Báo cáo đồ án môn học cơ điện tử nghiên cứu thiết kế máy cnc laser mini

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘIKHOA: CƠ KHÍ

-BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

TÊN CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨUTHIẾT KẾ MÁY CNC LASER MINI

GVHD:

Thành viên nhóm:

Hà Nội–Năm 2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 7

1.1 Giới thiệu chung 7

1.1.1 Đặt vấn đề 7

1.1.2 Giới thiệu về máy CNC 8

1.2 Giới thiệu về máy cắt khắc laser 9

1.2.1 Giới thiệu chung về máy khắc cắt laser 9

1.2.2 Lịch sử ra đời máy cắt laser và công nghệ cắt laser 10

1.2.3 Sự phát triển máy cắt, khắc laser 11

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm 18

2.2 Cấu tạo của máy cnc laser 20

2.2.1 Cấu tạo chung 20

2.2.2 Các phương pháp truyền động được dùng cho máy CNC 21

2.2.3 Loại động cơ sử dung trong máy cnc 23

2.2.4 Băng dẫn hướng 25

2.2.5 Đầu khắc laser 25

2.3 Nguyên lý hoạt động của máy CNC 27

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 28

3.1 Lựa chọn đầu khắc laser 28

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mô hình sản xuất tổ hợp CIM 9

Hình 1.2: Máy cắt khắc laser công nghiệp 10

Hình 1.3: Tia laser tạo ra 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 3 14

Hình 1.7: Các sản phẩm được tạo ra từ máy cắt laser CNC 15

Hình 2.1: Nguyên lý cắt laser 17

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của bộ phát laser 17

Hình 2.3: Biên dạng vết cắt với từng vị trí tiêu điểm 19

Hình 2.4: Sản phẩm cắt khi không áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) và có luồng khí bổ trợ

Hình 3.5: Động cơ bước NEMA 17 17HS4401 34

Hình 3.6: Kích thước động cơ bước Nema 17 35

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 cơ 44

Hình 3.20: Khung máy cnc laser 45

Hình 3.27: Mạch pcb của 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 thông số cho đầu khắc laser 56 Hình 3.33: Lựa chọn mẫu khắc và 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 3 14

Bảng 2.1: Tốc độ cắt và công suất laser gợi ý cho từng 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 cơ step 34

Bảng 3.3: Các chân chức năng của drv8825 45

Bảng 3.4: Các độ phân giải vi bước của drv8825 46

Bảng 3.5: Bảng thông số kỹ thuật của Arduino nano 48

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Đặt vấn đề

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 (Computer Integrated 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

1.2 Giới thiệu về máy cắt khắc laser1.2.1 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 lý Theodore 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 Ivanovich Alferov 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.

1.2.4 Một số máy CNC

 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 S1Bảng 1.1: Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1

Vùng hoạt động 300x400 (mm) Trục Z điều chỉnh bằng tay

 Máy CNC 3810 (Moving Table)

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.

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 3Bảng 1.3: Thông số máy CNC laserPecker 3

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

1.3 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.

1.4 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 hình 3D 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.

1.5 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.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG 2.1 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

2.1.2 Tổng quan về 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

 Vật liệu

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

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.

 Tiêu cự

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 bổtrợ (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.

2.2 Cấu tạo của máy cnc laser2.2.1 Cấu tạo chung

Nhưng nhìn chung, một máy CNC đều phải có những bộ phận cơ bản gồm 2

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.

Kết cấu điều khiển:

 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

 Truyền đai

Hình 2.14: Bộ truyền đai

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

 Động cơ bước

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 1 cách cẩn thận, kỹ lưỡng Những lá này được bố trí sắp xếp đối xứng với nhau và chia thành từng cặp dễ dàng.

Động cơ bước hoạt động bằng cách chia tín hiệu điều khiển thành nhiều bước tín hiệu, mỗi bước tương ứng với một góc quay cố định của rotor Khi nhận được tín hiệu điều khiển, rotor sẽ quay một góc quay nhất định tương ứng với một bước tín hiệu Quá trình này sẽ tiếp diễn cho đến khi rotor đạt đến vị trí mong muốn.

Ưu điểm của động cơ bước: Động cơ bước có thể di chuyển với độ chính xác cao trong khoảng cách nhỏ, cho phép các hệ thống CNC đạt được độ chính xác cao trong quá trình gia công Động cơ bước có giá thành rẻ hơn so với nhiều loại động cơ khác Điều khiển đơn giản: Động cơ bước được điều khiển bằng cách cung cấp xung điện tử, điều khiển đơn giản và dễ dàng hơn so với các loại động cơ khác.

Nhược điểm của động cơ bước: Khi tốc độ tăng lên, động cơ bước có thể mất bước (step loss) - một hiện tượng mà trục không xoay đúng số bước yêu cầu Điều này có thể gây sai lệch vị trí và làm giảm độ chính xác của máy CNC mini Khi hoạt động ở tốc độ cao Động cơ bước không phù hợp để sử dụng cho các tải nặng hoặc tốc độ cao.

 Động cơ servo

Hình 2.16: Động cơ servo

Servo Motor là động cơ vòng kín sử dụng phản hồi vị trí để điều khiển chuyển động và vị trí cuối cùng của nó Động cơ được kết hợp với một số loại bộ mã hóa vị trí để cung cấp phản hồi vị trí và tốc độ.

Ưu điểm của động cơ servo:

 Độ chính xác cao: Động cơ servo được trang bị các cảm biến vị trí và phản hồi về vị trí của trục, giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình di chuyển.

 Tốc độ nhanh: Động cơ servo có khả năng hoạt động ở tốc độ cao hơn động cơ bước, giúp tăng tốc độ di chuyển của máy CNC mini.

 Độ bền cao: Động cơ servo có tuổi thọ dài hơn động cơ bước và ít hư hỏng hơn trong quá trình sử dụng.

Nhược điểm của động cơ servo:

 Chi phí cao hơn: Động cơ servo có giá thành cao hơn so với động cơ bước, làm tăng chi phí sản xuất của máy CNC mini.

 Khó sử dụng: Động cơ servo có khả năng điều khiển và cấu hình phức tạp hơn so với động cơ bước, yêu cầu kỹ thuật viên có kỹ năng kỹ thuật cao để cài đặt và điều khiển.

2.2.4 Băng dẫn hướng

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X, Y và chuyển động theo trục Z của trục chính Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt.

Thanh trượt (Linear motion) là linh kiện dùng để dẫn hướng, dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và ray trượt Nó hoạt động gần như chính xác và có khả năng chịu tải cực tốt Hai loại thanh ray dẫn hướng phổ biến nhất hiện nay đó là: thanh trượt tròn và thanh trượt vuông Trong mỗi loại, lại được chia ra nhiều dòng, mã, kích thước khác nhau để phù hợp với từng nhu cầu, mục đích sử dụng khác nhau

Hình 2.17: Thanh ray vuông và thanh ray tròn

2.2.5 Đầu khắc laser

Đầu khắc laser là một bộ phận quan trọng trong hệ thống máy khắc laser Nó được sử dụng để tạo ra các chi tiết với độ chính xác cao trên các vật liệu khác nhau bằng cách sử dụng công nghệ laser.

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại laser phục vụ cho công việc cắt, khắc chi tiết chính xác, có thể kể đến công nghệ laser CO2, laser fiber hay laser diode, Sau khi đưa ra các yêu cầu chung như khắc trên vật liệu gỗ, 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 laser diode.

 Diode laser :

Diode laser là một loại laser có cấu tạo tương tự như một diode Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của diode Diode laser hoạt động gần giống với diode phát quang và phát ra ánh sáng kết hợp tất cả các sóng cùng tần số và pha Nó cũng được gọi là đèn diode nội xạ (LD hay ILD).

Hình 2.18: Laser diode

Diode laser có bước sóng khác nhau và dao động từ 405nm – 808nm, thường sẽ sử dụng ở bước sóng 450nm ( laser xanh) Công nghệ khắc laser diode là công nghệ phổ thông nhất.

 Ưu điểm khi sử dung khắc laser diode

- Tạo ra nguồn laser nhỏ, không quá nặng và cồng kềnh Vì vậy có thể dễ dàng áp dụng các máy in 3D hay máy CNC biến thành máy khắc laser.

- Chỉ cần nguồn cấp 12VDC, 7-8A để hoạt động.

- Laser diode có bước sóng dài để khắc các vật liệu phi kim hiệu quả Còn được gọi là laser sợi quang.

- Tiêu thụ năng lượng khá thấp Tuổi thọ cao lên đến 50.000 giờ.

- Hệ thống điều khiển đơn giản dễ sản xuất, chi phí giá thành phù hợp cho sinh viên làm việc và nghiên cứu.

 Nhược điểm khi sử dụng laser diode

- Công suất thấp hơn nhiều so với các công nghệ laser khác.

- Vết khắc hay cắt trên vật liệu phi kim có tính hấp thụ thiệt tốt và cháy tốt như gỗ,da, giấy có thể bị cháy,lem và xấu vết cắt, khắc.

- Tốc độ cắt chậm

- Làm việc kém đối với vật liệu hấp thụ nhiệt kém hay kim loại.

- Đối với các loại laser diode giá thành thấp thì tuổi thọ không được cao, chỉ vài ngàn giờ.

2.3 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

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 3.1 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 FB03-3000Bảng 3.5: đặc điểm kỹ thuật dung của: Mô-đun Laser FB03-3000

Đặc điểm kỹ thuật chung

Chế độ làm mát Rãnh tản nhiệt, Quạt tản nhiệt

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

m = D.V Trong đó:

m là khối lượng của bàn máy

D là khối lượng riêng của nhôm (2700 kg/m3) 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 =12,187 (kg)  Fa = N = 12,187.10=121,87 (N)

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:

Trong đó: K là số vòng ren làm việc K = 2,3  Khe hở hướng tâm:

Xác định được σmax=1700 MPa

 σmax≤[σmax]=5000 MPa (thỏa mãn điều kiện bền)

3.2.2 Chọn gối đỡ

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.