Hiện nay, các sản phẩm bằng gỗ đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong đời sống hàng ngày. Công nghệ khắc gỗ đang phát triển rất mạnh mẹ với nhiều máy móc, kỹ thuật tiên tiến. Trong số đó, khắc gỗ bằng tia laser là một công nghệ đang rất phổ biến. Đề tài này sẽ trình bày quá trình tìm hiểu, thiết kế và điều khiển máy khắc gỗ bằng laser dạng bàn máy 2D, có thể khắc được chữ, logo lên gỗ và một số vật liệu khác. Máy khắc có thể ứng dụng được vào thực tế với việc khắc móc khóa, quà lưu niệm…
LỜI CẢM ƠN Bằng nỗ lực thân với động viên, giúp đỡ từ nhiều phía, cuối em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tời Thầy Đoàn Thế Thảo, người trực tiếp hướng dẫn, dành nhiều thời gian bảo tận tình, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em, giúp em hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người bên cạnh động viên, giúp đỡ em thời gian em học tập giai đoạn thực luận văn Cuối cùng, với lời biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy/Cô trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM giành nhiều thời gian, công sức tâm huyết để truyền đạt kiến thức báu cho em suốt trình em học tập trường Em xin chân thành cảm ơn Tp.HCM, ngày 19 tháng năm 2016 Sinh viên thực Nguyễn Trường Tùng TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện nay, sản phẩm gỗ ngày sử dụng rộng rãi đời sống hàng ngày Công nghệ khắc gỗ phát triển mạnh mẹ với nhiều máy móc, kỹ thuật tiên tiến Trong số đó, khắc gỗ tia laser công nghệ phổ biến Đề tài trình bày trình tìm hiểu, thiết kế điều khiển máy khắc gỗ laser dạng bàn máy 2D, khắc chữ, logo lên gỗ số vật liệu khác Máy khắc ứng dụng vào thực tế với việc khắc móc khóa, quà lưu niệm… MỤC LỤC Chương 1: Tổng quan CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Yêu cầu thực tiễn Ngày nay, sản phẩm gỗ ngày ưa chuộng vẻ đẹp sang trọng Các sản phẩm gỗ vô phong phú, đa dạng bàn ghế, giường gỗ, tủ gỗ, quà lưu niệm gỗ vô dễ thương Trước nhu cầu ngày lớn vậy, máy khắc gỗ đời tiết kiệm nhiều thời gian, công sức, giảm giá thành sản phẩm Những sản phẩm tạo đạt độ xác tin cậy cao, đa dạng mẫu mã, kích thước Vì vậy, việc chế tạo máy khắc gỗ vô cần thiết Một số sản phẩm gỗ: Chương 1: Tổng quan Hình 1.1 Quà lưu niệm từ gỗ Chương 1: Tổng quan Hình 1.2 Tượng gỗ 1.2 Tình hình máy khắc gỗ Hiện nay, trường có nhiều loại máy khắc gỗ, đa dạng mẫu mã, chủng loại, kích thước Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta chọn loại máy khắc gỗ cho phù hợp Chương 1: Tổng quan Hình 1.3 Máy khắc gỗ CNC ST1325B – MG Máy sử dụng để chế tạo biển hiệu, nhãn mác, mô hình điêu khắc, sản phẩm nghệ thuật từ gỗ Một số đặc điểm tính máy : • Tốc độ làm việc cao Tốc độ di chuyển cao trục lên tới • • • • • 30m/phút Bàn điều chỉnh dao tự động Được bố trí thiết bị hút bụi chân không chuyên nghiệp Vận hành ổn định, độ xác cao, tiếng ồn nhỏ Có thể việc tự động, suất cao Hệ thống điều khiển công nghiệp chuyên nghiệp, với chức hoàn thiện, tính ổn định, tính tương thích phần mềm mạnh mẽ Ngoài ra, thị trường có nhiều loại máy khắc laser Hình 1.4 Máy khắc laser mini Neje Chương 1: Tổng quan Tính năng: • Khu vực làm việc: 38*38mm • Độ xác cao ổn định • Có thể khắc vật liệu như: gỗ cứng, nhựa, tre, cao su, da, cắt giấy Máy laser JL-K1390: Hình 1.6 Máy laser JL-K1390 Ứng dụng: • Ngành công nghiệp quảng cáo: cắt nhựa, cắt khắc kính, pha lê • Tiểu thủ công nghiệp: Chạm khắc hoa văn văn lên gỗ, tre, ngà voi, xương, da, đá cẩm thạch vật liệu khác • Bao bì in ấn công nghiệp: khắc in cao su, nhựa, đôi, dao cắt cắt board • Ngành may mặc da: Cắt, khắc hoa văn quần áo, đồ nội thất, găng tay, túi xách, giày dép, mũ, da, da tổng hợp, da, vải, lông thú • Các ngành công nghiệp khác: cắt khắc đá cẩm thạch, đá granit vật liệu xây dựng, cắt giấy, thiệp chúc mừng hàng thủ công giấy khác Thông số kỹ thuật: • Phạm vi làm việc: 1300x900mm • Công suất laser: 60 - 150W • Tốc độ khắc: - 1000mm/s • Tốc độ cắt: – 400 mm/s Chương 1: Tổng quan Điện áp làm việc: 220V - 50Hz Định vị xác: ± 0.01 mm 1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ phạm vi đề tài 1.3.1 Mục tiêu, nhiệm vụ • • • Tìm hiểu tổng quan nguyên lý hoạt động máy khắc gỗ • Thiết kế máy khắc gỗ Thiết kế mạch điều khiển chương trình điều khiển Xây dựng mô hình 1.3.2 Phạm vi đề tài • Khổ khắc: 40 x 40 cm • Vật liệu khắc: gỗ thông 1.4 Tổ chức luận văn tốt nghiệp • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Phân tích lựa chọn phương án • Chương 3: Tính toán, thiết kế khí • Chương 4: Thiết kế mạch điện • Chương 5: Thiết lập thông số điều khiển • Chương 6: Tổng kết • Tài liệu tham khảo • • Chương 2: Phương án thiết kế CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn phương pháp gia công Hiện nay, sản phẩm khắc từ gỗ ngày yêu thích Bởi vậy, phương pháp khắc gỗ ngày cải tiến nhằm tạo sản phẩm đẹp, đa dạng mẫu mã để phục vụ yêu cầu khách hàng 2.1.1 Gia công phương pháp cắt gọt Đây phương pháp truyền thống lĩnh vực khắc gỗ Các làng nghề điêu khắc gỗ trì hầu hết sử dụng phương pháp điêu khắc tay, điều đòi hỏi tay nghề cao, tỉ mỉ nghệ nhân Ngày nay, với phát triển khoa học kỹ thuật điêu khắc gỗ không ngừng cải tiến Nhiều máy cắt, khắc gỗ đời Điển hình máy CNC, máy điêu khắc gỗ Những máy có công suất lớn, độ xác cao, tiết kiệm nhiều thời gian công sức để hoàn thành sản phẩm Tuy nhiên, giá thành máy với chi phí bảo dưỡng, sửa chữa cao nên máy chủ yếu sử dụng công ty, xý nghiệp quy mô lớn, không thích hợp với sở sản xuất nhỏ lẻ 10 Chương 4: Thiết kế mạch điện 4.3.4 Sơ đồ ghép nối với mạch điều khiển Hình 4.12 Ghép nối TB6560 vớ mạch điều khiển 4.4 Module relay Hình 4.13 Module relay với opto cách ly H/L 50 Chương 4: Thiết kế mạch điện Giới thiệu: Module relay với opto cách ly nhỏ gọn, có opto transistor cách ly giúp cho việc sử dụng trở nên an toàn với board mạch chính, mạch sử dụng để đóng ngắt nguồn điện công suất cao AC DC, chọn đóng kích mức thấp mức cao juper Tiếp điểm đóng ngắt gồm tiếp điểm NC (thường đóng), NO (thường mở) chân COM (chân chung) cách ly hoàn toàn với board mạch Ở trang thái bình thường chưa kích NC nối với COM, có trạng thái kích chân COM chuyển sang nối với NO kết nối với NC Thông số kỹ thuật • Sử dụng điện áp nuôi DC 5V • Dòng tiêu thụ khoảng 89 mA • Điện đóng ngắt tối đa AC 250V – 10A DC 30V – 10A • Có thể chọn mức tín hiệu kích thông qua juper 4.5 Sơ đồ đấu dây Hình 4.12 Sơ đồ đấu dây mạch điện 51 Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển CHƯƠNG 5: THIẾT LẬP THÔNG SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN 5.1 Phần mềm xuất Gcode Inkscape 5.1.1 Giới thiệu Inkscape phần mềm mã nguồn mở cho xử lý đồ họa vec tơ Mục đích phát triển dự án Inkscape để tạo phần mềm có tính xử lý đồ họa véc tơ tốt đồng thời phù hợp với chuẩn XML, SVG CSS Nó phần mềm đa tảng, chạy Microsoft Windows, Mac OS X Unix Inkscape bắt đầu vào năm 2003, theo phần mềm xử lý đồ họa vec tơ Sodipodi Tuy Inkscape chưa có nhiều tính phần mềm xử lý đồ họa vec tơ thương mại, dùng nhiều ứng dụng Inkscape chưa hỗ trợ đầy đủ SVG CSS Nó chưa có hiệu ứng lọc SVG, hoạt hình, phông chữ SVG Inkscape phát triển mạnh, ngày có nhiều tính Một số tính Inkscape: • Inkscape quản lí vẽ theo lớp cho phép chuyển lớp cách linh hoạt • Chức nhân đối tượng (clone) có ích cần chép với số lượng lớn hay tạo họa tiết • Inkscape phát triển tính nhận diện hình: đổi từ ảnh bitmap đường nét • Cho phép xuất nhiều định dạng, Inkscape tạo file EPS, EMF, định dạng ảnh bitmap (PNG, JPEG, v.v ) • Các đối tượng hình vẽ gồm có số loại đặc biệt: hình sao, đường cong Bézier, gradient màu Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển 5.1.2 Các bước tạo Gcode Inkscape Hình 5.1 Các bước tạo Gcode Inkscape • Đầu tiên, mở phần mềm Inkscape Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển Hình 5.2 Giao diện phần mềm Inkscape • Vào File/Document Properties để chỉnh đơn vị kích thước khổ khắc Hình 5.3 Cài đặt đơn vị kích thước khổ khắc • Sau vào File/Import để đưa ảnh cần khắc vào phần mềm Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển • Bước tiếp theo, cài đặt thông số kích thước vị trí hình cần khắc Hình 5.4 Cài đặt kích thước vị trí ảnh cần khắc • Vào Path/Trace Bitmap, click chọn Edge Detection để lấy biên dạng hình cần khắc Hình 5.5 Biên dạng hình cần khắc Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển • Cuối vào Extensions/Laserengraver/Laser để xuất Gcode Hình 5.6 Cài đặt tốc độ khắc xuất Gcode 5.2 Mã nguồn mở GRBL phần mềm GRBL Controller 5.2.1 Mã nguồn mở GRBL GRBL thư viện sử dụng cho số mạch điều khiển máy CNC Với đặc điểm mã nguồn mở, dễ sử dụng, đặc biệt hỗ trợ mạch Arduino (Arduino UNO R3 CNC Shield), GRBL lựa chọn hàng đầu xây dựng dạng máy CNC mini Nạp thư viện GRBL vào Arduino UNO R3: kết nối Arduino với máy tính, sau sử dụng phần mềm X-loader để nạp trực tiếp file hex vào Arduino Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển Hình 5.7 Nạp GRBL vào arduino 5.2.2 Phần mềm GRBL Controller GRBL Controller phần mềm thiết kế để điều khiển máy CNC Nó có nhiệm vụ gửi Gcode tới máy, thiết lập thông số điều khiển Hình 5.8 Giao diện phần mềm GRBL Controller Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển Cài đặt thông số Để cài đặt thông số hoạt động cho máy, ta vào thẻ Advanced giao diện phần mềm GRBL Controller, chọn GRBL Settings cài đặt thông số cần thiết Hình 5.9 Cài đặt thông số phần mềm GRBL Controller Ý nghĩa thông số: • $0, $1 and $2 – XYZ, steps/mm: số xung 1mm Đây thông số quan trọng nhất, định tới việc kích thước khắc có thiết kế trước hay không Để xác định thông số này, ta sử dụng công thức sau: Steps per mm = (steps per revolution*microsteps)/mm per rev Trong đó: Step per mm: số xung 1mm steps per revolution: số bước động vòng quay 360 độ Ví dụ, với động góc bước 1.8 độ giá trị 360/1.8 = 200 microsteps: số vi bước, tùy theo chế độ (thường 1,2,4,8 16) mm per rev: bước vít me Đối với máy khắc laser, cần quan tâm giá trị $0 $1 trục X trục Y Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển • $3 – Step pulse (us): thời gian xung cấp tới động bước, tính micro giây Mỗi động có đặc tính thông số thời gian kéo dài xung điện áp khác Quy tắc điều chỉnh giảm thời gian xung xuống thấp tốt miễn động chạy ổn định Giá trị mặc định 10 us • $6 – Step port invert mask: thiết lập đảo mức điện áp tín hiệu điều khiển động bước Chức sử dụng để đảo ngược mức tín hiệu (5V - 0V) tín hiệu điều khiển động Thông thường thiết lập không cần sử dụng tới trừ trường hợp với vài driver đặc biệt Hình 5.10: Thiết lập đảo mức điện áp tín hiệu điều khiển động • $7 – Step idle delay (ms): thời gian đợi để tắt động cơ, tính mili giây Sau động hoàn thành xong chuyển động dừng hẳn, mạch điều khiển tiếp tục cấp điện cho động thời gian ứng với giá trị $7 Nếu muốn để mạch điều khiển luôn cấp nguồn cho động (động chế độ • cấp điện), đặt giá trị $7 = 255 $8 – Acceleration, mm/sec2: thiết lập gia tốc di chuyển đầu khắc laser Nếu đặt giá trị gia tốc thấp, laser không tăng tới vận tốc cao Tuy nhiên để gia tốc cao, động bị mốt số bước hoạt động Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển • $9 – Junction deviation, mm: thiết lập giá trị gia tốc dao di chuyển qua điểm nối cạnh cần gia công Giá trị gia tốc cao, máy chạy nhanh khả xảy sai lệch kích thước lớn ngược lại • $13 - Report inches, bool: thiết lập thông báo trạng thái làm việc máy theo đơn vị Inch hay không Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị mm Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị inch • $16 - Hard limits, bool: thiết lập chức giới hạn hành trình Endstop Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $16 = 1), mạch điều khiển tự động dừng toàn máy có công tắc hành trình kích hoạt Trên thiết lập bản, số cài đặt khác chưa đề cập đến 5.3 Lưu đồ điều khiển Hình 5.11 Lưu đồ điều khiển máy khắc laser Nguyên lý điều khiển • Mở chương trình GRBL Controller lên, load Gcode Khi load Gcode, hình ảnh hiển thị lên giao diện phần mềm Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển Hình 5.12 Hình ảnh lên load Gcode • Sử dụng phím mũi tên để di chuyển đầu khắc tới vị trí mong muốn cài đặt làm gốc tọa độ Sau bấm vào Zero Position • Nhấn Begin để bắt đầu chạy máy • Máy chạy dòng code Mỗi dòng xuất xuống Board Arduino Uno R3 thông qua cáp USB • Board Arduino xử lý tín hiệu truyền lúc driver để điều khiển bàn máy module relay để bật tắt laser • Hình 5.13 Giao diện phần mềm lúc máy chạy Khi code truyền xuống tới dòng cuối cùng, máy chạy xong vị trí ban đầu dừng lại Chương 5: Thiết kế mạch điện điều khiển Chương 6: Tổng kết CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT 6.1 Kết đạt Sau thời gian tìm hiểu tài liệu, với tham khảo số máy khắc laser mạng thực tế, em hoàn thành đề tài đạt số kết sau: • Chế tạo lắp ráp thành công máy khắc laser sử dụng cấu bàn máy 2D với kích thước 40x50x30 cm, khổ khắc tối đa 20x30 cm • Đấu nối hệ thống mạch điện, sử dụng phần mềm điều khiển chuyển động bàn máy hoạt động đầu khắc laser • Máy khắc gỗ, da Một số sản phẩm: 6.2 Hạn chế • Do kinh nghiệm việc gia công khí, mà mô hình máy cắt – khắc CNC lại có chi tiết đòi hỏi độ xác cao đặc biệt cấu vitme – đai ốc Do mô hình chế tạo dừng lại độ xác tương đối • Mô hình khắc dạng logo, chữ, đường viền Chưa khắc dạng tranh ảnh, chân dung 6.3 Hướng phát triển đề tài • • Nâng công suất laser để khắc nhiều vật liệu khác Nghiên cứu thêm ứng dụng xử lý ảnh, sử dụng phần mềm điều khiển khác để điều khiển cường độ laser, khắc dạng tranh ảnh, chân dung Từ ứng dụng máy vào việc khắc móc khóa gỗ, quà lưu niệm… • Phát triển thêm trục Z, thay đầu laser spindle để nâng cấp thành máy khoan, máy phay mini Chương 6: Tổng kết TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Lộc (2013) Cơ sở thiết kế máy Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh [2] Ninh Đức Tốn (2012) Dung sai lắp ghép Nhà xuất Giáo dục Việt Nam [3] HB Stepper motor catalogue [4] TBI Ball screw catalogue [5] Hồ Quang Nghi (2016) Thiết kế, điều khiển máy khắc gỗ Luận văn Đại học, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM [6] https://github.com/grbl/grbl/wiki [7] http://arduino.vn ... điều khiển xác quỹ đạo tay máy gặp nhiêu khó khăn 2.2.2 Cơ cấu bàn máy Hình 2.5 Máy khắc laser sử dụng cấu bàn máy Cơ cấu sử dụng rộng rãi nhiều loại máy cắt khắc laser, kết cấu đơn giản, dễ chế... nguyên lý hoạt động máy khắc gỗ • Thiết kế máy khắc gỗ Thiết kế mạch điều khiển chương trình điều khiển Xây dựng mô hình 1.3.2 Phạm vi đề tài • Khổ khắc: 40 x 40 cm • Vật liệu khắc: gỗ thông 1.4... nghệ khắc gỗ phát triển mạnh mẹ với nhiều máy móc, kỹ thuật tiên tiến Trong số đó, khắc gỗ tia laser công nghệ phổ biến Đề tài trình bày trình tìm hiểu, thiết kế điều khiển máy khắc gỗ laser