vậy khi ngắt kết nối ba chân vi bước này thì driver sẽ được đặt ở chế độ “full step” Để chế độ vi bước hoạt động chính xác, giới hạn dòng điện phải được đặt đủ thấp để giới hạn dòng điện được kích hoạt.
Bảng 3.8: Các độ phân giải vi bước của drv8825
Mode 0 Mode 1 Mode 2 Microstep Resolution.
Low Low Low Full step
High Low Low Half step
Hiệu chỉnh dòng cho DRV8825 Đây là bước rất quan trọng, DRV8825 cần được hiệu chỉnh dòng sao cho phù hợp với dòng của loại động cơ sử dụng nhằm tránh tình trạng động cơ bị ồn, nóng, rung từ đó giảm nguy cơ cháy module, giúp tăng tuổi thọ module và động cơ DRV8825 hỗ trợ giới hạn dòng điện và chiết áp trên bo mạch có thể được sử dụng để hỗ trợ giới hạn dòng điện Ta có công thức tính dòng tối đa ra DRV8825 của nhà sản xuất: [3]
RISE (*) Trong đó: Imax là dòng ra tối đa DRV8825
VREF : điện áp tham chiếu ở biến trở của DRV8825
RISE : điện trở ra động cơ
Ta có RISE = 100mΩ= 0.1 Ω thay vào (*) => Imax= VREF.2
Dòng tối đa cho động cơ bước NEMA17 17HS4401 là 1,68A Tuy nhiên chỉ nên đặt dòng ở mức 80% so với Imax
Vậy ta có điện áp tham chiếu của DRV8825 là :
Hình 3.40: Sơ đồ kết nối DRV8825
Arduino Uno là một board mạch vi điều khiển được phát triển bởi Arduino.cc, một nền tảng điện tử mã nguồn mở chủ yếu dựa trên vi điều khiển AVR Atmega328P. Với Arduino chúng ta có thể đơn giản hóa việc lập trình và điều khiển các thiết bị điện tử Nó được thiết kế để giúp người dùng thực hiện các dự án nhanh chóng và dễ dàng hơn bằng cách cung cấp một loạt các tính năng như ngõ vào/ra số và ngõ vào/ra tương tự, một vi điều khiển AVR, giao tiếp USB, điều khiển nguồn và nhiều tính năng khác.
Máy CNC mini hoạt động theo nguyên lý lập trình và sử dụng các bộ điều khiển động cơ để điều khiển chuyển động của các trục Arduino nano cung cấp một nền tảng phần cứng mạnh mẽ cho máy CNC mini với khả năng kết nối và điều khiển nhiều thiết bị khác nhau Nó có thể được sử dụng để lập trình các chương trình điều khiển CNC cho các hoạt động như khoan, cắt, mài và khắc Ngoài ra, được tích hợp các module motor đi vào để điều khiển chuyển động của các trục và các module hiển thị để hiển thị thông tin máy CNC Với Arduino Uno nano, người dùng có thể dễ dàng xây dựng một máy CNC mini tại nhà với chi phí vừa phải.
Hình 3.41: Sơ đồ chân arduino GRBL Bảng 3.9: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino nano
Vi điều khiển ATmega328 (họ 8bit) Điện áp hoạt động 5V – DC
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC Điện áp vào giới hạn 6-20V – DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 8 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 2KB dùng bởi bootloader
3.5.3 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và mạch in
Trên thị trường hiện nay bán rất các mạch điều khiển CNC nhưng giá thành khá cao so với thu nhập của sinh viên nên em đã đi đến ý tưởng xây dựng một mạch điều khiển CNC với giá thành rẻ có thể áp dụng vào việc nghiên cứu học tập Ngoài ra mạch còn có thể sử dụng điều khiển máy CNC tự chế tại các xưởng vừa và nhỏ.
Dựa vào sơ đồ cấu trúc chức năng đã thành lập như hình 2.12, chúng em thiết kế sơ đồ mạch điện theo 6 khối chính:
- Khối power input: Là khối nguồn cung cấp nguồn hoạt động cho laser và động cơ
- Khối step motor: Gồm 2 động cơ thực hiện hai chuyển động theo trục X và Y
- Khối motor drive: nhận tín hiệu điều khiển từ vi xử lý để điều khiển động cơ
- Khối limit swiches: Gồm các công tắc hành trình giới hạn chuyển động của động cơ
- Khối laser: Gồm 1 đầu khắc laser sử dụng nguồn 12V, nhận tín hiệu điều khiển trực tiếp từ vi xử lý
- Khối microcontroller: Là bộ não của máy CNC thực hiện nhiệm vụ xử lý tín hiệu và điều khiển Các khối được nối với arduino theo chuẩn GRBL
Hình 3.42: Sơ đồ nguyên lý
Từ sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển thiết kế ở trên, nhóm đã tạo ra mạch in PCB với mục đích xây dựng được hệ thống điều khiển nhỏ gọn, linh kiện phân bổ gọn gàng, dễ nghiên cứu, theo dõi và có thể sử dụng được trong sản phẩm thực tế
Hình 3.43: Sơ đồ đi dây trên board
Các bước thiết kế mạch in với phần mềm Altium:
- Lựa chọn linh kiện điện tử và đi dây cho mạch nguyên lý ở file Schematic.
- Update mạch nguyên lý vào file PCB.
- Sắp xếp, bố trí linh kiện sao cho hợp lý.
- Hiệu chỉnh và đi dây cho các linh kiện.
Sau khi tiến hành mô phỏng 3D , ta được sản phẩm như hình dưới :
Hình 3.46: Mạch pcb của hệ thống điều khiển cnc laser
Phần mềm điều khiển
GRBL là một phần mềm hoặc chương trình cơ sở nguồn mở cho phép điều khiển chuyển động cho các máy CNC Chúng tôi có thể dễ dàng cài đặt chương trình cơ sở GRBL cho Arduino và vì vậy chúng tôi ngay lập tức có được bộ điều khiển CNC hiệu suất cao, chi phí thấp GRBL sử dụng mã G làm đầu vào và xuất điều khiển chuyển động thông qua Arduino.
Hình 3.47: Sơ đồ diều khiển máy cnc
Khai báo gốc tọa độ, diện 琀ch làm việc, tốc độ hoạt động, tọa độ hiện tại x,y
Chuyển tọa độ thành bước
Chuyển đổi hình ảnh sang Gcode
Di chuyển đến tọa độ gốc
End Đúng Sai Đúng Sai Đúng
Sai Đúng Đúng Sai Đúng Sai
Benbox là phần mềm giao tiếp điều khiển CNC cho người mới bắt đầu, phù hợp cho việc điều khiển máy cnc mức vừa và nhỏ Benbox tối ưu hóa khả năng điều khiển các máy cnc laser sử dụng các dòng board vi điều khiển Arduino bằng cách thay thế các phần mềm thiết kế mẫu khắc, phần mềm điều khiển Arduino Ta có thể sử dụng benbox để trực tiếp nạp mẫu khắc và điều khiển Arduino bằng cách thay đổi firmware trên bo mạch Arduino.
Hình 3.48: Giao diện phần mềm Benbox
3.6.4 Các bước làm việc với phần mềm Benbox
Bước 1: Cài đặt thông số cho phần mềm benbox
Hình 3.49: Update Firmware cho phần mềm
Chọn cổng kết nối giữa máy tính với vi điều khiển (COM10) và chọn loại vi điều khiển là Arduino Nano như hình Tại ô “Choose Firmware”, nhập đường dẫn file
“.hex” có sẵn trong thư mục của phần mềm Ta đã có thể điều khiển hoạt động khắc của Arduino thông qua Benbox.
Hình 3.50: Nhập thông số cho máy
Hình 3.51: Nhập thông số cho đầu khắc laser
Dựa vào sơ đồ chân của Arduino nano theo chuẩn Grbl của firmware để nhập vào thông số cho trục x,y như hình trên STEP X =2 (D2), STEP Y=3 (D3), DIRX=5 (D5),DIR Y=6 (D6) Còn hành trình của X,Y chúng ta không sử dụng đến (Tính toánPPM) Ở phần LASER pin, có 2 sự lựa chọn là D11 và D12 Trong đó chân D12 ra tín hiệu on/off tức chỉ có thể điều khiển laser bật/tắt, còn D11 có thể ra tín hiệu PWM(điều chỉnh tín hiệu TTL từ 0 đến 5V) Giới hạn độ dài bước quay của động cơ ởFEED RATE (mm/min).
Hình 3.52: Lựa chọn mẫu khắc và điều chỉnh kích thước
Tiếp theo, lựa chọn hình ảnh làm mẫu cắt và xác định gốc tọa độ của hình Sau đó căn chỉnh kích thước của hình phù hợp với kích thước mong muốn nhưng phải đảm bảo nằm trong vùng làm việc của đầu khắc laser Lựa chọn chế độ khắc phù hợp với mẫu ở đây là Scan by Z-shaped và khắc liên tục.
Bước 3: Hiệu chỉnh máy lần cuối và tiến hành cắt
Kiểm tra khả năng di chuyển trục x,y của đầu khắc bằng cách sử dụng cụm nút di chuyển trục x,y , kiểm tra xem đầu laser có di chuyển đúng hướng hay lượng dịch chuyển có bằng STEP đã cài hay không.
Kiểm tra khả năng phát sáng của laser sử dụng cụm nút điều khiển laser bằng cách bật/ tắt laser hay điều chỉnh cường độ chiếu sáng của laser lớn nhất hay nhỏ nhất.Ngoài ra dựa vào chiều dày của vật khắc cũng như khoảng cách từ nguồn phát laser đến bề mặt khắc mà ta điều chỉnh tiêu cự của laser bằng núm xoay ở phần đầu.