Thiết kế và điều khiển máy khắc laser sử dụng cơ cấu galvo

Sử dụng cơ cấu galvo đem lại tốc độ khắc cao hơn cơ cấu plotter truyền thống, dễ tích hợp thành module trên các dây chuyền. Tác giả đã xây dựng kết cấu cơ khí, giải quyết bài toán động học thuận và ngược; Xây dựng firmware trên Tiva C launchpad để xử lý Gcode và nội suy hình học; Xây dựng GUI điều khiển trên Windows bằng ngôn ngữ C.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN

MÁY KHẮC LASER

SỬ DỤNG CƠ CẤU GALVO

SVTH: Phạm Minh Hiếu MSSV: 1411200

GVHD: TS Ngô Hà Quang Thịnh

TPHCM, 2018

LỜI CẢM ƠN

Chặng đường bốn năm tại Bách Khoa sắp đến hồi cuối cùng, thật nhiều khó khăn, thử thách, cả nụ cười lẫn nước mắt Bách Khoa đã để lại cho tác giả những kỷ niệm khó quên của một thời tuổi trẻ Để hôm nay có thể gửi lời cảm ơn này đến ba mẹ, những thầy

cô đã dìu dắt, những người bạn, người thân đã đồng hành cũng tác giả trong chặng đường bốn năm qua, và cả sau này nữa, tác giả đã nhiều lần thức trắng đêm bên đồ án, bài tập lớn, hay giang nắng đi mua linh kiện…đó là những trải nghiệm vô cùng quý giá Thật may mắn khi bên cạnh tác giả luôn có những người đồng hành, giúp tác giả vượt qua khó khăn và hoàn thiện bản thân

Lời đầu tiên con xin cảm ơn ba mẹ, anh chị đã vì con suốt thời gian qua Gia đình luôn là động lực để con cố gắng trên con đường học tập và những nẻo đường tiếp theo trong cuộc đời này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Ngô Hà Quang Thịnh, người đã tận tình chỉ bảo em về phương pháp nghiên cứu, cũng như đặt vấn đề và giải quyết vấn đề Thầy luôn bên cạnh động viên những lúc khó khăn, tạo điều kiện cho sinh viên nghiên cứu và nhiều lúc tâm sự như một người anh cả Em cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy trong bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách Khoa TPHCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức và kinh nghiệm trong những năm em học tập Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình thực hiện luận văn mà còn là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách tự tin và vững chắc

Sau những lời cảm ơn trên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn đã và

sẽ tiếp tục đồng hành cũng tác giả trên con đường dài phía trước Cảm ơn anh em trong tập thể CK14CK06, đã luôn bên nhau trong những tiết học, những lần sinh nhật, vui chơi, nhậu nhẹt, cả những lúc khó khăn…Đề tài này theo quan điểm của riêng tác giả thì kiến thức khá rộng, chính vì thế những lúc tưởng chừng như bế tắc tác giả luôn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của anh em để tìm ra hướng giải quyết Cảm ơn những người bạn 12A01 luôn bên cạnh những lúc tác giả lạc lõng giữa Sài Gòn Cảm ơn người bạn

Sau cùng xin cảm ơn những người đã đến và đi trong cuộc đời của tác giả, để tác giả nhận ra trái tim mình không thật sự khô cằn, để trong những lúc cô đơn nhất tác giả

có nơi để nhớ về và mỉm cười

Tp HCM, ngày 4 tháng 06 năm 2018

Phạm Minh Hiếu

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài: “Thiết kế và điều khiển máy khắc laser sử dụng cơ cấu Galvo”

Công nghệ laser đang phát triển nhanh và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là khắc trang trí sản phẩm Do đó nhu cầu về một chiếc máy để thực hiện việc khắc laser được đặt ra Yêu cầu của máy này là đảm bảo độ chính xác của đường khắc, không phá hỏng sản phẩm và khắc ở tốc độ cao

Ở Việt Nam, đã có nhiều đề tài nghiên cứu chế tạo máy cắt/khắc laser, nhưng chủ yếu cấu trúc bàn máy dạng Cartesian Cấu trúc này cho vùng làm việc lớn, tuỳ thuộc vào bề rộng bàn máy thiết kế Máy khắc laser dạng này thường được vận hành như một máy độc lập, hoạt động độc lập với các máy sản xuất khác

Có hai nguyên nhân dẫn đến việc tiến hành thực hiện đề tài luận văn này, một là mong muốn chủ quan của tác giả, mong muốn tìm hiểu là thiết kế một cơ cấu mới hơn cho máy khắc laser; nguyên nhân thứ hai đó là ưu điểm không thể phủ nhận của máy khắc laser sử dụng cơ cấu galvo Máy khắc sử dụng cơ cấu này cho tốc độ khắc và độ chính xác cao Máy khắc laser dạng này có kích thước nhỏ gọn và tính tích hợp cao, có thể tích hợp vào trong các quy trình khác nhau của hệ thống sản xuất… Ưu nhược điểm của hai cơ cấu này sẽ được phân tích rõ hơn ở phần sau của luận văn

Ở mức độ luận văn, tác giả chủ yếu tìm hiểu tổng quan về cấu tạo của máy khắc

sử dụng cơ cấu galvo, giải quyết vấn đề cơ khí, thiết kế hệ thống điện và điều khiển Qua đó mong muốn giới thiệu công nghệ này rộng rãi hơn đến với người dùng, đến các bạn sinh viên để tiếp tục nghiên cứu giải quyết những vấn đề mà tác giả còn gian dở; từng bước làm chủ công nghệ, cải tiến và hạ giá thành sản phẩm so với sản phẩm của nước ngoài…

Luận văn bao gồm 6 chương như sau:

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

CHƯƠNG V: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG VI: KÊT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 12

1.1 Các phướng pháp khắc laser 13

1.1.1 Khắc Engraving/Marking 13

1.1.2 Khắc Annealing 14

1.1.3 Khắc đổi màu vật liệu (Color change) 15

1.1.4 Khắc bóc lớp bề mặt (Surface removal) 16

1.2 Công nghệ điều khiển tia laser 16

1.3 Cấu tạo hệ thống Laser galvo 18

1.3.1 Hệ thống quét 19

1.3.2 Hệ thống điều khiển 21

1.4 Nguồn laser 21

1.5 Phương pháp quét 23

1.6 Cấu trúc điều khiển 24

1.7 Đặc tính kỹ thuật của một số máy trên thị trường 25

1.8 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi của đề tài 27

1.8.1 Mục tiêu 27

1.8.2 Nhiệm vụ 28

1.8.3 Phạm vi đề tài 28

1.9 Tổ chức luận văn 29

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 30

2.1 Lựa chọn cấu trúc quét 30

2.2 Chọn cơ cấu truyền động cho trục Z 30

2.3 Lựa chọn phương án chống xoay cho đai ốc vít me 31

2.5 Lựa chọn cảm biến 33

2.6 Lựa chọn phương pháp quét 35

2.7 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 35

2.8 Lựa chọn bộ điều khiển 35

2.9 Kết luận 36

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 37

3.1 Mục tiêu thiết kế cơ khí 37

3.2 Phân tích động học đầu quét 37

3.3 Lựa chọn động cơ cho 2 trục X và Y 40

3.4 Tính trục bộ truyền vít me đai ốc 43

3.5 Tính toán ty trượt trục Z 45

3.6 Chọn ổ bi cho vít me 46

3.7 Kết luận 47

CHƯƠNG 4 HỆ THỐNG ĐIỆN 48

4.1 Sơ đồ khối chung của hệ thống điện 48

4.2 Mạch điều khiển TivaC 49

4.3 Driver và động cơ bước 50

4.4 Công tắc hành trình 51

4.5 Nguồn laser 52

4.6 Lựa chọn gương phản xạ 54

4.7 Mạch đệm 55

4.8 Khối nguồn 56

CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 58

5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 58

5.2 Giải thuật nội suy 59

5.3 Giải thuật Return Home 64

5.4 Chương trình điều khiển trên máy tính 65

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67

6.1 Mô hình thực nghiệm và kiểm tra giải thuật điều khiển 67

6.2 Thực nghiệm quá trình truyền nhận dữ liệu và xuất xung 67

6.3 Thực nghiệm một quy trình cơ bản của máy khắc laser 68

6.4 Kết quả đạt được 69

6.5 Hướng phát triển đề tài 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Quá trình khắc bằng tia laser [2] 13

Hình 1.2: Sản phẩm của phương pháp marking [1] 14

Hình 1.3: Phương pháp khắc Annealing [2] 15

Hình 1.4: Sản phẩm của phương pháp khắc đổi màu vật liệu [2] 15

Hình 1.5: Sản phẩm của phương pháp khắc bóc lớp bề mặt [2] 16

Hình 1.6: Laser Plotter [5] 17

Hình 1.7: Laser Galvo [7] 17

Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống Laser galvo 18

Hình 1.9: Hệ gương đa giác [15] 19

Hình 1.10: Hệ 2 gương phẳng [12] 19

Hình 1.11: Cấu trúc hội tụ pre-objective [16] 20

Hình 1.12: Cấu trúc hội tụ post-objective [16] 20

Hình 1.13: Cấu trúc laser Nd-YAG [22] 22

Hình 1.14: Cấu trúc ống phóng CO2 laser [23] 22

Hình 1.15: Laser diode 23

Hình 1.16: Phương pháp quét điểm 23

Hình 1.17: Phương pháp quét vector 24

Hình 1.18: Điều khiển phân cấp 24

Hình 1.19: SpeedMarker 100 25

Hình 1.20: High Speed Galvo Laser Cutting Engraving Machine ZJ(3D)-9045TB 26

Hình 1.21: Epilog G2 Galvo laser 26

Hình 1.22: CO2 Galvo laser marking synrad compact model 27

Hình 2.1: Cấu trúc quét dual mirror và hội tụ pre-objective [12] 30

Hình 2.2: Vít me đai ốc trượt [30] 31

Hình 2.3: AC Servo + Servo Pack Panasonic [31] 32

Hình 2.4: Động có step Nema 23 32

Hình 2.5: Driver A4988 33

Hình 2.6: Driver Microstep AFTG 33

Hình 2.7: Cảm biến quang Omron E3Z-T81 34

Hình 2.8: Cảm biến tiệm cận điện dung CA18CAN12CA 34

Hình 2.9: Công tắc hành trình Omron Z-15GW2-B 34

Hình 2.10: Phương pháp quét vector 35

Hình 3.1: Sơ đồ đầu quét 2 gương phẳng [12] 37

Hình 3.2: Sơ đồ phản xạ 1 gương phẳng 38

Hình 3.3: Sơ đồ phản xạ 2 gương phẳng 38

Hình 3.4: Sơ đồ hội tụ của thấu kính 39

Hình 3.5: Vùng làm việc của máy 40

Hình 3.6: Quan hệ giữa góc quay và toạ độ 2 trục 41

Hình 3.7: Quan hệ giữu góc quay và tạo độ trục x 42

Hình 3.8: Động cơ 39BYG450A-13 43

Hình 3.9: Sơ đồ truyền động trục z 45

Hình 3.10:Đặc tính ổ bi 6002zz 47

Hình 3.11: Mô hình 3D hoàn chỉnh 47

Hình 4.1: Sơ đồ điện của hệ thống 48

Hình 4.2: Vi điều khiển TivaC TM4C123GH6PM 49

Hình 4.3: Sơ đồ nối dây công tắc hành trình 52

Hình 4.4: Quan hệ giữa tốc độ khắc và chiều sâu khắc của các bước sóng laser [35] 53

Hình 4.5: Đầu khắc laser 2W+Driver 54

Hình 4.6: Quan hệ giữa bước sóng laser và độ hấp thụ của vật liệu [36] 54

Hình 4.7: Gương thép tráng bạc 55

Hình 4.8: Sơ đồ chân IC 74HC245 55

Hình 4.9: Mạch giảm áp 5V 57

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống diều khiển 58

Hình 5.2: Giải thuật điều khiển của máy 59

Hình 5.3: Giải thuật nội suy đường thẳng 61

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng nội suy lệnh G1 X30 Y20 62

Hình 5.5: Giải thuật nội suy cung tròn 63

Hình 5.6: Kết quả mô phỏng lệnh G2 X10 Y0 I0 J0 64

Hình 5.7: Quá trình về home bằng phương pháp chốt chặn cơ khí [37] 64

Hình 5.8: Giải thuật về home 65

Hình 5.9: Phần mềm trên máy tính 65

Hình 6.1: Mô hình thực nghiệm 67

Hình 6.2: tín hiệu điều khiển động cơ trục x 68

Hình 6.3: Kết quả hình vuông chạy thực nghiệm 68

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng so sánh các bộ điều khiển 36

Bảng 3.1: Bảng thông số động cơ 39BYG450A-13 [33] 43

Bảng 3.2: Thông số của vít me đường kính ren ngoài 20 mm 44

Bảng 4.1: Bảng chức năng các chân của Driver AFTG 51

Bảng 4.2: Tín hiệu quy định chiều tín hiệu 56

Bảng 4.3: Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị 56

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Laser là tên viết tắt của cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, có nghĩa là “sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xại kích thích” Đặc trưng của chùm tia laser là sóng điện từ có tính đơn sắc tốt, tính định hướng cao, cường độ lớn

và độ dính tốt Vì vậy tia laser có thể đốt cháy, làm nóng chảy hoặc làm bay hơi vật liệu Tia laser được phát minh đầu tiên vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman, và đến ngày nay công nghệ này đã vô cùng phổ biến Bên cạnh nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, y tế, nông nghiệp…laser còn được dung phổ biến trong gia công hiện đại trong ngành cơ khí, ô tô

Phương pháp gia công bằng tia laser sử dụng các tia laser hội tụ tại một điểm tạo

ra sức nóng có thể xuyên thủng và cắt gọt nhiều loại vật liệu; được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, ứng dụng vào việc khoan, hàn, cắt, khắc với các vật liệu có nhiệt

độ nóng chảy cao, kể cả phi kim Laser được sử dụng để gia công những chi tiết cực nhỏ

Quá trình tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công như sau [1]:

 Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và biến đổi thành nhiệt năng

 Đốt nóng vật liệu gia công đến nhiệt độ có thể phá hỏng nó

 Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công

 Vật liệu gia công nghuội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong

Hình 1.1: Quá trình khắc bằng tia laser [2]

Dựa vào tác dụng của tia laser lên vật liệu, người ta đã ứng dụng vào trang trí những sản phẩm độc đáo được làm từ các vật liệu khác nhau Những thành phẩm được khắc bằng laser có độ chính xác cao, chất lượng hình ảnh tốt và tốc độ khắc bằng tia laser rất nhanh

1.1 Các phướng pháp khắc laser

1.1.1 Khắc Engraving/Marking

Engraving và Marking là hai phương pháp tiêu biểu hàng đầu của ngành công nghiệp khắc laser, hoạt động dựa trên quy trình xủa lý tương đương nhau: cắt đốt bằng tia laser gây ra hiện tượng nóng chảy hoặc bay hơi trên vật liệu, tạo vết khắc có độ nông sâu khác nhau Hình là sản phẩm khắc bằng phương pháp Engraving Thông thường phương pháp Engraving có độ sâu khắc cao hơn, tuy nhiên Marrking lại là phương pháp được sử dụng nhiều hơn do có tính kháng mòn cao

Hình 1.2: Sản phẩm của phương pháp marking [1]

1.1.2 Khắc Annealing

Anealing là phương pháp khắc bằng cách nung chảy vật liệu ở nhiệt độ cao bằng tia laser, dưới tác dụng của nhiệt độ và khí Oxy tạo nên vết khắc có độ bền cao, khó bị tẩy xoá và đặc biệt có thể tạo màu (chủ yếu là màu đen) trên vật liệu khắc Phương pháp này được áp dụng hầu hết trên các kim loại, nhưng phổ biến và đạt hiệu quả cao hơn hẳn

là trên vật liệu thép không gỉ Đây là quá trình khắc không để lại bụi bẩn, bavia trên vật liệu, cho vết khắc sạch, mịn và thích hợp khắc trên các thành phẩm Tuy nhiên tốc độ khắc của phương pháp này thấp hơn phương pháp Engraving vì chỉ dựa vào hiệu ứng nhiệt

Hình 1.3: Phương pháp khắc Annealing [2]

1.1.3 Khắc đổi màu vật liệu (Color change)

Một trong những chức năng nổi bậc của một chiếc máy khắc laser công nghiệp là khả năng làm đổi màu vật liệu, tạo hiệu ứng thẩm mỹ cao Đây là phương pháp khắc dựa vào quá trình carbon hoá (quá trình nhiệt hoá) hoặc tạo bọt trên vật liệu gây bởi sự hấp thụ chùm tia laser Trong đó quy trình carbon hoá tạo hiệu ứng tối, cho vết khắc có màu sẫm hơn vật liệu khắc Ngược lại, quy trình tạo bọt cho vết khắc có màu sáng, có thể phát quang trong bóng tối, đem lại nhiều hiệu quả tích cực tuỳ vào mục đích sử dụng chúng Ngoài ra, phương pháp này còn có thể tạo vết khắc đa màu sác, tuỳ thược vào thuộc tính của vật liệu sử dụng

Hình 1.4: Sản phẩm của phương pháp khắc đổi màu vật liệu [2]

1.1.4 Khắc bóc lớp bề mặt (Surface removal)

Đây là phương pháp được phát triển tù công nghệ khắc sáng tối, có tác dụng làm bong tróc lớp bề mặt bên ngoài tạo ra vết khắc có màu sắc của lớp vật liệu chính bên trong Các lớp phủ bên ngoài thường là các lớp sơn tĩnh điện hoặc lớp phôi kim loại đặc biệt Sau khi khắc, lớp phủ này dễ dàng được tách ra tạo nét khắc như mong muốn mà không ảnh hưởng đến lớp vật liệu chính bên trong

Hình 1.5: Sản phẩm của phương pháp khắc bóc lớp bề mặt [2]

Với hiều ứng dụng khắc và xử lý bề mặt hiệu quả, đem lại chất lượng vượt trội hơn hẳn các công nghệ khác, máy khắc laser là một bước đột phá trong công nghệ laser và được hầu hết các nhà máy, xí nghiệp hiện nay sử dụng trong dây chuyền sản xuất sản phẩm

1.2 Công nghệ điều khiển tia laser

Công nghệ điều khiển tia laser để gia công hiện nay có thể chia làm 2 loại: công nghệ chạy bàn máy plotter/flatbed và công nghệ quét chùm tia galvo Công nghệ chạy bàn máy cho nét cắt/khắc sắc nét, tuy nhiên chậm và thiết bị công kềnh, vùng làm việc tuỳ thuộc vào kích thước bàn máy

Hình 1.6: Laser Plotter [5]

Công nghệ galvo laser sử dụng những gương phản xạ tốc độ cao để điều khiển tia laser qua thấu kính Tuỳ thuộc vào vị trí trong trường làm việc, chùm tia ảnh hưởng lên vật liệu với các góc nghiêng khác nhau Kích thước của vùng làm việc được xác định bởi góc tới của chùm tia laser đến thấu kính và chiều dài tiêu cự thấu kính Vì không có các bộ phận chuyển động (trừ gương) nên tia laser được quét qua phôi với tốc độ cực kỳ nhanh với độ chính xác cao, làm cho chúng là lựa chọn lý tưởng khi cần khắc ở tốc độ cao và chính xác trên vùng làm việc nhỏ [6] Galvo laser có thể được sản xuất ở dạng máy khắc riêng biệt hoặc ở dạng các đầu quét tích hợp trong các dây chuyền

Hình 1.7: Laser Galvo [7]

1.3 Cấu tạo hệ thống Laser galvo

Đã có nhiều nghiên cứu về úng dụng của đầu galvo, đặc biệt trong lĩnh vực thuật toán khắc/đánh dấu Verboven (1988) [8] đã sử dụng các phân tích lượng giác để xác định trên vùng làm việc và cung cấp một phương pháp điện tử chính xác để khắc phục

sự biến dạng hình ảnh bằng cách thiết lập các góc quay gương chính xác với chuỗi khai triển bậc 5 Li và Katz (1995, 2008) [9] [10] trình bày các nghiên cứu mô hình hoá vùng làm việc với các loại kiến trúc quét khác nhau: gương đơn, gương đôi, đa giác… Hafez, Sidler and Salathé (2003) [11] sử dụng phương pháp vector để phân tích sự lan truyền chùm tia laser, phác thảo các thông số quang trọng trong việc bóp méo hình ảnh và các thuật toán bù trừ cuối cùng cho những biến dạng này Chen (2008, 2009) [12] [13] xây dựng một máy khắc mã vạch hoàn thiện sử dụng trên mặt phẳng và trên mặt cong dùng đầu galvo trên hệ thống điều khiển DSP…

Một hệ thống Galvo laser gồm 3 thành phần chính: khối công suất gồm nguồn điện

và laser công suất để gia công vật liệu, khối quét để điều hướng tia laser và khối điều khiển để điều khiển cường độ tia laser và các trục trong khối quét Ngoài ra còn có hệ thống bàn máy để di chuyển phôi đối với các dây chuyền sản xuất hay điều chỉnh khoảng cách từ đầu Galvo đến mặt phẳng làm việc (phụ thuộc vào cấu trúc quét)

Hình 1.8: Cấu trúc hệ thống Laser galvo

1.3.1 Hệ thống quét

1.3.1.1 Hệ thống phản xạ

Hệ thống phản xạ là hệ con của khối quét chùm tia laser, tuy nhiên nó là hệ thống quan trọng nhất Nhiệm vụ của nó là tạo các góc lệch cho chùm tia, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến vị trí tia laser trên vùng làm việc hệ thống này gồm các gương được tối ưu cho từng dải bước sóng cụ thể, có tráng chất đặc biệt để phản xạ cao và chống hấp thụ ánh sáng Có 2 hệ thống phản xạ thường dùng [14]:

Hệ gương đa giác: gồm các gương phẳng được đặt trên các mặt bên của khối lăng trụ đa giác đều khối này được gắn lên trục của một động cơ để tạo chuyển động quay Đặc tính quan trọng của hệ thống phản xạ dạng này là để quét chùm tia theo chiều dọc và lặp lại với tốc độ cao, ổn định và góc quét rộng Tuy nhiên do quán tính lớn nên không thể ứng dụng trong trường hợp đòi hỏi tốc độ thay đổi hay các dạng đường start/stop liên tục [15]

Hình 1.9: Hệ gương đa giác [15]

Hệ gương phẳng: gồm 2 gương phẳng, mỗi cái được gắn lên một động cơ có giới hạn góc quay Loại này có tốc độ quét chậm hơn loại đa giác nhưng phù hợp với những ứng dụng đòi hỏi tốc độ thay đổi liên tục [15]

Hình 1.10: Hệ 2 gương phẳng [12]

1.3.1.2 Hệ thống hội tụ

Hệ thống hội tụ có thể chia làm 2 loại: pre-objective và post-objective [16]

Trong cấu trúc pre-objective chùm tia laser sau khi phản xạ đi qua thấu kính và hội tụ ở mặt phẳng tiêu cự của thấu kính Cấu trúc này cho phép góc quét nhỏ và phù hợp với vùng làm việc là một mặt phẳng

Hình 1.11: Cấu trúc hội tụ pre-objective [16]

Trong cấu trúc post-objective chùm tia laser đi qua thấu kính trước và bắt đầu hồi tụ, sau đó đi qua hệ thống quét và hội tụ trên bề mặt trụ, có đường cong trung tâm trùng với trục quay của gương Về nguyên tắc, cấu trúc này cho phép quét với góc

3600 Post-objective vẫn có thể quét trên mặt phẳng, miễn là góc quét đủ nhỏ, tuy nhiên đường kính chùm tia trên đường quét qua sẽ khắc nhau [16]

Hình 1.12: Cấu trúc hội tụ post-objective [16]

1.3.1.3 Động cơ sử dụng cho hệ thống phản xạ

Nghiên cứu trên các máy khắc laser công nghiệp hay trên các ứng dụng Laser projector, máy quét hình ảnh dùng đầu quét Galvo thì người ta thường sử dụng động cơ servo hoặc động cơ bước

1.3.2 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển sử dụng một hệ quy tắc toán học để điều khiển đường đi của tia laser theo biên dạng người dùng đưa vào thông qua các thay đổi góc quay của động cơ; đồng thời phát tín hiêu để điều khiển cường độ tia laser phù hợp với vật liệu hoặc độ sâu đường khắc/độ đậm nhạt của đường hình ảnh đưa vào Bên cạnh đó nó còn có vai trò bù trừ tín hiệu để khắc phục các biến dạng yếu tố sai số quang học, sai số hệ thống quét và trong xử lý tín hiệu

Những năm gần đây, với sự gia tăng úng dụng của máy khắc laser lên các sản phẩm, thì các nghiên cứu về hệ thống điều khiển và cải thiện chất lượng máy khắc laser galvo ngày càng nhiều Chen (2003) [17] phát triển hệ thống đánh dấu laser trên nền điều khiển PC, với card D/A 16-bit tăng độ tin cậy trong định vị chùm tia Liu (2005) [18] đề xuất một hệ thống laser CO2 truyền thông trực tuyến, hệ thống điều khiển dựa trên Visual C++, với các chức năng kiểm soát đầu ra, truy cập dữ liệu bằng thanh ghi và

có hệ thống mô phỏng hoạt động Chen (2008) [12] phát triển máy khắc laser CO2 với

bộ điều khiển DSP mạnh mẽ có thể xử lý các tín hiệu trong thời gian thực, tích hợp giao diện HMI tiện lợi cho người sử dụng Wang (2014) [19] phát triện hệ thống nhúng cho máy khắc laser trên nền ARM và FPGA Processor, tín hiệu điều khiển trên 2 trục là đồng bộ giúp tăng độ chính xác; đồng thời kích thước cũng thu nhỏ đáng kể so với các máy khắc thương mại chạy trên nền Windows

1.4 Nguồn laser

Theo thời gian có rất nhiều loại laser được tạo ra, tuy nhiên để ứng dụng trong ngành cắt/ khắc vật liệu thì chủ yếu 3 loại

Laser Nd-YAG có bước sóng 1064 nm thuộc phổ hồng ngoại, năng lượng của nó

có thể đạt tới 100W ở chế độ phát liên tục hoặc có thể phát ở dạng xung với tần số 10.000 Hz Với bước sóng ngắn nó có thể dễ dàng được kim loại hấp thụ, nhưng lại không phù hợp với các vật liệu hữu cơ như acrylic, gỗ, nhựa, cao su… [21]

1000-Hình 1.13: Cấu trúc laser Nd-YAG [22]

Laser CO2: có bước sóng 10640 nm, là loại laser liên tục có bước sóng cao nhất, rất khó có thể hấp thụ bởi kim loại, nhưng lại dễ dàng hấp thụ bởi các vật liệu hữu cơ Năng lượng của laser loại này có thể đạt từ vài chục watt đến hàng ngàn killowatts

Hình 1.14: Cấu trúc ống phóng CO 2 laser [23]

Laser bán dẫn (laser diode): là một loại laser nhỏ, với bước sóng đa dạng trải dài

từ 405 nm đến 3330 nm, có thể hập thụ bởi nhiều loại vật liệu, với tốc độ thực thi cao hơn hai loại trên Tuy nhiên độ song song của chùm tia không được cao, đồng thời chất bán dẫn dễ bị lão hoá và nhiễu điện nên tuổi thọ kém

Hình 1.15: Laser diode

1.5 Phương pháp quét

Để khắc các mẫu và ký tự, nguồn laser phải có năng lượng cao hơn các quá trình

xử lý thông thường được mô tả bở Ion (2005) [23] Các phương pháp quét vận hành chủ yếu là:

Dot-scan: chùm tia laser được phát ra đi qua hệ thống quét và thấu kính hội tụ trên

bề mặt vật liệu, và di chuyển ngắt quãng tạo thành các chấm nhỏ làm chảy vật liệu tại

đó Các mẫu và ký tự sẽ là tập hợp những dấu chấm này Tốc độ của pháp quét này với công suất laser CO2 thấp và xung tần số cao có thể đạt 152.4 (m/phút) (Liao-2004) [24] Nhược điểm của phương pháp này là cho độ phân giải thấp [13]

Hình 1.16: Phương pháp quét điểm

Vector-scan: giống như chế độ “writing” với đầu bút là đầu laser, tia laser bám theo biên dạng mẫu, với sự hỗ trợ của hệ thống CAD/CAM Nó thích hợp cho việc khắc các đường biên dạng

Hình 1.17: Phương pháp quét vector

1.6 Cấu trúc điều khiển

Về mặt cấu trúc điều khiển, máy khắc laser gồm bộ phận điều khiển chính, bộ phận điều khiển động cơ, bộ phận điều khiển dầu đầu laser Có 2 phương pháp để kết nối các bộ phận với nhau là điều khiển tập trung và điều khiển phân cấp

Hình 1.18: Điều khiển phân cấp

Trong cấu trúc điều khiển phân cấp:

Nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng trong hệ thống Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, các MCU Slave đảm nhiệm việc điều khiển từng

bộ phận riêng lẻ trong máy Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho

master và cho phép máy thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc Cấu trúc điều khiển phân cấp

có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các

MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian xử lý của

hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung

Hình 1.20: Điều khiển tập trung

Một bộ điều khiển trung tâm truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới

1.7 Đặc tính kỹ thuật của một số máy trên thị trường

Sau quá trình tìm hiểu các vấn đề liên quan đến máy khắc laser galvo, thì các sản phẩm thương mại của loại máy này cũng được tìm hiểu nhằm tạo cơ sở cho việc thiết

kế hợp lý hơn

a) SpeedMarker 100 của Trotec [25]

Hình 1.19: SpeedMarker 100

Một số đặc tính kỹ thuật của máy:

 Kích thước vùng làm việc tối đa: 240x240 mm

Hình 1.20: High Speed Galvo Laser Cutting Engraving Machine ZJ(3D)-9045TB

Một số đặc tính kỹ thuật của máy:

 Kích thước vùng làm việc tối đa: 900x450 mm

Một số đặc tính kỹ thuật của máy:

 Kích thước vùng làm việc tối đa: 609x609 mm

 Loại laser: Fiber

 Công suất: 50 W

d) CO2 Galvo laser marking synrad compact model của Rose Graphix [28]

Hình 1.22: CO 2 Galvo laser marking synrad compact model

Một số đặc tính kỹ thuật của máy:

 Vùng làm việc 100mmx100mm

 Công suất: 60W

 Loại laser: Fiber laser 10,6 𝜇𝑚

1.8 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi của đề tài

1.8.1 Mục tiêu

Từ các tìm hiểu ở các phần bên trên cũng như đặc tính của các máy thương mại,

đề tài tập trung thiết kế máy khắc laser galvo trên gỗ, chế tạo mô hình kiểm tra phương

án lựa chọn, xây dựng firmware cho máy và thiết kế phần mềm điều khiển

Từ các mục tiêu này, đề tài tập trung thiết kế máy khắc laser galvo với những đặc tính sau:

 Tốc độ khắc: 5 mm/s

Để đạt được các mục tiêu như trên, các nhiệm vụ cần phải được thực hiện như sau:

 Đề xuất và lựa chọn phương án thiết kế sau khi đã tìm hiểu các vấn đề liên quan đến máy

 Thiết kế cơ khí cho các bộ phận của máy, vẽ bản vẽ lắp cho một máy hoàn chỉnh, chế tạo mô hình thực nghiệm để kiểm tra giải thuật điều khiển

 Thiết kế hệ thống điện cho máy

 Xây dựng chương trình điều khiển cho máy, bao gồm:

- Xây dựng giải thuật nội suy đường thẳng, đường tròn

- Thiết kế phần mềm giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển để thuận tiện cho người sử dụng

 Thực nghiệm đánh giá kết quả

me đai ốc, thanh trượt, ổ lăn

 Chương 4 trình bày các linh kiện được sử dụng trong hệ thống điện của máy, bao gồm: vi điều khiển, driver, cảm biến, nguồn điện, đầu laser,…

 Chương 5 trình bày về việc thiết kế bộ điều khiển của máy, bao gồm: giải thuật nội suy đường thẳng và đường tròn, giải thuật về home cho máy, giao diện điều khiển trên máy tính

 Chương 6 trình bày kết luận về khả năng của máy, những hạn chế còn tồn tại của đề tài và hướng phát triển

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2.1 Lựa chọn cấu trúc quét

Với mục tiêu của luận văn là khắc 2D trên vật liệu gỗ, ta chọn cấu trúc quét với hệ

2 gương phẳng phản xạ và thấu kính hội tụ pre-objective Hệ gương phẳng phù hợp với những biên dạng đường thay đổi liên tục, và cấu trúc pre-objective thích hợp cho việc quét trên mặt phẳng, khắc phục tình trạng kích thước các đường khắc không đồng đều

Hình 2.1: Cấu trúc quét dual mirror và hội tụ pre-objective [12]

2.2 Chọn cơ cấu truyền động cho trục Z

Trục này có nhiệm vụ thay đổi khoảng cách từ đầu quét đến bàn máy để giữ cố định khoảng cách từ đầu quét đến mặt phẳng làm việc Trục này không dùng động cơ dẫn động mà chỉ chỉnh trực tiếp bằng tay Phương án thường sử dụng trong các kết cấu máy là dùng vít me-đai ốc trượt vì bộ truyền này có khả năng tự hãm tốt

Bộ truyền vít me-đai ốc trượt có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, dễ chế tạo; khả năng tải lớn, độ tin cậy cao; làm việc êm và không ồn; lợi nhiều về lực và chuyển động với

độ chính xác cao, tuy nhiên tồn tại nhược điểm nhanh mòn ren do ma sát lớn, hiệu suất truyền thấp [29]

Hình 2.2: Vít me đai ốc trượt [30]

Ngoài ra còn có phương án sử dụng bộ truyền thanh răng bánh răng, với bánh cóc ngăn chuyển động ngược đặt ở bánh răng chủ động Tuy nhiên bộ truyền này có khả năng hãm nhưng có khoảng rơ khá lớn, và muốn quay bánh chủ động theo chiều ngược lại yêu cầu tải trọng nâng phải nhỏ

Luận văn lựa chọn vít me đai ốc trượt cho nhiệm vụ nâng hạ trục Z

2.3 Lựa chọn phương án chống xoay cho đai ốc vít me

Việc lựa chọn vít me là phương án truyền động cho trục tịnh tiến Z, đầu quét sẽ được mang trên đai ốc nên cần có phương án chống xoay cho đai ốc Có 2 phương án được sử dụng phổ biến là sử dụng ray trượt và thanh trượt tròn Vì chỉ có nhiệm vụ nâng

hạ trục Z, do đó không yêu cầu độ chính xác cao, nên luận văn lựa chọn phương án sử dụng thanh trượt tròn

2.4 Lựa chọn động cơ và driver

Do yêu cầu phải điều khiển được vị trí và tốc độ cho hệ thống gương, và đặt trong đầu quét nên yêu cầu phải điều khiển chính xác góc quay và kích thước vật lý phải nhỏ Các loại dộng cơ có thể sử dụng bao gồm: Động cơ bước, động cơ Servo (DC hay AC) Động cơ Servo cung cấp torque lớn, có độ chính xác cao, có thể chạy mượt ở tốc

độ chậm và có tín hiệu phản hồi Tuy nhiên giá thành khá đắt, kích thước lớn và vì yêu cầu tải trọng không đáng kể nên sử dụng động cơ loại này gây lãng phí

Hình 2.3: AC Servo + Servo Pack Panasonic [31]

Động cơ bước có thể điều khiển chính xác vị trí, giá thành rẻ và không có tín hiệu phản hồi Đây vừa là ưu điểm vừa là nhược điểm của loại này, không gây áp lực xử lý lên bộ điều khiển nhưng không có tín hiệu để kiểm tra đã đúng hay chưa? Kích thước của loại này khá gọn để đạt độ chính xác cao

Hình 2.4: Động có step Nema 23

Nhận thấy việc sử dụng động cơ step để điều khiển chuyển động của các trục có thể đảm bảo tốc độ và độ chính xác vị trí Đồng thời giá thành động cơ step đi cùng driver rẻ hơn khá nhiều so với bộ servo-servo pack nên luận văn chọn động cơ step làm

mô hình kiểm nghiệm các tính toán và điều khiển mà mục tiêu đầu bào đặt ra

Việc điều khiển động cơ bước thông thường sử dụng 2 loại driver: A4988 hoặc Microstep Driver A4988 có kích thước vật lý nhỏ gọn, có bảo vệ quá nhiệt, tuy nhiên

Hình 2.5: Driver A4988

Driver Microstep với IC AFTG có độ phân giả tối đa 1/32 bước, có bảo vệ quá nhiệt và cho dòng ra lớn nhưng kích thước lại khá lớn

Hình 2.6: Driver Microstep AFTG

Với mục tiêu ưu tiên chất lượng điều khiển, và bên cạnh đó luận văn đã chuẩn bị các phương án thiết kế giải quyết vấn đề kích thước của driver, nên driver micrstep AFTG được chọn

2.5 Lựa chọn cảm biến

Cảm biến trong máy laser galvo có nhiệm vụ giới hạn hành trình và xác định vị trí Home của máy Có 3 loại thường dùng là cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình

Cảm biến quang có độ nhạy cao, xác định vật ở khoảng cách xa, tuy nhiên trong

nó lại dễ bị nhiễu bởi ánh sáng ngoại cảnh

Hình 2.7: Cảm biến quang Omron E3Z-T81

Cảm biến điện dung có tốc độ chuyển mạch khá nhanh, có thể phát hiện được vật liệu kim loại và phi kim, nhưng có kích thước khá lớn

Hình 2.8: Cảm biến tiệm cận điện dung CA18CAN12CA

Công tắc hành trình dễ sử dụng, giá thành rẻ nhưng dễ bị mòn do ma sát

Hình 2.9: Công tắc hành trình Omron Z-15GW2-B

Vì trong ứng dụng này hoạt động với ánh sáng laser nên cảm biến quang không

thiếu không gian lắp đặt cho cảm biến điện dung có thể xảy ra Vậy luận văn chọn

công tắc hành trình cho nhiệm vụ này

2.6 Lựa chọn phương pháp quét

Hai phương pháp thương dùng cho hẹ thống khắc laser là: dot-scan và vector-scan Dot-scan tiết kiệm thời gian cho bộ xử lý, tuy nhiên chất lượng khắc kém Vector scan

có độ phân giả cao, tuy nhiên yêu cầu hệ thống xử lý làm việc lên tục, và dễ gây hư hại cho đầu laser nếu vector quét quá dài

Với mối quan tâm về chất lượng đường khắc và sản phẩm ra đời để phục vụ cho việc khắc các đương nên tác giả lựa chọn phương pháp vector scan

Hình 2.10: Phương pháp quét vector

2.7 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

Việc sử dụng các bộ xử lí khác nhau để đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau làm

tăng tốc độ xử lí Tuy nhiên nhằm tránh ảnh hưởng của nhiễu ảnh hưởng đến dữ liệu

truyền nhận Do đó ở đề tài này lựa chọn cấu trúc điều khiển tập trung với bộ điều

khiển đảm nhận việc tính toán cũng như điều khiển động cơ và đầu laser Bên cạnh đó

sử dụng máy tính để tạo và gửi file G-Code đến vi điều khiển

2.8 Lựa chọn bộ điều khiển

Bộ điều khiển sẽ thực hiện nhiệm vụ xử lý dữ liệu biên dạng đường khắc, điều khiển động cơ và cường độ laser Thông thường, người ta sẽ xử dụng máy tính với board motion control, hay vi điều khiển…Luận văn này chọn Vi điều khiển làm bộ điều khiển tập trung, xử lý mọi tín hiệu và giao tiếp với máy tính

Được thiết kế điều khiển chung

Các phương án được lựa chọn cho máy khắc laser galvo như sau:

 Sử dụng cấu trúc quét dual-mirrors và cấu trúc hội tụ pre-objective cho hệ thống quét

 Sử dụng vit me-đai ốc lăn kết hợp thanh trượt tròn dẫn hướng để nâng hạ đầu quét

 Sử dụng động cơ bước để vận hành hai trục X và Y

 Sử dụng công tắc hành trình để giới hạn vùng làm việc và về home

 Sử dụng phương pháp quét vector

 Sử dụng caasuu trúc điều khiển tập trung với kit Tiva C lauchpad đồng thời kết hợp với máy tính để truyền nhận dữ liệu