báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài máy khắc laser. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài máy khắc laser
Yêu cầu thị trường, công ty, môi trường
Nhu cầu thị trường
Được phát minh từ năm 1960, công nghệ Laser đang ngày càng có những bước tiến lớn trong việc ứng dụng vào sản xuất và cuộc sống Các loại máy cắt laser chuyên dụng trong cắt vật liệu gia công cũng là một sản phẩm cải tiến khi được tích hợp tia laser, mang lại hiệu quả cao cho sản xuất tương tự như máy khắc laser CNC hiện đại Máy khắc laser tự động là một dạng khác của máy CNC Nó phù hợp với định hướng nghiên cứu chung của xã hội vì nó phục vụ theo đúng nhu cầu cuộc sống và có tính ứng dụng cao
Hình 1.1 kết quả khảo sát lượng tiêu thụ máy khắc laser
Hiện nay, nhu cầu khắc lên các vật liệu như kim loại, gỗ, mica, nhựa,… thậm chí là các vật liệu phản quang với độ chính xác cao ngày càng gia tăng Những phương pháp truyền thống như khắc thủ công hoặc in màu thông thường đã không còn đáp ứng đủ nhu cầu sản xuất công nghiệp Chính vì thế mà các nhà sản xuất đã chế tạo ra những chiếc máy khắc laser có khả năng khắc trên nhiều vật liệu khác nhau với độ chính xác cao
Số lượng máy khắc laser thị trường trong nước và quốc tế tiêu thụ
Quốc tế (Triệu máy) Trong nước (Triệu máy)
Máy khắc laser được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và có nhiều ứng dụng và chức năng khác nhau, bao gồm:
➢ Khắc chữ, hình ảnh trên bề mặt vật liệu: Máy khắc laser có thể khắc chữ, hình ảnh trên nhiều loại vật liệu như gỗ, nhựa, kim loại, da, thủy tinh, đá và nhiều vật liệu khác
➢ Cắt vật liệu: Máy khắc laser có thể cắt vật liệu như gỗ, kim loại, nhựa, da, vải và nhiều vật liệu khác
➢ Sản xuất mô hình và khuôn mẫu: Máy khắc laser có thể sử dụng để sản xuất các mô hình và khuôn mẫu với độ chính xác cao
➢ Sản xuất bảng hiệu và quảng cáo: Máy khắc laser có thể sử dụng để sản xuất bảng hiệu, quảng cáo với độ chính xác cao và chất lượng cao
➢ Sản xuất đồ trang trí nội thất: Máy khắc laser có thể sử dụng để sản xuất các sản phẩm trang trí nội thất như tấm vách ngăn, tranh ảnh, tượng trang trí, hộp đựng đồ và nhiều sản phẩm khác
Hình 1.2 Ứng dụng của máy khắc laser trong đời sống
Với tính ứng dụng cao và ngày càng phổ biến của máy khắc laser Chúng tôi đã tiến hành khảo sát trên 100 công ty, doanh nghiệp trong lĩnh vực sản xuất, xuất khẩu các sản phẩm cơ khí và điện tử và đã cho ra kết quả như sau:
Hình 1.3 Mức độ tiếp cận của các doanh nghiệp với máy khắc laser
Từ kết quả khảo sát ta thấy đa số các công ty trong lĩnh vực sản xuất đều đã và đang sử dụng máy khắc laser Chúng tôi tiếp tục khảo sát cung cầu của thị trường máy khắc laser
Hình 1.4 Mức độ đáp ứng số lượng của máy khắc laser cho thị trường Đã từng sử dụng 23% Đang sử dụng 59%
7% Đang có nhu cầu sử dụng 11%
Chưa đủ Chỉ đủ 1 phần Đủ Dư thừa
Tìm kiếm và hình thành ý tưởng
Qua khảo sát và tìm hiểu các loại máy khắc phổ biến trên thị trường và khảo sát khoảng 100 doanh nghiệp chúng tôi có được biểu đồ dưới đây:
Hình 1.5 Các loại máy khắc laser phổ biến
Về tiêu chí, yêu cầu của thị trường và mức đánh giá của họ về hệ thống máy khắc laser được biểu thị theo đồ thị dưới đây
Các loại máy khắc laser trong thị trường
Máy khắc laser fiber Máy khắc laser uv Máy khắc laser CO2
Công suất Nguyên lý Giá thành Tuổi thọ Kiểu dáng
Không quan tâm Quan tâm Ưu tiên
Hình 1.6 Mức độ quan trọng của các tiêu chí khách hàng yêu cầu
Qua khảo sát ta thấy được thứ tự ưu tiên của ác tiêu chí như sau:
Ý tưởng thiết kế máy khắc laser như sau
➢ Kích thước nhỏ gọn: Máy cắt laser được thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian và dễ dàng di chuyển Điều này cho phép người dùng dễ dàng đặt máy trên bàn làm việc hoặc di chuyển đến các vị trí khác nhau nhanh chóng
➢ Độ chính xác cao: Thiết bị nên có khả năng cắt chính xác và mịn, cho phép người dùng thực hiện các công việc cắt chi tiết và chính xác Hệ thống kiểm soát tự động và định vị chính xác có thể được tích hợp để đảm bảo độ chính xác trong quá trình cắt
➢ Giao diện người dùng thân thiện: Máy cắt laser nên có giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng và dễ điều chỉnh Màn hình cảm ứng và các nút điều khiển rõ ràng giúp người dùng tương tác và điều chỉnh các thiết lập một cách dễ dàng
Giá thành Chất liệu Độ ồn Màu sắc Bảo hành
Không quan tâm Quan tâm Ưu tiên
➢ An toàn và bảo vệ: Máy cắt laser cần được trang bị các tính năng an toàn để bảo vệ người dùng Điều này bao gồm bảo vệ khỏi tia laser và thiết kế với cơ chế dừng tức thì khi phát hiện sự cố Ngoài ra, cần có hệ thống làm mát hiệu quả để giảm nguy cơ quá nhiệt
➢ Đa chức năng: Máy cắt laser có thể được thiết kế để cắt các vật liệu khác nhau như gỗ, nhựa, da, vải, và một số kim loại nhỏ Ngoài ra, có thể tích hợp chức năng khắc và đánh dấu để mở rộng khả năng sử dụng
➢ Kết nối và tích hợp: Máy cắt laser có thể được tích hợp với các công nghệ khác như máy tính và máy in 3D Điều này cho phép người dùng dễ dàng tạo và cắt các mô hình, hình ảnh và thiết kế tùy chỉnh
➢ Tính linh hoạt: Máy cắt laser nên được thiết kế để tương thích với các phần mềm CAD/CAM phổ biến, cho phép
1.3.1 Khả năng của công ty
- Sản xuất hàng ngày: Công ty có thể sản xuất 12-15 máy khắc laser trên ngày
- Nguồn nhân lực: Có 700 nhân viên, trong đó có 350 kỹ sư chuyên về cơ khí, điện tử, cơ điện tử và tự động hóa, công ty có sẵn nhân lực chuyên gia để nghiên cứu, phát triển và sản xuất máy khắc laser
- Chi nhánh: Với 3 chi nhánh có quy mô mỗi nhà máy là 10.000 m2, công ty có không gian sản xuất đủ lớn để chế tạo và lắp ráp máy khắc laser
- Tự chế tạo: Công ty có khả năng tự chế tạo một số thành phần của máy khắc laser như khung vỏ máy, giá đỡ
- Sử dụng module có sẵn: Công ty có thể sử dụng các module có sẵn như ốc vít, đai ốc, màn hình hiển thị, động cơ, mạch xử lý trung tâm và các thiết bị phụ như đèn, nút bấm, loa để tích hợp vào máy khắc laser
- Chiến lược phát triển sản phẩm: Tập trung vào nghiên cứu và phát triển, cung cấp các bản dùng thử, ưu đãi cho khách hàng mua sản phẩm và thường xuyên cải tiến để đảm bảo sự dễ dàng sử dụng và hiệu quả cao
- Vòng đời sản phẩm: Công ty có thể định rõ vòng đời của máy khắc laser là
- Cập nhật phiên bản: Công ty có thể cung cấp phiên bản cập nhật máy khắc laser ra thị trường 01 lần mỗi năm
1.3.2 Cấu tạo chung của máy khắc laser
Máy khắc laser cần gồm những bộ phận sau:
- Bộ điều khiển: Đây là bộ phận quản lý và điều khiển hoạt động của máy khắc laser Bộ điều khiển sẽ nhận lệnh từ người dùng và điều khiển các thành phần khác của máy để thực hiện quá trình khắc
- Bộ phát laser: Đây là phần tạo ra tia laser có khả năng khắc chữ, hình ảnh hoặc các đường vẽ trên vật liệu Bộ phát laser thường sử dụng công nghệ laser CO2, diode laser, hoặc fiber laser
- Hệ thống quang học: Đây là bộ phận tập trung điều chỉnh và định hướng tia laser từ bộ phát laser đến bề mặt vật liệu cần khắc Hệ thống quang học bao gồm các ống kính, gương phản xạ và các bộ phận điều chỉnh tia laser
- Máy cơ khí: Bao gồm khung máy và các bộ phận cơ khí khác để duy trì độ chính xác và ổn định của máy trong quá trình khắc Máy cơ khí cũng cung cấp các cơ cấu di chuyển để điều khiển chuyển động của đầu khắc và vật liệu cần khắc
- Hệ thống làm mát: Vì quá trình khắc tạo ra nhiệt lượng cao, máy khắc laser cần có hệ thống làm mát để làm mát bộ phát laser và các thành phần khác
Hệ thống làm mát thường sử dụng nước hoặc hệ thống làm mát khí
Lập kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ
Dưới đây là bảng kế hoạch làm rõ nhiệm vụ và mốc thời gian hoàn thành của nhóm vạch ra và làm theo nhằm đạt được hiệu quả cao nhất trong công việc
STT Thời Gian Nhiệm Vụ
1 15/05/2023 - 30/05/2023 Tìm hiểu và phân tích thị trường
3 08/06/2023 - 15/06/2023 Lên kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ
6 25/07/2023 - 30/09/2023 Thử nghiệm tại công ty
7 30/09/2023 – 01/10/2023 Đưa ra vận hành thử nghiệm dòng sản phẩm alpha
8 01/10/2023 - 15/11/2023 Thu thập thông tin phản hồi từ người dùng thử nghiệm
9 15/11/2023 - 15/12/2023 Sửa chữa, khắc phục lỗi, cải tiến
10 15/12/2023 - 15/1/2024 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm beta
11 15/1/2024 - 30/4/2024 Thu thập thông tin phản hồi và sửa chữa lỗi, tối ưu hóa thiết bị
12 01/04/2022 - 01/06/2024 Sản xuất số lượng lớn và các chiến dịch marketing
13 Từ 01/06/2024 Đưa ra thị trường dòng sản phẩm hoàn thiện và liên tục cập nhật thông tin phản hồi
Thiết lập danh sách yêu cầu
Nhóm 5 Danh sách yêu cầu cho máy khắc laser 20/05/2023
Yêu cầu Chịu trách nhiệm
Chiều cao tổng thể: 500 – 550 (mm) Tiết diện khung máy
- Khung máy phải chắc chắn, chịu được va đập tương đối Động học Động cơ di chuyển trục
- Tốc độ di chuyển: ≥ 50 (mm/s)
- Khoảng cách dịch chuyển trục X: ≥ 900 (mm)
- Khoảng cách dịch chuyển của trục Y: ≥ 1000 (mm)
- Hiệu suất dây đai và pully: 𝜂 >
- Động cơ phải di chuyển chính xác
Trọng lượng tổng thể: 30 – 35kg
- Khối lượng mỗi pully: ≤ 0,03kg
- Khối lượng khung máy: ≤ 17kg
Thiết bị điện Đầu laser công suất ≥ 200 mw
Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện
- Chống ngắn mạch động cơ
- Ngắt điện khi động cơ quá tải Tản nhiệt và làm mát
- Dùng nguồn độc lập cho thiết bị tản nhiệt và làm mát cho đầu laser
- Phải có đèn báo đang hoạt động, đang dừng hay đang lỗi
- Điện cung cấp cho thiết bị báo động có thể lấy từ nguồn tản nhiệt
- Có thiết bị hạn chế quá tải
- Ngăn không cho máy hoạt động khi quá tải
- Tín hiệu đèn và âm thanh khi quá tải
- Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ Nguồn khẩn cấp
- Khởi động tự động khi mất điện
- Phục vụ hệ thống đèn
- Cung cấp điện cho thiết bị báo động
- Khả năng duy trì ít nhất 30phút
- Đơn vị nhập liệu : Yêu cầu thiết lập từ bên ngoài, cấu trúc đơn giản dễ hiểu, dễ chỉnh sửa
- Bộ nhớ : Lưu trữ các lệnh và dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi
- Vi xử lý : Xử lý dữ liệu, tín hiệu, cảm biến, điều khiển toàn bộ hệ thống
- Cảm biến : Nhận tín hiệu từ bên ngoài tác động Đầu ra :
- Thành phần hiển thị : Hiển thị hình ảnh và thông số khắc, các cài đặt liên quan như vị trí khắc, vận tốc, tốc độ, nhiệt độ và cảnh báo
- Tín hiệu điều khiển : Di chuyển chính xác theo vị trí cài đặt
- Tín hiệu điều khiển đầu khắc laser : Hoạt động theo thông số được cài đặt
- Thành phần tản nhiệt : Làm mát cho đầu khắc khắc laser hoạt động trong nhiệt độ cho phép
- Có hệ thống dừng khẩn cấp
- Có hướng dẫn sử dụng an toàn
- Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường
- Có vỏ bảo vệ đầu Laser chống hư hỏng
- Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp
- Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy
- Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn
- Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch
- Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn
- Độ chính xác định vị : ± 0.01 mm
- Thời gian hoặt động liên tục :
- Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng linh kiện nào đổi linh kiện đó (trong vòng
- Hỗ trợ cài đặt phần mềm
- Nâng cấp phần mềm miễm phí khi có phiên bản mới
- Các bộ phận có thể tái sử dụng
- Hệ thống điều khiển có thể lập trình lại
NỘI DUNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ
Xác định các vấn đề cơ bản
Giai đoạn 1: Loại bỏ sở thích các nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh hưởng trực tiếp đến chức năng và các ràng buộc cần thiết
Chiều cao tổng thể: 300 – 550 (mm)
- Chiều rộng: ≥ 1000 (mm) Động cơ di chuyển X & Y
- Tốc độ di chuyển : ≥ 50 (mm/s)
- Khoảng cách di chuyển trục X: ≥ 800 (mm)
- Khoảng cách di chuyển trục Y: ≥ 900 (mm)
- Hiệu suất dây đai và pully:𝜂 > 0,6
Trọng lượng tổng thể: 30 – 35kg
- Khối lượng mỗi pully: ≤ 0,03kg
- Khối lượng khung máy: ≤ 17kg
Thiết bị điện Đầu laser công suất ≥ 200 mw
Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện
- Chống ngắn mạch động cơ
- Ngắt điện khi động cơ quá tải
Tản nhiệt và làm mát
- Dùng nguồn độc lập cho thiết bị tản nhiệt và làm mát cho đầu laser Thiết bị đèn báo
- Phải có đèn báo đang hoạt động, đang dừng hay đang lỗi
- Điện cung cấp cho thiết bị báo động có thể lấy từ nguồn tản nhiệt Kiểm soát quá tải
- Có thiết bị hạn chế quá tải
- Ngắn không cho máy hoạt động khi quá tải
- Tín hiệu đèn và âm thanh khi quá tải
- Mọi thao tác chuyển bị loại bỏ
- Khởi động tự động khi mất điện
- Phục vụ hệ thống đèn
- Cung cấp điện cho thiết bị báo động
- Khả năng duy trì ít nhất 30phút
- Đơn vị nhập liệu : Yêu cầu thiết lập từ bên ngoài, cầu chúc đơn giản dễ hiểu, dễ chỉnh sửa
- Bộ nhớ : Lưu trữ các lệnh và dữ liệu từ các thiết bị ngoại vi
- Vi xử lý : Xử lý dữ liệu, tín hiệu, cảm biến, điều khiển toàn bộ hệ thống
- Cảm biến : Nhận tín hiệu từ bên ngoài tác động Đầu ra :
- Thành phần hiển thị : Hiển thị hình ảnh và thông số khắc, các cài đặt liên quan như vị trí khắc, vận tốc, tốc độ, nhiệt độ và cảnh báo
- Tín hiệu điều khiển : Di chuyển chính xác theo vị trí cài đặt
- Tín hiệu điều khiển đầu khắc laser : Hoạt động theo thông số được cài đặt
- Thành phần tản nhiệt : Làm mát cho đầu khắc khắc laser hoạt động trong nhiệt độ cho phép
- Có hệ thống dừng khẩn cấp
- Có hướng dẫn sử dụng an toàn
- Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường
- Có vỏ bảo vệ đầu Laser chống hư hỏng
- Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp
- Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy
- Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn
- Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch
- Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn
- Độ chính xác định vị : ± 0.01 mm
- Thời gian hoạt động liên tục : 3 – 5 giờ
- Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng linh kiện nào đổi linh kiện đó (trong vòng 6 tháng)
- Hỗ trợ cài đặt phần mềm
- Nâng cấp phần mềm miễm phí khi có phiên bản mới
- Các bộ phận có thể tái sử dụng
- Hệ thống điều khiển có thể lập trình lại
Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành các tuyến bố thiết yếu
Tiết diện khung máy Động cơ di chuyển trục
Trọng lượng tổng thể: 30 – 35kg
Thiết bị: Đầu laser công suất ≥ 200 mw
Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện
Tản nhiệt và làm mát
Tín hiệu Đầu vào : Đơn vị nhập liệu
Tín hiệu điều khiển đầu khắc laser
Có hệ thống dừng khẩn cấp
Có hướng dẫn sử dụng an toàn
Sử dựng vật liệu thân thiện với môi trường
Có vỏ bảo vệ đầu Laser chống hư hỏng
Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp
Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy
Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn
Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch
Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn
Quản lý chất lượng Độ chính xác định vị : ± 0.01 mm
Thời gian hoặt động liên tục : 3 – 5 giờ
Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng link kiện nào đổi link kiện đó (trong vòng 6 tháng)
Hỗ trợ cài đặt phần mềm
Các bộ phận có thể tái sử dụng
Hệ thống điều khiển có thể lập trình lại
Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước
Tiết diện khung máy Động cơ di chuyển trục
Bảo vệ động cơ và các thiết bị điện
Tản nhiệt và làm mát
Tín hiệu Đầu vào : Đơn vị nhập liệu
Tín hiệu điều khiển đầu khắc laser
Có hệ thống dừng khẩn cấp
Có hướng dẫn sử dụng an toàn
Có vỏ bảo vệ đầu Laser chống hư hỏng
Có hệ thống bảo vệ quá dòng, quá áp
Có sách hướng dẫn vận hành và cài đặt máy
Gá, gỡ vật liệu thuận tiện, đơn giản, chắc chắn
Dễ dàng thay thế , lắp đặt các thành phần vào mạch
Kết nối các bộ phận cơ khí, điện chắc chắn, an toàn
Quản lý chất lượng Độ chính xác định vị
Thời gian hoặt động liên tục
Thời gian bảo hành: Tối đa 2 năm phần cơ khí, hỏng link kiện nào đổi link kiện đó (trong vòng 6 tháng)
Hỗ trợ cài đặt phần mềm
Các bộ phận có thể tái sử dụng
Hệ thống điều khiển có thể lập trình lại
Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập trình về giải pháp
Thiết kế mô hình sản phẩm cơ điện tử “Máy khắc chữ Laser”
Thiết lập cấu trúc chức năng
- Khái quát chức năng máy khắc laser
Hình 2 1 Chức năng tổng thể của máy khắc laser
Hình 2 2: Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của máy khắc laser
Hình 2 3: Sơ đồ cấu trúc nhập liệu cho máy khắc laser
- Chức năng bảo vệ hệ thống điện
Hình 2 4: Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện máy khắc laser
Hình 2 5: Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động của trục
Hình 2 6: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát tốc độ động cơ
Hình 2 7: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí máy khắc laser
Hình 2 8: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát quá tải của máy khắc laser
- Kiểm soát nhiệt độ đầu laser
Hình 2 9: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát nhiệt độ của đầu laser
Hình 2 10: Sơ đồ cấu trúc chức năng dừng khẩn cấp
Hình 2 11: Sơ đồ cấu trúc chức năng hút khí
- Kiểm soát cường độ laser
Hình 2 12: Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát cường độ laser
Phân tích nhiệm vụ thiết kế
2 Bảo vệ hệ thống điện
Cầu trì Apomat Mạch bảo vệ
3 Ngắt điện khi quá tải
Cầu trì Cầu dao điện Aptomat
Chuột Bàn phím Màn hình cảm ứng
USB type A USB type B USB type C
Thẻ nhớ Đĩa CD/DVD Ổ cứng
Màn hình LED Màn hình LCD Màn hình
8 Chuyển đổi điện - cơ Động cơ điện xoay chiều Động cơ bước
Bộ giảm tốc bánh răng
Bộ giảm tốc trục vít
Bộ giảm tốc hệ hành tinh
Thanh răng - bánh răng nghiêng
Ray dẫn hướng Khe dẫn hướng
Kiểm soát vị trí Đo vị trí
Màn hình LED Màn hình LCD Màn hình
Khống chế tốc độ Đo tốc độ
Encoder Tốc kế điện tử
Màn hình LED Màn hình LCD Màn hình
20 Điều chỉnh tốc độ Động cơ bước Motor
Kiểm soát quá tải Đo khối lượng Loa Cell nén Cân điện tử Cảm biến trọng lượng
Màn hình LED Màn hình LCD Màn hình
Màn hình Chuông Đèn báo
24 Kiểm soát nhiệt độ đầu
Laser Đo nhiệt độ Cặp nhiệt độ Nhiệt điện trở Thermistor
Màn hình LED Màn hình LCD Màn hình
Màn hình Chuông Đèn báo
Quạt tản nhiệt Peltier (Sò nóng lạnh)
Nút nhấn SOS kim loại
Kiểm soát cường độ laser Đo độ cao vật liệu khắc
31 Điều chỉnh độ cao vật khắc
32 Thay đổi cường độ laser
Núm xoay Bàn phím Màn hình cảm ứng
Bảng 2 1: Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng trong máy khắc laser
Kết hợp các nguyên tắc làm việc
Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng 2.2 Cụ thể nhưng nguyên tắc được ký hiệu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng 2.2 ta có thể thấy có ba biến thể khác nhau được chọn ra tương ứng màu đỏ (biến thể 1), màu xanh (biến thể 2), màu vàng (biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra
Lựa chọn biến thể phù hợp
Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn bảng 2.2), ta được 3 biến thể tiểu biểu :
- 14.1 - 15.2 - 16.3 - 17.1 - 18.2 - 19.3 - 20.1 - 21.3 - 22.3 - 23.1 - 24.1 - 25.3 - 26.3 - 27.1 - 28.1 - 29.2 – 30.3 – 31.2 – 32.1; Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiểu chí để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiểu chí để đánh giá là khác nhau, vì thế có thể bao quát và thấy được mức độ quan trọng của các tiểu trí, ta xây dựng một cây mục tiểu
Trong cây mục tiêu bao gồm những tiểu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiểu chí lớn có những tiểu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trải (W) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiểu chí lớn hơn, số bên phả (W t) là độ quan trọng của tiểu chí đó với tổng thể hệ thống hình (2.12)
Hình 2 13: Sơ đồ cây những tiêu chí đánh giá cho một hệ thống máy khắc laser
Tổng hợp và đánh giá các biến thể
STT Tiêu chí Điểm tiêu chí Điểm đánh giá Biến thể 1
Hệ thống điện an toàn, ổn định
Bảo vệ hệ thống điện
Ngắt khi quá tải 0.03 0.006 0.015 0.009 Chuyển đổi điện - cơ 0.035 0.012 0.023 0.023
Kiểm soát cường độ laser Đo độ cao vật liệu khắc
0.05 0.018 0.02 0.012 Điều chỉnh độ cao đầu laser
Thay đổi cường độ laser
Kết cấu cơ khí hoạt động trơn tru
Khả năng ứng biến linh hoạt
Kiểm soát vị trí Đo vị trí 0.02 0.01 0.01 0.01
Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Điều chỉnh vị trí 0.04 0.03 0.01 0.03
Khống chế tốc độ Đo tốc độ 0.02 0.01 0.01 0.01
Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Điều chỉnh tốc độ 0.04 0.03 0.01 0.01
Kiểm soát quá tải Đo khối lượng 0.02 0.01 0.005 0.005 Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Báo quá tải 0.02 0.01 0.005 0.005
Kiểm soát nhiệt độ đầu laser Đo nhiệt độ 0.02 0.01 0.005 0.005
Báo quá nhiệt 0.02 0.01 0.005 0.005 Tản nhiệt 0.02 0.01 0.01 0.01
Cài đặt vận hành đơn giản
Bộ nhớ 0.025 0.01 0.075 0.075 Hiển thị 0.02 0.01 0.005 0.005 Dừng khẩn cấp 0.05 0.02 0.015 0.015
Bảng 2 2: Điểm đánh giá các biến thể
Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 2 có số điểm đánh giá cao nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 2 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Biến thể 2 do đó đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể
Thiết kế sơ bộ
3.1.1 Tạo sơ đồ hệ thống
3.1.3 Thiết kế layout (Layout thô)
Hình 2 14: Sơ đồ bố trí hình học những bộ phận chính máy khắc laser
Bố trí hình học không gian là một bước quan trọng để hình thành lên các bước phía sa, bước này giống như phác thảo lên hình dạng, kích thước tổng thể của hệ thống 1 cách hợp lý
Sau khi bố trí layout, ta bắt đầu phân chia các nhiệm vụ thiết kế từng bộ phận Chức năng cho các nhóm thiết kế, các nhiệm vụ thiết kế hoàn toàn có thể trùng nhau ở các nhóm thiết kế khác nhau
Việc phân nhóm thiết kế cho các nhóm là yêu cầu tất yếu trong thiết kế do mỗi nhóm có một chuyên môn riêng Thiết kế hệ thống cơ điện tử bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau cùng hợp tác với nhau tạo nên một sản phẩm hoàn chỉnh
Hình 2 15: Sơ đồ phân chia nhiệm vụ cho các nhóm thiết kế
❖ Máy thiết kế bao gồm:
- Nhóm cơ khí: khung, truyền động, dẫn hướng, vị trí đặt các cảm biến, động cơ
- Nhóm cảm biến: Các loại cảm biến: cảm biến khối lượng, cảm biến tốc độ, cảm biến vị trí, cảm biến nhiệt, động cơ điều khiển đầu khắc laser
- Cụm khắc laser: Điều chỉnh cường độ laser, làm mát đầu khắc laser
- Cụm hệ thống điện: Nguồn điện, hệ thống bảo vệ điện, các đường dây đến các thiết bị cần điện
- Cụm điều khiển trung tâm: Điều khiển động cơ, điều khiển nguồn laser, hiển thị, cảnh báo, cáp nạp, Máy tính điều khiển hệ thống
❖ Nguyên lý hoạt động của máy
Khởi động máy và cho phôi, vật liệu khắc vào khuôn làm việc Qua các cảm biến để làm việc an toàn Nhập dữ liệu khắc qua máy tính và điều khiển khắc Đầu khắc laser diode sẽ hoạt động dựa trên 3 bước chính:
- Bước 1: Hấp thụ năng lượng
Diode laser gồm một điểm nối PN là nơi có lỗ trống và chứa electron Khi có điện áp nhất định vào mối nối PN Các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang mức năng lượng cao hơn
Lỗ trống được hình thành tại vị trí ban đầu của electron bị kích thích Các electron ở trạng thái năng lượng cao khi lắp vào lỗ trống sẽ cần thời gian nhỏ Gọi là thời gian tái tổ hợp hoặc thời gian sống ở trạng thái năng lượng cao Thời gian tái hợp là khoảng 1 nano giây với hầu hết các diode laser
Sau thời gian kích thích ở trạng thái năng lượng cao, electron lấp vào các lỗ trống Lúc này electron chuyển từ năng lượng cao xuống mức thấp hơn
Năng lượng chênh lệch tạo thành các bức xạ điện tử hay thành photon Đây là nguyên lý để tạo ánh sáng trong công nghệ khắc laser diode Năng lượng này phát ra bởi sự chênh lệch giữa 2 mức năng lượng
- Bước 3: Khắc laser diode bằng khuếch đại phát xạ Để ánh sáng mạnh cần nhiều photon hơn Bởi vì các photon phát ra từ quá trình tự phát xạ rất ít Do đó gương phản chiếu 1 phần được lắp đặt 2 bên diode Các photon sẽ bị gương phản xạ lại nơi mang PN đến khi chuyển về mức năng lượng cao
Photon phản xạ kích thích electron đang ở mức năng lượng cao khác
Từ đó giải phóng càng nhiều photon cùng pha với photon ban đầu và khuếch đại lên ở đầu ra Khi cường độ vượt quá ngưỡng sẽ thoát ra khỏi gương phản xạ 1 phần Tạo nên ánh sáng đơn sắc.
Thiết kế chi tiết
3.2.1 Thiết kế cụm dẫn động
Lắp ghép 2 đầu linh hoạt:
Hình 2 16: Cách ghép 2 đầu linh hoạt của trục X
Dẫn hướng bằng nhôm định hình Nhôm định hình là những loại nhôm đã qua quá trình xử lý kim loại nhằm phát huy tối đa các đặc tính vật lý của nhôm, phù hợp cho các nhà thiết kế, kỹ sư và nhà sản xuất Nhôm định hình ngày càng được ứng dụng rộng trong các ngành công nghiệp
Lựa chọn nhôm định hình 20x40 cho dẫn động và nhôm định hình 20x20 cho khung
Bảng 2 3: Thông số kỹ thuật nhôm định hình 20 x 40 và 20 x 20
Dây curoa răng cũng là một thiết bị truyền động như các loại dây curoa khác Loại dây này có thiết kế hình răng cưa ở bề mặt pulley Mang lại hiệu quả cao hơn cho các thiết bị, dây chuyền sản xuất Ưu điểm của dây curoa răng:
• Truyền động hiệu quả tới các trục pulley của các động cơ, kể cả những trục ở khoảng cách xa, trong những dây chuyền sản xuất lớn
• Độ bám vào trục pulley tốt hơn các loại dây curoa mặt trơn rất nhiều
• Có thể linh hoạt ứng dụng cho các dây chuyền truyền động khác nhau
• Chịu nhiệt tốt và có thể vận hành liên tục
• Dây có giá thành phải chăng, rất dễ thay thế
Do hệ thống cần vận hành trơn tru, êm ái,… nên ta lựa chọn dây curoa răng tròn Dây curoa tròn đáp ứng đủ yêu cầu của hệ thống
(mm) Độ dày của dây (mm)
Chiều cao răng (mm) Độ rộng răng (mm) Độ rộng dây (mm)
Bảng 2 4: Thông số kỹ thuật dây curoa tròn S3M rộng 6mm
+ Hệ số ma sát trượt: 𝜇 = 0.12
+ Hiệu suất của động cơ: chọn 𝜂 = 0.9
+ Lực cản do ma sát lớn nhất: F = 0,7 N Động cơ bước:
+ Không chổi than: không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò ) có thể gây ra nguy hiểm
+ Tạo được momen giữ: Một số vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được momen tải lớn
+ Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc(khác với servo)
+ Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển Với động cơ bước, tốc độ quay của roto không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay
Hình 2.20: Động cơ bước size 42, 1.8 step
Góc quay mỗi bước 1.8 Độ chính xác góc bước ± 5%
Dòng điện 1.7 A Khối lượng động cơ 280 g
Xoắc giữ 40 N.cm Chiều dài thân 48mm
Momen xoắn 2.2 N.cm Kích thước khung 42x42 mm
Momen roto quán tính 54 g.cm 2 Đường kính trục 5 mm
Bảng 2.5: Thông số kỹ thuật động cơ buwocsc NEMA 17
3.2.2 Thiết kế cụm cảm biến
- Encoder là một bộ cảm biến chuyển động cơ học tạo ra tín hiệu số đồng điệu với chuyển động
- Thiết bị này giúp đo và hiển thị các thông số về tốc độ của máy Trong động cơ thì encoder cũng là một thành phần không thể thiếu Nó giúp chúng ta đọc được tốc độ và vị trí của động cơ nhờ vào các xung vuông có tần số thay đổi phụ thuộc vào tốc độ động cơ Để phù hợp với hệ thống máy khắc laser thì ta chọn encoder tuyệt đối Ưu điểm: Encoder cho biết chính xác vị trí và tốc độ
Thông số kỹ thuật Đường kính trục
Tần số tối đa (kHz) Độ phân giải (P/R)
Bảng 2 6: Thông số kỹ thuật encoder tuyệt đối E50S8
3.2.3 Thiết kế cụm khắc laser Đầu khắc laser Diode này phù hợp cho các loại máy khắc laser , khắc trên các vật liệu như gỗ, mica, da, giấy, nhựa Các máy khắc lasr với đầu diode có thể khắc hình ảnh, chữ, logo,… Nếu muốn sử dụng trực tiếp thì chỉ cần cấp nguồn 12V vào là đầu laser sẽ sáng lên
Sử dụng trực tiếp cho các máy khắc laser hoặc kết hợp với các loại máy khắc để phối hợp tính năng khắc, cắt laser cùng với nhiều tính năng khác Những loại máy móc có thể phối:: Máy CNC, Máy vẽ (Axidraw),… Đầu khắc laser diode này sử dụng jack căm 3 chân: PMW, GND và VCC Có một nút nhân với 2 chết độ on/off Phần đầu của laser cho phép chỉnh độ hội tụ của tia laser Đầu khắc laser có thêm quạt tản nhiệt
Trên đầu laser đã có tính hợp sẵn driver nên nếu sử dụng board điều khiển thì có thể điều chỉnh cường độ đầu laser
Ngoài ra, đầu khắc đã tích hợp cảm biến nhiệt và bộ phận làm mát, tản nhiệt
Hình 2 22: Đầu khắc lasre diode
Thông số kỹ thuật: Điện áp 12V
Bảng 2 7: Thông số kỹ thuật đầu khắc laser diode
3.2.4 Thiết kế cụm hệ thống điện
❖ Bộ cấp nguồn – Nguồn adapter
Thông số kỹ thuật Điện áp vào AC100-240V
46 Điện áp đầu ra DC12V
Dòng đầu ra tối đa 5A
Kích thước vỏ hộp 133 x 58 x 31 mm
Bảng 2 8: Thông số kỹ thuật nguồn adapter 12V/5A
❖ Bảo vệ hệ thống điện
Hệ thống sử dụng nguồn điện nhỏ và công suất nhỏ nên hệ thống bảo vệ điện sử dụng loại aptomat nhỏ để bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Aptomat được dùng như bộ phận ngắt mạch cho toàn bộ hệ thống, hoạt động khi dòng điện trong hệ thống vượt quá mức an toàn để giữ an toàn cho các thiết bị được mắc sau nó Ưu điểm của Aptomat là đóng mở nhanh, tạo ít tia lửa trong quá trình đóng mở, có thể khôi phục trạng thái đóng cắt mà không mất thời gian thay thế như cầu chì
Lựa chọn aptomat tép (MCB) 1P.[2]
Hình 2 24: Aptomat tép LS BKN 1P
Thông số kỹ thuật: Điện áp đầu vào Dòng định mức Dòng ngắn mạch Tần số
Bảng 2 9: Thông số kỹ thuật aptomat tép LS BKN 1P
3.2.5 Thiết kế cụm điều khiển trung tâm
Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm là Board Laser 12V
Tích hợp tất cả các bộ phận:
- Module điều khiển động cơ bước
❖ Lựa chọn module điều khiển động cơ bước
Hình 2 25: Module điều khiển động cơ bước A4988
- Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A
- Cú 5 chế độ: full step, ẵ step, 1/4 step, 1/8 step
- Điều chỉnh dòng ra bằng triết áp
- Tự động ngắt điện khi quá nhiệt
Arduino Uno R3 được xây dựng với phân nhân là Atmega328P sử dụng thạch anh có chu kỳ 16MHz Arduino dùng để giao tiếp giữa máy tính và board mạch điều khiển trung tâm
Hình 2 27: Bảng điều khiển máy khắc laser
- Cổng giao tiếp: Micro USB
- Động cơ được hỗ trợ: Động cơ 42 bước trong vòng 2A 2 pha 4 dây Phần mềm được hỗ trợ: Hỗ trợ phần mềm VIGOTEC, hỗ trợ GRBL
(Nến, EleksCam T2-Laser, Benbox, GrblController, LiteFire và Laser GRBL, v.v.)
- Mục đích chính: Đối với máy thu sóng laser tự làm
- Trục hỗ trợ: Trục XY
Hệ thống điều khiển toàn bộ máy
Hình 2 28: Bản vẽ hệ thống điều khiển toàn bộ máy
3.2.6 Phần mềm điều khiển máy khắc laser
Hệ thống sử dụng phần mềm Benbox
Benboxlà phần mềm giao tiếp điều khiển CNC cho người mới bắt đầu, các bạn có thể dowload phần mềm trên internet với nhiều phiên bản và dễ dàng tìm kiếm Ưu điểm: Dễ sử dụng cho người mới bắt đầu, thao tác đơn giản dễ hiểu
Nhược điểm: Chức năng làm việc còn hạn chế chỉ vẽ, khắc cơ bản kiểu trắng đen
Hình 2 29: Giao diện phần mềm Benbox
Thuật toán điều khiển hoạt động hệ thống
Hình 2 30: Lưu đồ thuật toán hoạt động của hệ thống
3.2.7 Bản vẽ hệ thống trên solidworks
Mô hình tổng thể hệ thống máy khắc laser : Thanh dẫn hướng(1)(2) để dẫn hướng theo trục Y, X Nhận chuyển động từ động cơ bước(3) Đầu khắc laser (4) sẽ tạo tia laser và hệ thống được điều khiển qua bo mạch (5) thông qua máy tính
Hình 2 31: Mô hình máy khắc laser
Các trục được ghép với nhau bằng những tấm gá (6)
Hình 2 32: Tấm gá động cơ và các trục
3.2.8 Bản vẽ 2D mô hình máy khắc laser
Máy khắc laser là một hệ thống có tính ứng dụng cao trong các nhà máy, công ty cũng như mô hình để nghiên cứu Hiểu được điều này, báo cáo “Thiết kế sản phẩm cơ điện tử máy khắc laser” đã được tiến hành tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành giai đoạn thiết kế
Qua nghiên cứu “Máy khắc laser” báo cáo đã trình bày được mô hình trình tự các bước một cách hợp lý để đi vào thiết kế chế tạo máy khắc laser nói riêng và những hệ thống cơ điện tử khác nói chung từ việc phân tích nhiệm vụ thiết kế đến xác định các vấn đề cơ bản của hệ thống, tìm hiểu và xây dựng cấu trúc chức năng để biểu diễn hoạt động của các thành phần và mối quan hệ giữa các thành phần đó Nhiều nguyên tắc làm việc được đưa ra phù hợp với cấu trúc hệ thống vừa xây dựng tạo ra các biến thể hệ thống khác nhau Báo cáo đã trình vày được phương pháp chọn lọc và cân nhắc các biến thể đó để đưa vào thiết kế cụ thể