Nghiên cứu khắc bằng tia laser trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN CÔNG THÁI NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER TRÊN CÁC CHI TIẾT CĨ BIÊN DẠNG TRỤ TRỊN XOAY Chun ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số: 60.52.01.14 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI MINH HIỂN Phản biện 1: PGS.TS Phạm Đăng Phước Phản biện 2: TS Lưu Đức Bình Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 17 tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày nay, nhu cầu khắc bề mặt, chất liệu khác kim loại, gỗ, đá, thủy tinh, giấy, nhựa,… là nhiều, ứng dụng nhiều ngành công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử, máy móc, trang thiết bị, hóa dược phẩm, bao bì, Cơng nghệ khắc laser đời mang đến bước tiến lớn cho ngành in khắc, tạo đột phá mặt sản phẩm, nâng tầm chất lượng hạ giá thành Công nghệ khắc laser là cơng nghệ có ứng dụng rộng rãi nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác Khắc laser khơng khắc chi tiết có bề mặt phẳng mà khắc chi tiết có biên dạng phức tạp Với phát triển nhanh khoa học và công nghệ tất lĩnh vực thì sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu cao chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa và đặt biệt là độ cính xác hình dáng hình học sản phẩm Do tác giả đề xuất giải pháp gia cơng bề mặt có biên dạng tròn xoay với tên đề tài “Nghiên cứu khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay” Mục tiêu Thiết kế chế tạo máy khắc tia laser có thể gia cơng chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Phạm vi nghiên cứu Công nghệ khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Nội đung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ CNC Nghiên cứu lý thuyết cơng nghệ gia cơng laser Phân tích, lựa chọn thiết kế kết cấu, phần tử khí máy nhằm đảm bảo điều kiện: hợp lý cho việc chế tạo nước, cứng vững, tin cậy hoạt động hiệu Phân tích, lựa chọn mạch điều khiển linh kiện điện tử để kết nối và điều khiển cấu chấp hành máy Phân tích, lựa chọn phần mềm mã nguồn mở để điều khiển máy chế tạo Gia công thực nghiệm số sản phẩm CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ CNC VÀ GIA CƠNG LASER 1.1 Cơng nghệ CNC 1.1.1 Khái niệm điều khiển số (nc) Điều khiển số (Numerical Control - NC) hoạt động điều khiển trực tiếp hệ thống liệu số Điều khiển số gia cơng cắt gọt hình thức tự động hố lập trình, máy cơng cụ điều khiển chương trình bao gồm thị mã hoá dạng ký tự chữ, số ký tự đặc biệt khác, thị điều khiển chuyển đổi thành hai dạng tín hiệu: - Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ động truyền động tạo nên chuyển động tương đối dao cắt chi tiết gia cơng - Tín hiệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực chức chuyển mạch, đổi chiều quay trục chính; điều khiển thiết bị phụ trợ bôi trơn làm nguội, chọn thay dao; chức khác dừng máy, kẹp phôi, nhả phôi, Theo phương thức truyền thông liệu điều khiển, ta phân biệt phương thức điều khiển số: - Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC) - Điều khiển số máy tính (Computer Numerical Control CNC) - Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control) 1.1.2 Điều khiển số máy tính (CNC) Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống CNC Hệ thống CNC bao gồm thành phần chính: - Chương trình gia cơng (Part program) - Thiết bị đọc chương trình (Program input device) - Hệ điều khiển máy (MCU) - Hệ thống truyền động (Drive system) - Máy công cụ (Machine tool) - Hệ thống phản hồi (Feedback system) 1.1.3 Phương thức di chuyển dụng cụ Có phương thức di chuyển dao điều khiển số: - Di chuyển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP) - Di chuyển theo biên dạng (Contour) 1.1.4 Nội suy chuyển động Điều khiển số sử dụng chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol nội suy bậc Từ liệu hình học quĩ đạo di chuyển dao chế độ nội suy yêu cầu, nội suy tính toạ độ điểm trung gian quĩ đạo chuyển động Bộ nội suy (là thiết bị điện tử hệ NC phần mềm hệ CNC), chức nội suy hình học có chức tính toán tốc độ trục tương ứng để thực chuyển động theo quĩ đạo tốc độ di chuyển yêu cầu Với ưu điểm công nghệ CNC, phát triển ứng dụng rộng rãi toàn giới máy tiện CNC, máy phay CNC…Tác giả ứng dụng công nghệ CNC vào máy thiết kế chế tạo 1.2 Công nghệ gia công laser 1.2.1 Giới thiệu laser Laser tên viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích" Hình 1.8 Ánh sáng laser từ nguồn phát Theo thuyết lượng tử nguyên tử electron tồn mức lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng có thể hiểu là tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên ngồi có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngồi, hạt electron này có thể nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao hay ngược lại Các q trình có thể sinh hay hấp thụ tia sáng (photon) theo giả thuyết Albert Einstein Bước sóng (do đómàu sắc) tia sáng phụ thuộc vào chênh lệch lượng mức Có nhiều loại laser khác nhau, có thể dạng hỗn hợp khí, ví dụ He hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo thành phần từ trạng thái chất rắn 1.2.2 Lịch sử hình thành phát triển laser Laser theo maser, thiết bị có chế tương tự tạo tia vi sóng là xạ ánh sáng Maser tạo Charles H Townes sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953 Laser hồng ngọc, laser chất rắn, tạo lần vào năm 1960, nhà vật lý Theodore Maiman phòng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu, California Hồng ngọc ơxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh xanh lục, để lại tia sáng màu hồng phát Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị Hall xây dựng hệ thống vật liệu gali-aseni tạo tia có bước sóng 850 na-nô-mét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn với tia phát có thể thấy được trưng bày năm 1.2.3 Cấu tạo tia laser Hình 1.9 Cấu tạo tia laser Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn ni hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, là chất đặc biệt có khả khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo là photon khác bật bay theo hướng với photon tối Mặt khác buồng cơng hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếch đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser 1.2.4 Đặc điểm laser - Độ đơn sắc cao - Độ định hướng cao - Mật độ phổ (độ chói) cao 1.2.5 Ứng dụng laser Laser ứng dụng rộng rãi khoa học, công nghiệp, nông nghiệp, kinh doanh, y tế, thông tin liên lạc, quân Với ứng dụng bật tác giả lựu chọn công nghệ laser để khắc lên bề mặt chi tiết máy thiết kế chế tạo CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY 2.1 Phân tích kết cấu máy 2.1.1 Phương án Trong phương án này, bàn máy đứng yên và đầu laser thực chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y Hình 2.1 Hình mơ phương án 2.1.2 Phương án Trong phương án này bàn máy chuyển động theo hai phương X, Y và đầu laser đứng n Hình 2.2 Hình mơ phương án 10 Qua phương án trên, để máy có kết cấu đơn giản thể gia công mặt phẳng gia cơng chi tiết có bề mặt tròn xoay tác giả xin chọn phương án kết hợp phương án Ở kết hợp đầu khắc chuyển tịnh tiến theo phương X, Y chi tiết mặt phẳng nằm yên bàn máy chi tiết có biên dạng tròn xoay xoay theo trục Y 2.2 Các phương án truyền động 2.2.1 Truyền động X, Y truyền thống Trong kết cấu trên, ta thấy trục X, Y truyền động hai động với hai truyền đai riêng biệt Dễ dàng thấy nhược điểm phương án truyền động này: trượt trục Y phải mang động để truyền động cho trục X Như trường hợp chuyển động với vận tốc lớn kết cấu truyền động trục Y chịu lực quán tính lớn khối lượng phần truyền động trục X cộng với khối lượng động dẫn động Hình 2.5 Phương án truyền động X, Y theo truyền thống 2.2.2 Truyền động core( X, Y), H-bot Đối hương án truyền động core(X,Y) có thể truyền động hai dây đai răng, hai động gắn cố định thân máy 11 Đối với phương án truyền động H-bot, vị trí trục X, Y truyền động dây đai và hai động gắn cố định thân máy Hình 2.6 Truyền động H-bot 2.2.3 Truyền động quay chi tiết mâm cặp Đối với phương án truyền động quay chi tiết mâm cặp, chi tiết gắn cố định mâm cặp và động gắn cố định thân máy Động truyền động cho mâm cặp quay Hình 2.7 Kẹp chi tiết mâm cặp tự định tâm 12 2.2.4 Truyền động quay chi tiết lăn Đối vơi phương án này, chi tiết đặt hai trục quay, trục quay chi tiết quay theo.Động gắn cố định thân máy và truyền động cho hai rulo Hình 2.8 Chi tiết chuyển động nhờ hai trục quay 2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn Kết cấu máy chế tạo đề xuất làm từ nhơm nhơm định hình nhằm tăng tính cứng vững cho máy Tác giả chọn trục X, Y truyền động theo kiểu truyền thống để phù hợp cho khắc chi tiết có biên bạng tròn xoay và dễ điều khiển và truyền động quay chi tiết hai trục quay Phương án truyền động X,Y dây dai cố định động gắn trượt Vị trí X,Y chuyển động theo vị trí động 13 Hình 2.9 Thiết kế sơ kết cấu trục xoay Hình 2.14 Thiết kế sơ truyền động X Y 14 2.3 Lựa chọn đầu khắc laser Dựa vào trạng thái chất tạo laser người ta phân laser thành loại: laser chất rắn, laser chất khí laser chất lỏng Dựa kết cấu máy thiết kế với đề tài khắc vật liệu gỗ giấy, da nên lựa chọn đầu khắc công suất nhỏ Chọn đầu khắc laser diot tia laser xanh dương bước sóng 445nm, cơng suất 2W 2.4 Thông số kỹ thuật máy Qua phân tích đề xuất chế tạo máy khắc laser với thông số kỹ thuật sau: - Kích thước bao: 520mm *320mm *270mm (chiều dài *chiều rộng *chiều cao) - Kích thước gia công được: mặt phẳng (X= 300mm, Y= 12mm), trụ tròn xoay (=150mm, L=300mm) - Cơng xuất đèn laser: 2W - Vật liệu khắc: gỗ, da, giấy nhựa - Bề sâu khắc tối đa: 1mm - Độ xác gia cơng: 100m - Tốc độ tối đa đầu khắc gia công 15mm/s 2.5 Tính tốn động học cho máy thiết kế 2.5.1 Động học Vận tốc góc  (rad/s) số vòng quay n (vòng/phút) trục dẫn chi tiết liên quan đến vận tốc chuyển động v (mm/s) đầu khắc laser ( chuyển động tịnh tiến) sau:  = 6.4 v (rad/s) n = 1,5v (vòng phút) 2.5.2 Tính chọn động Các thông số động chọn dựa theo lực tính từ cấu chấp hành Động lựa chọn là động bước đơn cực TPS 43D1014 , bước góc 1.80, độ xác bước 5%, momen xoắn 12 ( N.cm ), điện 3,9V, điện áp 0,61 (A) 15 CHƯƠNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ 3.1 Mạch điều khiển 3.1.1 Các mạch điều khiển sử dụng mã nguồn mở thị trường 3.1.2 Arduino Uno Arduino biết đến cách rộng rãi Việt Nam, giới thì q phổ biến Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này phát triển tới hệ thứ (R3) Hình 3.2 Arduino UNO R3 3.1.3 CNC shield V3 CNC shield V3 board mở rộng Arduino UNO R3 dùng để điều khiển máy CNC mini Board có khay dùng để cắm mơ đun điều khiển động bước A4988, board có thể điều khiển3 trục X, Y, Z thêm trục thứ tùy chọn máy CNC 16 3.1.4 Modul điều khiển động bước A4988 A4988 là driver điều khiển động bước nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh dòng cho động cơ, tự động ngắt điện nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động động bước lưỡng cực như: Full, Half, ¼, 1/8 và 1/16 3.1.5 Kết nối USB USB (Universal Serial Bus) chuẩn kết nối đa dụng máy tính USB sử dụng để kết nối thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường thiết kế dạng đầu cắm cho thiết bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy mà với tính cắm nóng thiết bị (nối ngắt thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống) 3.1.6 Firmware cho mạch điều khiển Hình 3.8 Giao diện firmware Mỗi mạch điều khiển cần cài đặt cấu hình thơng qua firmware Firmware có chức dịch lệnh G-Code gởi đến mạch từ ứng dụng điều khiển máy khắc, sau điều khiển hoạt động phần tử để thực hoạt động khắc.Firmware có thể 17 xem phần mềm cố định liên quan đến quy trình thiết bị 3.2 Phần mềm mã nguồn mở 3.2.1 Phần mềm Inkscape 3.2.1.1 Giới thiệu Inkscape phần mềm mã nguồn mở cho xử lý đồ họa vec tơ Mục đích phát triển dự án Inkscape là 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; đa số phát triển dành cho GNU/Linux 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, có thể dùng nhiều ứng dụng Inkscape chưa hỗ trợ đầy đủ SVG và CSS Nó chưa có hiệu ứng lọc SVG, hoạt hình, phơng chữ SVG Inkscape phát triển mạnh, ngày có nhiều tính 3.2.1.2 Tiện ích mở rộng 305 Engineering 305 Engineering: Để tiến hành vẽ lại toàn tranh phức tạp từ ảnh có trước, ta sử dụng tiện ích mở rơng 305 Engineering Inkscape Ở chế độ này, ta không cần chuyển đổi ảnh sang định dạng vector, vào Extensions/ 305 Engineering, chọn Raster Laser Gcode generator 18 Hình 3.10 Hộp thoại Raster Laser Gcode generator 3.2.2 G-code G-code sử dụng để điều khiển chuyển động cấu chấp hành Phần mềm Inkscap sau phân tích vẽ xuất file có chứa câu lệnh Gcode Ý nghĩa mã lệnh có thể giải thích bên G00: Lệnh dịch chuyển nhanh không khắc ( Positioning /RapidTraverse) G01: Nội suy theo đường thẳng/chuyển động khắc theo đường thẳng (Linear Interpolation/Feed) G20: Dữ liệu đầu vào tính theo hệ Anh (inches), Inch Data Input G21: Dữ liệu đầu vào tính theo hệ Mét (mm), Metric Data Input 19 G27: Kiểm tra thực trở điểm gốc (Reference Point ReturmCheck) G28: Trở điểm gốc (Reference Point Return) G29: Xuất phát từ điểm gốc (Return From Reference Point) G30: Về điểm gốc thứ hai (Return to 2ndReference Point) G97: Huỷ bỏ lệnh (Constant Surface Speed Control Cancel) G98: Tốc độ tiến dao mm/phút (Feed per Minute) G99: Tốc độ tiến dao mm/vòng (Feed per Rotation) M03: Lệnh bật laser (Laser ON command) M05: Lệnh tắt laser ( Laser OFF command) F : Tốc độ khắc laser 3.2.3 Thư viện GRBL Thư viện GRBL là thư viện nguồn mở có hiệu hoạt động cao, giải pháp thay cho việc sử dụng cổng parallel-port-based dùng phổ biến máy phay CNC Thư viện GRBL có thể hoạt động hầu hết board mạch Arduino Classic (Arduino UNO, Nano, Pro mini, mini, ) Bạn cần mạch Arduino có nhớ lưu trữ 30KB trở lên có thể làm máy CNC hoạt động Thư viện điều khiển viết ngôn ngữ C tối ưu hóa để có thể hoạt động với hiệu cao và tận dụng hết khả dòng chip AVR để đạt thời gian xác hoạt động đa nhiệm (khơng đồng bộ) Thư viện GRBL sử dụng tập lệnh G-Code hoạt động xác nhiều dòng máy CNC mà khơng có lỗi 20 3.3 Máy chế tạo Với thông số máy thiết kế, phần mềm mạch điều khiển máy chế tạo với hình ảnh thực tế Hình 3.15 Máy tổng thể 21 CHƯƠNG GIA CƠNG THỰC NGHIỆM 4.1 Giới thiệu số thông số quan trọng thiết lập hiệu chỉnh máy Hiệu chỉnh máy tiến hành theo bước : - Kết nối, chạy thử hiệu chỉnh - Kiểm tra hướng di chuyển thiết lập cho trục hiệu chỉnh độ xác di chuyển - Cân chỉnh vị trí đầu đầu khắc với chi tiết Sau kiểm tra kết nối phần điều khiển và cấu chấp hành Ta tiến hành kết nối máy với máy tính 4.2 Gia cơng thực nghiệm Máy chế tạo có thể khắc nhiều vật thể khác khắc tranh ảnh, bút,chai lọ… Dưới dây số hình ảnh gia cơng sản phẩm Hình 4.3 Khắc bề mặt tròn xoay vật liệu giấy 22 Hình 4.4 Khắc tranh ảnh mặt phẳng vật liệu gỗ Hình 4.5 Khắc bề mặt vật liệu da, simii 4.3 Đánh giá sản phẩm - Sản phẩm có độ nét cao, nét khắc điều - Hiện gia công vật liệu giấy, gỗ , nhựa hay da Phải tăng công suất laser để vật liệu khác - Vận tốc khắc chậm cơng suất laser thấp không thể chạy với tốc độ cao 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài “Nghiên cứu khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay” đạt số yêu cầu mục tiêu nghiên cứu đề - Phân tích lựa chọn kết cấu cho máy khắc laser Thiết kế chế tạo hoàn thiện phần khí máy - Phân tích lựa chọn phần điều khiển, kết nối mạch điều khiển với cấu chấp hành cho máy chế tạo - Nghiên cứu nhằm khai thác phần mềm mã nguồn mở nhằm sử dụng việc tạo chương trình gia cơng với mã G-code Tìm hiểu giải thích ý nghĩa lệnh lệnh G-code dùng gia công chi tiết máy chế tạo - Tiến hành thiết lập, hiệu chỉnh máy để gia công thực nghiệm số loại vật liệu - Bên cạnh đó, máy chế tạo khơng có thể khắc bề mặt trụ tròn xoay mà có thể khắc chi tiết có bề mặt phẳng (2D) - Thông số kỹ thuật máy chế tạo được: + Kích thước bao: 520mm *320mm *270mm (chiều dài *chiều rộng *chiều cao) + Kích thước gia công được: mặt phẳng (X= 300mm, Y= 12mm), trụ tròn xoay (=150mm, L=300mm) + Công xuất đèn laser: 2W + Vật liệu khắc: gỗ, da, giấy nhựa + Bề sâu khắc tối đa: 1mm + Độ xác gia cơng: 100m + Tốc độ tối đa đầu khắc gia cơng 15mm/s 24 Kiến nghị Máy khơng có độ cứng vững cao số chi tiết làm chế tạo từ in 3d chưa đánh giá chất lượng và có độ bền Tốc độ gia cơng tối đa đầu laser là 15mm/s và khắc số loại vật liệu Cần thay đầu Laser có cơng suất cao để có thể gia cơng lên nhiều loại vật liệu và có tốc độ gia công cao ... mặt có biên dạng tròn xoay với tên đề tài Nghiên cứu khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Mục tiêu Thiết kế chế tạo máy khắc tia laser có thể gia cơng chi tiết có biên dạng trụ. .. trụ tròn xoay Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Phạm vi nghiên cứu Công nghệ khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Nội đung nghiên cứu Nghiên cứu. .. khác - Vận tốc khắc chậm cơng suất laser thấp khơng thể chạy với tốc độ cao 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài Nghiên cứu khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay đạt số