riêng, đã và đang dần đổi mới bước vào trời kì công nghiệp hóa hiện đại hóa, nước tađang mở rộng việc xây dựng và phát triển các khu công nghiệp, nhà máy, các cơ sởsản xuất… Chính vì thế
TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER
Tìm hiểu về laser
Laser là viết tắt của “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” (khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích) Laser là một thiết bị tạo ra ánh sáng định hướng cao Nó phát ra ánh sáng thông qua một quá trình gọi là phát xạ kích thích làm tăng cường độ ánh sáng Nó là một loại sóng điện từ nằm trong dãy ánh sáng có thể nhìn thấy được Laser mang đặc tính đặc biệt và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong y học, công nghệ sản xuất, khoa học vật liệu và nhiều lĩnh vực khác.
1.1.2 Nguyên lý phát sinh tia laser
Tia laser là một loại ánh sáng đặc biệt có bước sóng rất nhỏ và đồng nhất, có thể tập trung năng lượng cao vào một điểm nhỏ Để tạo ra tia laser, ta cần có một nguồn phát quang (phổ thường là một chất bán dẫn) và hai gương phản xạ đối diện nhau Khi nguồn phát quang được kích thích bởi một nguồn năng lượng bên ngoài (như điện, nhiệt, ánh sáng ) các nguyên tử trong nguồn phát quang sẽ chuyển từ trạng thái năng lượng thấp lên trạng thái năng lượng cao Sau đó, các nguyên tử sẽ quay về trạng thái năng lượng thấp và phát ra ánh sáng có bước sóng nhất định Ánh sáng này sẽ bị phản xạ qua lại giữa hai gương và được khuếch đại dần dần Khi ánh sáng đạt đến một cường độ nhất định, một trong hai gương sẽ cho phép một phần ánh sáng thoát ra và tạo thành tia laser.
1.1.3 Đặc điểm của tia laser
Các đặc điểm của tia laser:
- Sự gắn kết: chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến được phát ra khi các electron bị kích thích (các electron ở mức năng lượng cao hơn) nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn (trạng thái mặt đất) Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser rất kết hợp Vì sự gắn kết này, một lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một không gian hẹp
- Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song, do đó có khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.
- Cường độ cao: trong laser, ánh sáng lan truyền trong vùng không gian nhỏ và trong một phạm vi bước sóng nhỏ Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn khi so với ánh sáng thông thường
- Độ đơn sắc rất cao: tia laser chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất, do đó có cường độ lớn và tần số ổn định.
- Độ phối hợp rất cao: tia laser có các sóng ánh sáng cùng pha với nhau, do đó có tính gắn kết và tương tác mạnh với vật chất.
Tia laser là một loại ánh sáng có đặc tính đặc biệt, được tạo ra bằng cách khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích Tùy thuộc vào môi trường hoạt chất, tia laser có thể được phân loại thành các loại sau:
- Laser rắn: là loại laser dùng các chất rắn như hồng ngọc, thủy tinh thế hay vật liệu thủy tinh để làm môi trường hoạt chất Laser rắn có tính ứng dụng cao và được sử dụng phổ biến hiện nay.
- Laser khí: là loại laser dùng các hỗn hợp khí như heli-neon, carbon dioxide hay nitơ để làm môi trường hoạt chất Laser khí có thể tạo ra tia laser có bước sóng dài và cường độ cao, thích hợp cho việc cắt, hàn hay đo lường.
- Laser chất lỏng: là loại laser dùng các dung dịch hữu cơ hay nước để làm môi trường hoạt chất Laser chất lỏng có thể tạo ra tia laser có bước sóng ngắn và biến thiên được, thích hợp cho việc nghiên cứu quang học hay y sinh.
- Laser bán dẫn: là loại laser dùng các linh kiện bán dẫn như điốt laser để làm môi trường hoạt chất Laser bán dẫn có kích thước nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, giá thành rẻ Laser bán dẫn đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta thích hợp cho việc truyền thông cáp quang hay lưu trữ dữ liệu
1.1.5 Ứng dụng của tia laser
Laser là một thiết bị quang học tạo ra chùm ánh sáng đơn sắc cường độ cao bằng cách phát ra bức xạ kích thích Ánh sáng laser khác với ánh sáng thông thường Nó có các thuộc tính độc đáo khác nhau như sự kết hợp, đơn sắc, định hướng và cường độ cao Do những đặc tính độc đáo này, laser được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.
Các ứng dụng tia laser:
- Laser trong thông tin liên lạc
- Laser trong các ngành công nghiệp
- Laser có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và công nghệ, như công nghệ hoá học, vật liệu bán dẫn, chế tạo vật liệu kim loại, gia công vật liệu, năng lượng, topography và y tế.
- Laser có thể được sử dụng để cắt, khoan, hàn, khắc, đo lường, truyền thông và điều trị các bệnh lý.
- Laser có thể phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, từ cực tím đến hồng ngoại, tùy thuộc vào loại vật liệu kích thích và cơ chế phát xạ kích thích.
- Laser được phát minh vào năm 1960 dựa trên nguyên lý của maser, một thiết bị phát ra tia vi sóng.
Công nghệ khắc laser
Máy khắc laser là loại máy sử dụng các chùm tia laser hội tụ tại một điểm trên bề mặt vật liệu làm gia tăng năng lượng đốt cháy điểm cần tác động Từ đó sinh ra nhiệt, với các bước sóng khác nhau để khắc trên các bề mặt kim loại hay phi kim như: Gỗ, đồng, nhôm, sắt, inox, da Hiện nay các loại máy khắc laser thường được kết nối trực tiếp và chịu sự điều khiển của hệ thống máy tính Các phần mềm máy tính chuyên dụng sẽ điều khiển hệ thống máy khắc giúp máy khắc làm việc theo lập trình được thiết lập sẵn Từ đó để khắc hình ảnh, khắc họa tiết, khắc hoa văn theo mọi yêu cầu của khách hàng Các file khắc đều được thiết kế trên các phần mềm đồ họa như: corel, Photoshop, autocad.
Công nghệ khắc laser hiện nay được ứng dụng trong các lĩnh vực gia công như: quà tặng, sản xuất nhãn mác, khắc mã vạch Và nó được dùng để khắc laser trên các chất liệu như: gỗ, nhựa, mica, da, thủy tinh…
Hình 1 5 Sử dụng công nghệ khắc laser trên vật liệu kim loại
Ưu điểm của công nghệ khắc laser
Độ chính xác cao: với những chi tiết nhỏ, khó gia công hay khắc hoa văn phức thì công nghệ khắc laser vẫn được đảm bảo chính độ chính xác Bởi máy laser thường hoạt động trên một phần mềm điều khiển, đã được lập trình sẵn sẽ tránh được những sai sót không đáng có.
Có thể gia công được nhiều vật liệu khác nhau: sử dụng hình thức này không chỉ gia công trên vật liệu kim loại như inox, đồng, chất liệu sắt, kẽm, thép hay nhôm mà nó còn có thể gia công trên chất liệu phi kim như gỗ, giấy, vải hay mica…
Khả năng tự động hóa và độ linh hoạt cao: gia công chính xác tuyệt đối, khắc được cả những chi tiết cầu kỳ, độ phức tạp cao, vật liệu có độ dày hay mỏng Có thể tạo ra rất nhiều sản phẩm giống nhau nhờ khả năng làm việc theo tần suất lặp đi lặp lại nhiều lần Chất lượng gia cao đem lại hiệu quả cao, những đường cắt đẹp, không bị răng cưa, độ sắc nét và tính chính xác cao chính là điểm cộng cho loại gia công này.
Hình 1 6.Ứng dụng công nghệ khắc trên mica có độ chính xác cao
Một số công nghệ khắc laser phổ biến hiện nay
Hiện nay có rất nhiều phương pháp khắc chi tiết lên bề mặt vật liệu Bài viết này chúng tôi sẽ giới thiệu đến các bạn một số công nghệ khắc laser phổ biến.
1.4.1 Công nghệ khắc laser Fiber Đây là phương pháp khắc sử dụng các tia sáng được khuếch đại và truyền đi qua hệ thống cáp quang để truyền dữ liệu Các chùm ánh sáng này sẽ được kéo thẳng và hội tụ tại một điểm trên ống kính lên bề mặt phôi khắc.
Phương pháp khắc này thường được sử dụng cho các chất liệu kim loại tấm hoặc kim loại thông thường Nó mang đến những lợi ích tuyệt vời cho người dùng.
Hình 1 7 Máy khắc laser Fiber
Fiber laser chính là laser sợi quang, nó là một biến thể của laser thể rắn, được hình thành từ sự kết hợp giữa sợi cáp quang với các nguyên tố hiếm như: ytterbium, erbium, dysprosium, neodymium.
Khi có ánh sáng chiếu vào từ các diode laser thì các nguyên tố đất hiếm cấu tạo nên sẽ phát ra tia laser bên trong sợi cáp quang và những ánh sáng này được dẫn thẳng đến đầu cắt laser để chốt cháy vật liệu mà không cần thông qua các gương phản xạ.
1.4.3 Ứng dụng của máy cắt laser Fiber
- Ứng dụng trong trang trí nội thất, ngoại thất: máy cắt laser fiber có thể tạo ra những sản phẩm tính thẩm mỹ cao với những đường nét hoa văn và họa tiết cực đẹp như: vách ngăn, cầu thang, lan can, tranh cắt cnc, sản phẩm trang trí trong nhà và các chi tiết cầu kỳ khác
- Ứng dụng trong ngành cơ khí chế tạo: cắt laser fiber có thể tạo ra các chi tiết theo những khuôn mẫu tinh xảo với chất lượng sản phẩm tốt và độ chính xác cao Những sản phẩm tạo ra sẽ đúng yêu cầu bản vẽ của người thiết kế.
- Ứng dụng trong sản xuất thiết bị công nghiệp, thiết bị y tế, chế tạo ô tô: phương pháp cắt fiber laser dễ dàng tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao, gia công được những chi tiết phức tạp mà khó có loại máy nào làm được.
- Ứng dụng trong ngành xây dựng: loại máy cắt fiber laser có thể gia công được kim loại tấm, cắt ống nên sản phẩm của máy được ứng dụng nhiều trong xây dựng.
Hình 1 8 Ứng dụng cắt họa tiết trên thép tấm
1.4.4 Công nghệ khắc laser CO2
Máy khắc laser CO2 là loại máy hoạt động bằng năng lượng CO2 được vận hành thông qua nguồn điện để cung cấp luồng sáng có chất lượng cao Laser CO2 sẽ tạo ra một bề mặt cắt đẹp, mịn hơn khi sử dụng để khắc vật liệu có độ dày lớn Công nghệ laser CO2 này được đánh giá là mang lại nhiều lợi ích tuyệt vời cho người dùng.
Hình 1 9 Máy khắc laser CO2
1.4.4.1 Nguyên lý làm việc của máy laser CO2
Máy cắt laser CO2 sử dụng nguồn điện để chuyển hóa khí CO2, N2 và He thành năng lượng Nó tạo ra năng lượng proton dưới dạng sóng bức xạ và tạo thành tia laser. Các tia laser mang năng lượng hội tụ tại một điểm để làm cho vật liệu gia công bị nóng chảy Nhờ vậy mà quá trình gia công kim loại trở nên đơn giản và chính xác hơn Căn cứ vào yêu cầu của sản phẩm tạo ra mà người vận hàng máy có sự điều chỉnh độ cắt nông sâu cho phù hợp Tia laser CO2 thường có bước sóng dao động trong khoảng từ
9 – 11 micromet Năng lượng của nguồn phát laser này là từ một vài chục W đến hàng ngàn KW Nguồn laser CO2 thường được đặt trong ống kính liền khối
1.4.4.2 Ứng dụng của máy cắt laser CO2
Dùng laser CO2 để cắt kim loại: đây là một ứng dụng phổ biến và được dùng nhiều nhất Rút ngắn thời gian gia công, ít tốn nhân lực và công sức con người Giá thành khi sử dụng phương pháp gia công kim loại này cũng rẻ hơn những cách khác rất nhiều. Ứng dụng trong thủ công mỹ nghệ và trang trí nội thất: các loại quà tặng, quà lưu niệm thường được cắt khắc hoa văn, tạo nên sự tinh tế và độc đáo bằng máy cắt laserCO2 Có thể ứng dụng công nghệ laser này để cắt khắc trên các vật liệu như gốm,mica, thủy tinh, kim loại, vải Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp phụ trợ: in logo,
Hình 1 10 Cắt họa tiết inox bằng máy cắt laser CO2
1.4.5 Công nghệ khắc laser Surface Removal Đây là phương pháp khắc laser công nghiệp pháp triển từ công nghệ khắc sáng tối Nó làm bong tróc bề mặt ngoài vật liệu tạo ra vết khắc có màu sắc của lớp vật liệu chính bên trong Các lớp phủ ngoài thường là sơn tĩnh điện hay phôi kim loại đặc biệt. Lớp phủ sau khi cắt sẽ dễ dàng được tách ra tạo nét khắc như mong muốn mà không ảnh hưởng vật liệu chính bên trong Công nghệ này có thể khắc được trên nhiều loại vật liệu khác nhau, như kim loại, nhựa, gỗ, da, thủy tinh
Với nhiều ứng dụng khắc xử lý bề mặt hiệu quả thông dụng hơn các công nghệ truyền thống Các phương pháp khắc laser công nghiệp đã tạo nên bước đột phá mới và được hầu hết nhà sản xuất, doanh nghiệp tin tưởng sử dụng.
Hình 1 11.Phương pháp khắc bóc lớp bề mặt (Surface Removal)
1.4.5.1 Ưu điểm của công nghệ khắc laser Surface Removal:
- Có thể khắc được trên nhiều loại vật liệu khác nhau, từ kim loại, nhựa, gỗ cho đến thủy tinh, pha lê.
- Tạo nên những sản phẩm có độ chính xác và tinh xảo cao, với những chi tiết nhỏ và sắc nét.
- Không gây ra tiếng ồn hay bụi bẩn trong quá trình khắc, bảo vệ sức khỏe người lao động.
- Tiết kiệm thời gian và chi phí so với các phương pháp khắc truyền thống.
- Nhược điểm của công nghệ khắc Laser Surface Removal:
- Cần có máy khắc laser chuyên dụng và đắt tiền để thực hiện công nghệ này.
- Có thể gây ra hiện tượng cháy hoặc biến dạng vật liệu do nhiệt độ cao của tia laser.
- Cần có kỹ thuật viên có kinh nghiệm và kỹ năng để điều chỉnh máy khắc laser cho phù hợp với từng loại vật liệu.
1.4.5.2 Ứng dụng của công nghệ khắc Laser Surface Removal:
- Khắc laser trên các sản phẩm điện tử, như điện thoại, máy tính, thiết bị âm thanh để tạo ra nhãn hiệu, thông tin kỹ thuật hoặc mã vạch.
- Khắc laser trên các sản phẩm y tế, như dụng cụ phẫu thuật, thiết bị chẩn đoán, ống tiêm để đảm bảo an toàn và chất lượng.
- Khắc laser trên các sản phẩm quà tặng, quà lưu niệm, trang sức để tạo ra những họa tiết độc đáo và cá tính.
- Khắc laser trên các sản phẩm công nghiệp, như linh kiện ô tô, máy bay, máy móc để tăng độ bền và chống ăn mòn.
- Khắc laser trên các sản phẩm nghệ thuật, như tranh khắc kim loại, gỗ để tạo ra những tác phẩm sáng tạo và đẹp mắt.
Hình 1 12 Công nghệ khắc Laser Surface Removal trên linh kiện ô tô
1.5 Công nghệ khắc laser Color Change
Phương pháp này được thực hiện dựa trên quy trình Cacbon hóa hoặc tạo bọt trên các vật liệu Dẫn đến sự hấp thụ chùm tia laser trên bề mặt vật liệu và tạo ra hiệu ứng sẫm màu và ấn tượng hơn màu gốc của vật liệu khắc Phương pháp này có thể tạo ra được nhiều màu sắc khắc đẹp theo các đặc điểm tự nhiên của vật liệu Phương pháp khắc đổi màu vật liệu cho phép tạo ra các nét khắc có màu sắc đẹp và bắt mắt hơn hẳn, có thể được xóa trong bóng tối, phương pháp này cho phép tạo ra nhiều màu sắc khắc rất đẹp theo đặc điểm của vật liệu.
Hình 1 13 Công nghệ khắc laser đổi màu
Cấu tạo và cách hoạt động chung của các loại máy khắc laser
1.6.1 Các hệ thống chuyển động
Máy cắt bằng tia laser có trang bị đầu dò quang học bao gồm 3 trục X, Y, Z và được điều khiển thông qua hệ thống cảm biến Các đầu dò quang học có nhiệm vụ duy trì, kiểm soát đường cắt của chùm tia laser trên toàn bộ đường bao làm việc.
Máy cắt bằng tia laser chuyển động sử dụng hệ thống bàn / phôi Hệ thống chuyển động này tương tự như hệ thống chuyển động của các máy kết hợp laser / bắn thủng Độ dài đường quang không thay đổi, các chùm tia quang học di chuyển theo trục Z và tập trung thành điểm để theo dõi bề mặt trên toàn bộ đường bao làm việc. Máy cắt laser kết hợp giữa hệ thống chuyển động đầu dò quang học và hệ thống chuyển động bàn/phôi Phôi sẽ chuyển động chạy dọc theo trục X và đầu dò quang học chuyển động theo trục Y, Z Sự kết hợp giữa 2 phương thức chuyển động khiến cho độ dài đường quang học được giới hạn trong hành trình trục Y.
3D-laser với một gantry năm trục gia công các hình dạng hoặc đóng dấu sản phẩm Đây gần như là phương pháp cắt kim loại tiêu chuẩn để phát triển nguyên mẫu máy tự động Nó có thể có một hình bao làm việc rất rộng, toàn bộ kích thước máy.
1.6.2 Hệ thống phân phối chùm tia
Các hệ thống laser YAG được đánh giá cao bởi việc sử dụng phân bố chùm sợi quang linh hoạt Sợi quang đảm bảo độ dài sợi quang không thay đổi Hai loại được sử dụng là sợi quang chỉ số bước và sợi quang chỉ số phân cấp, cái sau đảm bảo chùm tia tập trung cao hơn Đối với việc sử dụng cắt kim loại công nghiệp với hệ thống YAG multikilowatt, đường kính sợi có sẵn trên thị trường có độ rộng trung bình là 0,6 - 1mm Đường kính sợi nhỏ hơn 0,6 mm đang hướng tới thị trường.
Sợi quang linh hoạt cho chùm tia laser CO2 bước sóng 10,6 m không có sẵn trên thị trường Sự phát triển trong các vật liệu sợi 10,6 m khác nhau đang được tiến hành và có thể bắt đầu với hệ thống năng lượng thấp Các hệ thống ống dẫn sóng trông có vẻ hứa hẹn cho bước sóng 10,6 m, nhưng không bao giờ mang lại sản phẩm công nghiệp cho các hệ thống laser CO2 multikilowatt Thay vào đó, sự phát triển công nghệ đã tăng tốc trong 15 năm qua đã mang lại các hệ thống phân phối chùm tia giúp duy trì sự ổn định của quá trình trên toàn bộ hình bao công việc (Haas 2002)
Công nghệ Bifocal sử dụng các hệ thống phân phối chùm tia mang lại hai độ dài tiêu cự khác nhau Một phần của chùm tia laser kết thúc được tập trung ở một vị trí khác với phần còn lại (Nielsen 1998), do đó tạo ra nhiều hơn một mật độ năng lượng tối ưu dọc theo trục quang Công nghệ như vậy cho phép tốc độ cắt nhanh hơn và tiêu thụ khí hỗ trợ hiệu quả hơn, đặc biệt đối với cắt laser áp suất cao, khí hỗ trợ nitơ.
Hình 1 15 Laser YAG diode trực tiếp thách thức laser CO 2 và laser YAG được kích hoạt bằng đèn flash 1.6.3 Hệ thống chuyển động
Các hệ thống chuyển động đang chuyển đổi từ động cơ servo truyền thống với trục quay sang công nghệ động cơ tuyến tính Động cơ servo truyền mô-men quay thành chuyển động tuyến tính bằng cách kẹp một vít bi Động cơ tuyến tính sử dụng sự tương tác giữa hai vectơ từ trường để tạo ra lực và chuyển động tuyến tính Vì khớp nối được thực hiện trực tiếp bằng tương tác từ trường, không có tiếp xúc vật lý giữa các bộ phận chuyển động Nó mang lại ít ma sát và phản ứng mạnh mẽ, tăng tốc và khả năng truyền tải nhanh nhanh hơn Kết quả là độ nét cao và độ chính xác cao hơn của các biên dạng phức tạp tại tốc độ cao và ít bị mài mòn hơn
Từ khi ra đời đến nay kĩ thuật laser đã không ngừng phát triển với tốc độ rất nhanh Các loại laser đã ngày càng chứng tỏ được những ưu thế vượt trội trong nhiều lĩnh vực: khoa học công công, y học, đại chất Với nhu cầu ứng dụng rộng rãi, laser đã được phát triển rộng rãi, đa dạng và kĩ thuật chế tạo laser cũng ngày càng hoàn thiên hơn.
Bộ cộng hưởng quang học là một trong những bộ phạn quang trọng của laser Đó là một cấu trúc cơ-quang trong đó các thành phần quang học được bố trí sao cho một chùm ánh sáng có thể lưu chuyển thành một hành trình khép kín
1.6.5 Kỹ thuật tự động hóa
Các phần mềm CAD/CAM phát triển nhanh chóng khi các loại vật liệu dần trở nên giống hệt nhau và phù hợp với một tiêu chuẩn phổ quát hơn Các phần mềm này chuyển đổi thiết kế chi tiết thành phần mềm sản xuất, cung cấp các chức năng dành riêng cho laser như lập trình dòng máy, điều khiển vòng lặp, công suất đầu ra và gia công xử lý góc đỉnh Cùng với nhau, phần mềm và tự động hoá xử lý vật liệu mang lại các quy trình sản xuất đa dạng
Laser kích hoạt bằng diode trực tiếp
Laser YAG được sử dụng bằng kích hoạt flash
Bước sóng 0.8 10,6 μmm 1,06 μmm μmm
Công suất trung bình 4kW 4kW 2kW 2kW
Chất lượng cắt thấp Cao Trung bình Trung bình
Bộ phân phối chùm tia
Sợi quang Gương Sợi quang Sợi quang Điện thế của hệ thống 0.7m
Bảng 1 1 Laser YAG diode trực tiếp thách thức laser CO 2 và laser YAG được kích hoạt bằng đèn flash
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHI TIẾT CỦA MÁY KHẮC LASER
Thiết kế, mô phỏng máy trên phần mềm 3D
Quá trình thiết kế chế tạo máy khắc laser được vẽ và mô phỏng 3D trên phần mềm Solid Works 2020.
Hình 2 1 Mô phỏng máy trên phần mềm Solidwork 2020
Tính toán, thiết kế phần cơ khí
Quá trình thiết kế, tính toán, mô phỏng dựa trên phần mềm 3D theo ý tưởng của nhóm khung máy có các kích thước như sau (chưa bao gồm kích thước động cơ) : dài
*rộng*cao X0*520*270 Ở một máy khắc Laser thông thường gồm có 2 động cơ bước đến 3 động cơ bước: 1 động cơ trục X, 1động cơ trục Y, 1 động cơ trục Z.
Kết cấu khung trục X của máy khắc laser: được chia làm 2 vùng
- Vùng chết: là phạm vi mà đầu khắc không thể di chuyển tới do va chạm cơ khí.
Qua quá trình tính toán thiết kế chiều dài tổng thể của trục X= 418mm, kích thước đầu khắc laser khi lắp ráp đầy đủ linh kiện là 80mm Tại vùng chết, dựa vào mô phỏng trên Solidwork, ta có thể tính toán, lựa khoảng cách cho vùng chết là 14mm Để từ đó ta có thể tính được phạm vi làm việc an toàn của máy (là khoảng cách của vị trí tâm đầu khắc khi ở tận cùng bên trái với khi tâm đầu khắc ở tận cùng bên phải) bằng 285mm Phần khung trục X của máy bao gồm những bộ phận sau:
- Con lăn, thanh trượt và dây đai
- Giá đỡ đầu khắc và động cơ
Hình 2 2 Cơ cấu khung trục X
Kết cấu khung trục Y của máy khắc laser:
Khung trục Y có chiều dài 526mm bao gồm: động cơ bước, giá đỡ động cơ, con lăn, thanh trượt và dây đai Vùng hoạt động an toàn (tính từ tâm đầu khắc theo chiều dọc) bằng 395mm
Hình 2 3 Cơ cấu khung trục Y
Thanh trượt được sử dụng thanh nhôm định hình có kích thước 20x40mm
Material (nguyên liệu) Aluminium (nhôm)- 6063-T5
Kích thước 2 lỗ trục Phi 4
Bảng 2 1 Bảng thông số kĩ thuật
2.2.2.2 Đặc điểm của thanh nhôm định hình Được làm từ nhôm nguyên chất cùng với lớp hoàn thiện anodized giúp bề mặt nhôm luôn sáng bóng, có độ thẩm mỹ cao, đồng thời có thể chịu được áp lực cao, tránh được các hiện tượng như cong vênh hay giãn nứt.
Bề mặt được Anot hóa màu trắng bạc giúp sản phẩm có tính thẩm mỹ cao và kèm theo khả năng chống oxi hóa, cùng với khả năng chịu tác động của thời tiết Bên cạnh đó, khả năng chống tĩnh điện cũng cực kỳ tốt, do đó bạn hoàn toàn có thể yên tâm khi sử dụng sản phẩm.
Là sản phẩm tuyệt vời cho bảo vệ máy, thùng loa âm thanh, băng ghế làm việc, giá treo bảng điều khiển, màn hình, khung 3D CNC, khung in 3D hoặc bất kỳ sản phẩm nào yêu cầu vẻ ngoài sạch sẽ, thẩm mỹ
2.2.2.3 Nguyên lý làm việc của thanh trượt
Thanh trượt (Linear motion) là linh kiện cnc dùng để dẫn hướng, dựa trên nguyên lý chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và ray trượt, tạo nên hệ thống dẫn hướng theo đường thẳng, vì vậy còn được gọi với cái tên ray trượt tuyến tính Nó hoạt động gần như chính xác và có khả năng chịu tải cực tốt.
Hình 2 4 Thanh trượt dẫn hướng
Ray trượt sẽ giúp cơ cấu máy chuyển động tịnh tiến một cách chính xác nhất. Con trượt và ray trượt phải chịu một tải trọng tương đối lớn nhưng linh kiện này vẫn hoạt động một cách êm ái và chính xác cao.
Hiện tại trên thị trường thì thanh trượt vuông là loại có độ cứng và độ ổn định cao nhất Ray trượt vuông có độ chịu tải nặng gấp 1.5 lần so với các thanh trượt khác.
2.2.3 Tính chọn độ chính xác của thanh trượt Độ chính xác của thanh trượt là thông số dùng để đánh giá độ chính xác của thanh trượt khi con lăn chạy hoặc di chuyển trên đường ray dẫn hướng của thanh Độ chính xác thường được yêu cầu được thể hiện ở cấp độ chính xác.
Trị số nhám ( μmm¿ Chiều dài chuẩn
Phương pháp gia công Ứng dụng
Tiện, thô, cưa dũa, khoan…
Các bề mặt không tiếp xúc, không quan trọng: giá đỡ, chân máy v.v…
Tiện, tinh, dũa tinh, phay…
Bề mặt tiếp xúc tĩnh, động, trục, vít, bánh răng…
Bề mặt tiếp xúc động: mặt răng, mặt pittông, xi lanh, chốt v.v…
Mài tinh mỏng, nghiền, rà, gia công đặc biệt, phương pháp khác
Bề mặt mút, van, bi, con lăn, dụng cụ đo, căn mẫu v.v…
Bề mặt làm việc chi tiết chính xác, dụng cụ đo
Bảng 2 2 Bảng giá trị thông số độ nhám bề mặt (trang 59 sách CNCTM2)
Tải trọng gây ra cho thanh trượt là khối lượng chủ yếu là do đầu khắc và động cơ.
Ta chọn thông số thanh trượt trên bảng sau
Dimensions of Rail (mm) Weight
Bảng 2 3 Bảng thông số tải trọng
Với tải trọng khoảng 1.2kg của đầu khắc và động cơ ta chọn thanh trượt HRG15T với tải trọng 1.48 kg thì đáp ứng được tải trọng của thanh trượt khi di chuyển làm việc cũng như tải trọng động.
2.2.5 Tính toán mô phỏng lực trên solidwork
Vì cơ cấu trục X và trục Y giống nhau, trai trọng tác dụng lên trục Y cao hơn trục X lên ta tính theo trục Y 20x20 sau đó lựa chọn trục X theo cùng loại Vì là máy 2 trục lên sẽ không có trục Z, muốn điều chỉnh lazer ta sẽ điều chỉnh trên tấm trượt.
Sợ đồ lắp trục y sơ đồ lắp trục x
Sơ đồ lực tác dụng Các thông số đầu vào
Khối lượng cả trục X và khối cụm lazer tác dụng lên 3 con là 2kg, vây lên mỗi con lăn chiu 0,67 kg Nên P = m.g = 0,67g = 0,67.10 = 6,7 N.
Trọng lực tác dụng lên mỗi bánh xe 6,7N.
Động cơ sử dụng: động cơ bước size 42, trọng lượng 220 Điện áp hoạt động 4,16V.
Biều đồ lực cắt và momen uốn trên thanh dầm Y.
Hình 2 5 Mô phỏng trên solidwork
Dựa trên kết quả tính toán và sơ đồ lực cắt và momen ta thấu thanh dầm trục
Y 20x20 đảm bảo điều kiện làm việc o Công suất DC:
Ndc = U.I Cos φ = 4,16.1,3.0,97 = 5,24W. o Tốc độ động cơ:
W = Ndc/M = 5,24/0,52 = 10 rad/s. o Tỉ số truyền
Tỷ số truyền thực tế: i = d2/ (d1 (1- ε ) = 23/ (10,08 (1-0,01)) = 2,3
=> w2= w1 I = 10.2,3 = 23 rad/s. o Vận tốc di chuyển tối đa của trục X và Y (vận tốc đai)
V = w2 d2/2 = 23.23/2 = 264,5 mm.s o Lực tác dụng lên trục puly
Trong đó Fv = qm.v 2 (định kì điều chỉnh lực căng), với qm = 0 nên ta bỏ qua.
Lực tác dụng lên trục
Tốc độ quay trên trục
Lực căng T trên 1 mảnh đai
Lực vòng (tải trọng có ích)
Do chiều dài đai không đổi nên độ co giãn trên hai nhánh đai bằng nha
Tính chọn đường kính trục truyền động và ổ lăn Đường kính trục sơ bộ
Trong đó: d đường kính trục mm
C: hệ số phụ thuộc ứng suất xoắn cho phép với đầu trục và trục truyển chung, lấy C 120
N: công suất truyền trên trục
N: số vòng quay trong 1 phút
Thay các thông số vào công thức ta có d ≥ 4,5 ⇒ d =5 mm
Các lực đã tính toán Fr1 = Fr2 = -17,8 N.
Suy ra lực tại các gối đỡ:
Momen xoắn tại tiết diện nguy hiểm nhất
Cụm trục và dầm ngang trục Y
Tính toán các chi tiết vít M5, M3
Với chi tiết vít M3 ta có bước ren P=0.5mm
D – đường kính ngoài của ren trong (lỗ ren taro) d2 – đường kính trung bình của vít
D2 – đường kính trung bình của lỗ ren taro d1 – đường kính trong của vít
D1 – đường kính trong của lỗ ren taro d3 – đường kính trong của bulông theo đáy của rãnh ren
H – chiều cao của profin gốc
Trị số các đường kính được tính theo công thức sau:
Với ốc lục giác chìm Ý nghĩa các ký hiệu của đinh ốc lục giác chìm :
- Head Diameter (dk): đường kính đầu ốc.
- Head Height (k): độ cao đầu ốc.
- Hex Key Size (s): độ rộng của đầu ốc lục giác chiếu theo cạnh bằng
- L: chiều dài thân đinh ốc.
- d: đường kính thân đinh ốc.
- e: độ rộng của đầu ốc lục giác chiếu theo góc nhọn.
Với vít ren M3; P=0,5 ta tra bảng sau để chọn phần đầu ốc
Diameter Head Diameter Head Height Hex Key Size M2
Bảng 2 4 Tra bảng taro ren cho vít đầu lục giác M3
Ta tra bảng taro ren dựa trên các thông số sau:
D: đường kính lỗ khoan Đơn vị: mm
Taro bước răng mịn Taro bước răng thô
Taro x bước răng Lỗ khoan Taro bước răng Lỗ khoan
Bảng 2 5 Bảng thông số taro ren cho vít hệ Mét
Tra bảng ta lựa chọn lỗ khoang taro có đường kính D=2,5 mm
Với chi tiết vít M3 ta có bước ren P=0.8mm
Hình 2 8 Bước ren M5 d – đường kính ngoài của ren ngoài (vít)
D – đường kính ngoài của ren trong (lỗ ren taro) d2 – đường kính trung bình của vít
D2 – đường kính trung bình của lỗ ren taro d1 – đường kính trong của vít
D1 – đường kính trong của lỗ ren taro d3 – đường kính trong của bulông theo đáy của rãnh ren
H – chiều cao của profin gốc
Trị số các đường kính được tính theo công thức sau:
Với ốc lục giác chìm Ý nghĩa các ký hiệu của đinh ốc lục giác chìm :
- Head Diameter (dk): đường kính đầu ốc.
- Head Height (k): độ cao đầu ốc.
- Hex Key Size (s): độ rộng của đầu ốc lục giác chiếu theo cạnh bằng
- L: chiều dài thân đinh ốc.
- d: đường kính thân đinh ốc.
- e : độ rộng của đầu ốc lục giác chiếu theo góc nhọn.
Với vít ren M5; P=0,8 ta tra bảng sau để chọn phần đầu ốc
Diameter Head Diameter Head Height Hex Key Size
Bảng 2 6 Tra bảng taro ren cho vít đầu lục giác M5
Ta tra bảng taro ren dựa trên các thông số sau:
D: đường kính lỗ khoan Đơn vị: mm
Taro bước răng mịn Taro bước răng thô
Taro x bước răng Lỗ khoan Taro bước răng Lỗ khoan
Bảng 2 7 Bảng thông số taro ren cho vít hệ Mét
Tra bảng ta lựa chọn lỗ khoang taro có đường kính D=4,2 mm
Tính chọn puly và dây đai
Puly 3M là sản phẩm bánh răng đai thường được sử dụng trong các ứng dụng chế tạo máy cnc, máy in 3D, máy khắc laser và các loại máy sử dụng cơ chế truyền động đai khác.
Thông số kỹ thuật Puly 3M:
- Chất liệu: hợp kim nhôm
- Ốc siết: lục giác âm M1
- Đường kính bánh đai: 20mm
Dây đai được sử dụng là dây đai răng 3M-15 (còn được gọi timing belt) là loại dây curoa có cơ cấu truyền tải cho động cơ, làm máy mài, máy cắt mini, máy khắc laser.
Loại dây Mặt cắt Bước Chiều dầy Độ cao Độ rộng
Dây curoa răng loại XL 5.08 2.25 1.25 1.35
Dây curoa răng loại XH 22.225 11.3 6.3 8.0
Bảng 2 8 Bảng thông số chọn dây đai
- Chất liệu: Cao su đen
Vận tốc của đai là: v=π d n đc
Vận tốc đai thõa mãn điều kiện cho phép:vsai số gá đặt ε gd =√ ε c
2+ε k 2 μmm Xác định lượng dư nhỏ nhất theo công thức:
Trong đó: Zimin: Lượng dư bề mặt bước công nghệ thứ i
Rzi-1: Chiều cao nhấp nhô do bước công nghệ trước để lại
Ti-1: Chiều sâu lớp hư hỏng do bước công nghệ trước để lại.
Ta có chất lượng bề mặt phôi đúc: (Tra bảng 10 trang 41TKĐACNCTM- NXBKHKT- 2007) [3]
(Tra bảng 13 trang 42 TKĐACNCTM- NXBKHKT- 2007) ta có:
Vậy lượng dư trung gian cho các bước là:
Sai lệch không gian tổng cộng được xác định theo công thức : ρ phôi = p c 2 p cm 2 ( m )
Giá trị cong vênh pc của lỗ được xác định theo cả 2 phương hướng kính và hướng trục: ρ c = ( k d ) 2 ( k l ) 2
Tra theo bảng 3.7- HDTKĐAMHCNCTM ta có : k =0.
L là chiều dài lỗ : l = 8 mm d là đường kính lỗ : d = 6 mm ρ c =√¿ ¿= 7 μm
Giá trí sai lệch ρ cm được tra theo bảng 3.10 HDTKĐAMHCNCTM [12]
Giá trị Pcm được xác định theo công thức:
Pcm=√ ( δ 2 b ) 2 +( δ 2 c ) 2 = √ ( 100 2 ) 2 +( 100 2 ) 2 q μmm δ b , δ c là dung sai của kớch thước l= 8 mm và đường kớnh ỉ6 mm
Như vậy, sai lệch không gian tổng cộng là : ρ phôi = √¿ ¿78 m
Sai lệch không gian còn lại sau khi khoan thô là: 1 = k.phôi (k = 0,05)
Sai số gá đặt khi khoan thô được xác định như sau: ε gd = √ ε c 2 + ε k 2
c = 0 vì chuẩn định vị trùng với gốc kích thước. ε k 0m (vì tiết diện ngang chi tiết 80-120 mm): Sai số kẹp chặt tra bảng
Sai số gá đặt còn lại ở nguyên công khoét tinh là: ε gd1 = 0,05 ε gd = 0,05.120 =6m
Lượng dư gia công nhỏ nhất: 2Z min =2(R z +T i +√ ρ phôi2 + ε gd 2 )
Tra bảng 3-91 –STCNCTM1 ta có
Dung sai khoan thô cấp chính xác 8 δ p " m =0,022 mm
Dung sai khoét tinh cấp chính xác 14 δ p 60 m =0,36 mm
Dung sai phôi cấp chính xác 15 δ p X0 m = 0,58 mm
Sau khoan thô: dmax= 6,02 mm ; dmin= dmax - 6,02 - 0,022 = 5,998mm
Sau khoét tinh : dmax = 5,848mm; dmin= 5,848 – 0,36 = 5,488 mm
Kích thước của phôi : dmax= 5,488mm; dmin= 5,488 - 0,58 = 4,908 mm
Bảng tính lượng dư gia công :
Vậy lượng dư lỗ ∅ 26∅6 là: dmax - d0= 6,02-5,422=0,598 mm
Sau thời gian thực hiện đề tài, nhóm đã giải quyết được các vấn đề, yêu cầu đã đặt ra trước đó là: “ Nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy khắc laser”
Sau quá trình thực hiện đồ án, nhóm đã tìm hiểu được cơ sở lý thuyết và thực hành về máy khắc laser, một công nghệ hiện đại và tiên tiến trong lĩnh vực cơ khí. Nhóm đã nghiên cứu được các nguyên lý hoạt động, các thành phần chính và các ứng dụng của máy khắc laser trong công nghiệp và đời sống Nhóm cũng đã tự thiết kế và chế tạo được một máy khắc laser đơn giản với chi phí thấp, có thể khắc được các vật liệu như gỗ, nhựa, da, giấy Nhóm đã thử nghiệm và đánh giá được hiệu quả của máy khắc laser do mình làm ra. Đồ án này là một kết quả của sự nỗ lực và cố gắng của cả nhóm trong suốt quá trình học tập tại trường Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn ThS Ngô Tấn Thống và các giảng viên khác đã hướng dẫn và tạo điều kiện cho nhóm hoàn thành đồ án này giúp nhóm có thể hoàn thành đề tài tốt nghiệp một cách thuận lợi.
Mặc dù đã rất có gắng trong việc nghiên cứu thực hiện đồ án, nhưng do thời gian và hiểu biết của chúng em còn nhiều hạn chế nên đồ án chỉ dừng lại ở mức đơn giản Điều này sẽ phải cần thêm nhiều thời gian và kiến thức về nhiều lĩnh vực công nghệ khác nhau để chúng em có thể thực hiện tốt đồ án này Đồng thời, chắc chắn đồ án cũng không tránh khỏi những sai sót, nên chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô.
[1] Nguyễn Đắc Lộc (1998), Công nghệ chế tạo máy Tập III, Nxb Khoa học và Kỹ thuật,
[2] Nguyễn Đắc Lộc (1998), Sổ tay công nghệ chế tạo máy Tập I, II, III , Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội
[3] Trần Văn Địch (2007), Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Nguyễn Ngọc Anh, Tống Công Nhị, Nguyễn V ăn Sắc, Hồ Đắc Thọ, Sổ tay công nghệ chế tạo máy Tập I, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[5] Nguyễn Ngọc Anh, Hà Văn Vui, Phan Đình Thuyên, Sổ tay công nghệ chế tạo máy Tập II, III, IV, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[6] Nguyễn Ngọc Đào, Trần Thế Sang, Chế độ cắt gia công cơ khí, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[7] Phan Đình Huấn, Tôn Thất Tài (2002), Xây dựng mô hình ba chiều và bản vẽ kỷ thuật bằng Inventor, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
[8] An Hiệp, Trần Vĩnh Hưng, Nguyễn Văn Thiệp (2004), Autodesk Inventor phần