Nghiên cứu, chế tạo máy khắc laser

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI ***KHOA CƠ KHÍ*** BỘ MÔN KỸ THUẬT MÁY -o0o - THUYẾT MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER” GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS PHẠM HOÀNG VƯƠNG SINH VIÊN THỰC HIỆN : PHAN CHUNG HIẾU – MSV: 160301383 : ĐÀO XUÂN VINH – MSV: 160301421 LỚP : CƠ ĐIỆN TỬ KHÓA : 57 HÀ NỘI-2020 Bộ giáo dục đào tạo Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Trường Đại học Giao thông Vận tải Độc lập- Tự do- Hạnh phúc NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP BỘ MƠN: KỸ THUẬT MÁY KHOA: CƠ KHÍ Sinh viên: Phan Chung Hiếu – MSV: 160301383 Lớp: Cơ điện tử -Khóa: 57 Đào Xuân Vinh – MSV : 160301421 Tên tóm tắt yêu cần, nội dung đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo máy khắc laser “ Số liệu cần thiết để thiết kế:  Tham khảo thông số cần thiết động để tính tốn tra datasheet động  Tính tốn thiết kế truyền ( tra giáo trình thiết kế hệ dẫn động khí )  Các thơng số khác tra sách tham khảo chi tiết máy Nội dung thuyết minh: Tìm hiểu tình hình nghiên cứu máy khắc laser nước giới Tổng quan CNC Tổng quan Laser Hình thành phương án thiết kế tối ưu sở lý thuyết Thiết kế máy khắc laser: Tính toán động cơ, truyền động thiết kế khí Chế tạo máy hồn chỉnh, lập trình vận hành máy, kiểm tra thử nghiệm sản phẩm Kết luận hướng phát triển Các vẽ chính: Các vẽ sơ đồ minh họa Những yêu cầu bổ sung thêm nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp chuyên đề: ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………… Cán hướng dẫn: a Giáo viên: TS Phạm Hoàng Vương b Cán sản xuất: ………………………………………………………………… Ngày giao nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp: 17/12/2020……….………………………… Ngày bắt đầu thiết kế tốt nghiệp: 30/03/2020………………………………………… TL\HIỆU TRƯỞNG Ngày… Tháng… Năm 2020 Đã giao nhiệm vụ TKTN Trưởng Khoa Trưởng Bộ môn Đã nhận nhiệm vụ TKTN Sinh viên: Phan Chung Hiếu Giáo viên hướng dẫn Đào Xuân Vinh Lớp Cơ Điện Tử - Khóa: 57 LỜI CẢM ƠN Lời em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô khoa Cơ Khí Trường Đại học Giao Thơng Vận Tải Các thầy ln nhiệt tình dạy dỗ tạo điều kiện cho chúng em học tập nghiên cứu suốt năm học đại học Em xin cảm ơn tới thầy giáo TS Phạm Hoàng Vương tận tình giúp đỡ bảo em suốt thời gian làm đồ án tốt nghiệp vừa qua Em tin tri thức kinh nghiệm mà thầy truyền đạt cho em hành trang quý giá với em bước đường tương lai Cuối xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, người thân gia đình bạn sinh viên tập thể lớp Cơ Điện Tử Khóa 57 bên ủng hộ cho chúng tơi ý kiến đóng góp giá trị thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 27 tháng năm 2020 Sinh viên Phan Chung Hiếu TÓM TẮT Đào Xuân Vinh Thiết kế máy khắc laser hướng nghiên cứu nhận nhiều quan tâm gần nhiều ứng dụng đa dạng lĩnh vực, ngành nghề: ngành may mặc, khí, kim hồn, khuôn mẫu, in ấn, dược phẩm… cần thiết mặt đời sống Nhờ vào việc đa ứng dụng độ xác cao, đơn giản, thực nhanh chóng, máy khắc laser ngày trở lên phổ biến Bài luận án trình bày trình thiết kế phần cứng phần mềm hệ thống hồn thiện máy khắc laser Phần luận văn trình bày phân tích cụm chức máy khắc laser sở phương án sẵn có thị trường phương án mới, từ làm sở lựa chọn phương án thiết kế tốt phù hợp với yêu cầu đưa ra: Không gian in : 220x220 mm Các kết đạt cho thấy hệ thống hoạt động tốt, ổn định, đưa vào ứng dụng thực tế MỤC LỤC NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii DANH SÁCH HÌNH VẼ ix CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .1 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương án nghiên cứu 1.5.1 Cách thức nghiên cứu 1.5.2 Phương tiện nghiên cứu .2 1.6 Tình hình nghiên cứu 1.6.1 Trên giới 1.6.2 Trong nước 1.6.3 Hướng nghiên cứu 1.7 Sơ lược máy khắc laser 1.7.1 Giới thiệu máy khắc Laser .6 1.7.2 Cấu tạo máy khắc Laser diode 1.7.3 Nguyên lý hoạt động 1.7.4 Các loại máy khắc laser 1.8 Kết cấu đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CNC VÀ LASER 2.1 Tổng quan máy CNC 2.1.1 Khái quát máy công cụ CNC .9 2.1.1.1 Sơ lược máy CNC trình phát triển 2.1.1.2 Cơ sở máy CNC 10 2.1.1.3 Đặc điểm phân loại 11 2.1.2 Nguyên lý vận hành máy công cụ điều khiển số 12 2.1.2.1 Chương trình gia cơng chi tiết 12 2.1.2.2 Khối điều khiển 12 2.1.2.3 Điều khiển Logic 12 2.1.2.4 Cấu trúc khối chức hệ thống CNC 13 2.1.3 Hệ thống tính tốn điều khiển 14 2.1.3.1 Khái niệm phân loại 14 2.1.3.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC từ máy vi tính 15 2.1.3.3 Một số mã lệnh 17 2.1.4 Lợi ích máy cơng cụ CNC 19 2.1.4.1 Tự động hóa sản xuất 19 2.1.4.2 Độ xác lặp lại cao sản phẩm 19 2.1.4.3 Tính linh hoạt máy cơng cụ CNC 19 2.1.4.4 Phạm vi sử dụng máy CNC 19 2.2 TỔNG QUAN VỀ LASER .20 2.2.1 NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN 20 2.2.2 GIỚI THIỆU VỀ TIA LASER 21 2.2.2.1 Cấu tạo laser 21 2.2.2.2 Nguyên lí hoạt động .23 2.2.2.3 Phân loại 23 2.2.2.4 Tính chất tia laser 24 2.2.2.5 An toàn sử dụng tia laser 25 2.2.2.6 Ứng dụng tia laser 25 2.2.2.7 Đi-ôt laser 27 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 30 3.1 Cơ sở chọn phương án thiết kế 30 3.1.1 Phần khí 30 3.1.2 Phần điện 33 3.1.3 Lựa chọn giải pháp .34 3.2 Cơ sở lý thuyết 36 3.2.1 Động bước .36 3.2.2 Bộ truyền đai 39 3.2.3 Mạch điều khiển 42 3.2.4 Mạch điều khiển động A4988 43 3.2.5 Mạch driver laser 44 3.2.6 Vi điều khiển Arduino Uno R3 45 3.2.7 ADAPTER 47 3.2.8 Đầu Laser 2W 47 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ MÁY KHẮC LASER 50 4.1 Tính tốn tốc độ quay động 50 4.2 Tính tốn thiết kế truyền đai 52 4.2.1 Cấu tạo thơng số hình học truyền đai 54 4.2.2 Các thông số truyền đai 54 4.2.3 Ứng suất đai 56 4.3 Thiết kế khí 57 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 62 5.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển 62 5.2 Các phận cấu trúc khí 62 5.3 Các phận cấu trúc mạch điện 63 5.4 Lập trình điều khiển 63 5.4.1 Cài đặt firmware cho máy khắc laser ( GRBL 1.1 ) 64 5.4.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy khắc laser 66 5.4.3 Phần mềm điều khiển máy khắc laser 69 5.5 Quá trình thực nghiệm 70 5.6 Sản phẩm thực tế 71 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .75 6.1 Kết luận 75 6.2 Phần làm 75 6.3 Phần chưa làm 76 6.4 Hướng phát triển .76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .79 - Tốc độ truyền nhận liệu với máy tính, Baud Rate = 115200 Có thể thay đổi theo Gcode tốc độ spinde, công suất laser PWM Firmware tải đây: https://github.com/gnea/grbl/releases Phần mềm sử dụng để upload firmware Arduino IDE: https://www.arduino.cc/en/Main/Software phần mềm thiết lập firmware GRBL Controller: Do firmware có mã nguồn mở, sử dụng cho tất loại máy CNC, máy khắc laser khác nhau, ta phải thiết lập firmware cho phù hợp với máy khắc laser thiết kế chức sử dụng, kích thước vùng in, tốc độ chức bảo vệ…  Một vài thông số cần thiết lập cho firmware: $30 = 255 ( tốc độ trục tối đa, RPM ) $31 = ( tốc độ trục tối thiểu, RPM ) $32 = ( Chế độ laser, thay đổi công suất laser thông qua Gcode với lệnh M3, M4, M5 ) $100 = 80.000 ( Bước động trục X thực để di chuyển 1mm, step/mm ) $101 = 80.000 ( Bước động trục Y thực để di chuyển mm, step/mm ) $110 = 5000.000 ( Tốc độ tốt đa động trục X hoạt động, mm/min ) $111 = 5000.000 ( Tốc độ tối đa động trục Y hoạt động, mm/min ) $120 = 2000.000 ( Gia tốc trục X, mm/sec^2 ) $121 = 2000.000 ( Gia tốc trục Y, mm/sec^2 ) $130 = 200.000 ( Khoảng cách làm việc tối đa trục X, millimeters ) $131 = 200.000 ( Khoảng cách làm việc tối đa trục Y, millimeters )  Tính số bước động ( step/mm ) Động lựa chọn loại động bước có góc quay động 1.8°, với Driver A4988 chọn chế độ vi bước sixteenth step ( 1/16 ), từ tính số bước quay vịng quay ( góc quay 360° ) là: 16 - Số bước = 360  3200 1,8 ( step/rev ) Puly lựa chọn chương loại puly 20 răng, đai GT2 ( 2mm/bước răng) nên vòng quay puly 40mm Suy để động 1mm, với 3200 step vịng số bước động 3200/40=80 (step/mm) 5.4.2 Phần mềm tạo mã Gcode cho máy khắc laser Phần mềm Inkscape trình soạn thảo đồ họa vector miễn phí mã nguồn mở Phần mềm sử dụng để tạo chỉnh sửa đồ họa vector minh họa, sơ đồ, nghệ thuật vẽ đường, biểu đồ, logo tranh phức tạp Định dạng đồ họa vector Inkscape đồ họa vectơ mở rộng (SVG-Scalable Vector Graphics); nhiên, nhiều định dạng khác nhập xuất Hình 5.3: Giao diện phần mềm xuất mã G-code (Inkscape)  Hướng dẫn sử dụng phần mềm Inkscape: Bước 1: Chúng ta chọn file dạng vector, file ảnh đen trắng cách vào File � Import Ta tạo chữ viết cách nhấn vào biểu tượng chữ A cơng cụ phía bên trái nhấn F8 Bước 2: Chọn kích thước hình ảnh, vị trí cần gia cơng Trong mục chọn vị trí gia cơng hình 5.4, ta chọn X,Y=(0,0) đặt điểm gốc tọa độ hình để sau khơng gặp cố máy khơng vượt khỏi phạm vi Kích thước hình cần gia cơng tương ứng với W H, chiều rộng chiều ngang, đảm bảo đơn vị tính theo tài liệu mm Kích thước gia cơng thay đổi tùy ý phải nhỏ không gian làm việc máy Hình 5.4: Cài đặt vị trí, kích thước gia công gốc tọa độ Bước 3: Ta vào Path chọn Object to Path để chọn đối tượng theo đường Trace Bitmap để phác họa hình ảnh theo nhận dạng Trong tab Trace Bitmap � Mode � Single scan creates a path có chế độ như: - Brightness cutoff: Sử dụng bóng điểm ảnh để định màu đen hay màu trắng - Edge detection: Phát cạnh để phác họa lại ban đầu Color quantization: Phát cạnh dựa khác biệt màu sắc Invert image: chuyển màu đen sang màu trắng ngược lại Sau chọn chế độ ( thường sử dụng Brightness cutoff ), ta update chuyển sang bước Hình 5.5: Phác họa hình ảnh Bước 4: Để xuất file mã Gcode ta chọn Extensions � 305 Engineering � Raster Laser Gcode generator Giải thích ý nghĩa thơng số tab Raster Laser Gcode generator: - Export directory: Đường dẫn lưu file Gcode File Name: Tên file Gcode Resolution: Độ phân giải Engraving speed: Tốc độ Laser On Command: Lệnh bật Laser (M03) Laser Off Command: Lệnh tắt Laser (M04,M05) Hình 5.6: Xuất mã Gcode ( Raster Laser) 5.4.3 Phần mềm điều khiển máy khắc laser Phần mềm GRBL Controller thiết kế người dùng, giao diện dễ sử dụng GRBL Controller thiết kế để gửi GCode đến máy CNC, máy khắc laser Nó cung cấp cho người dùng cách tốt để lấy lệnh xuống trình điều khiển chúng sử dụng Phần mềm kết nối với máy tính thơng dễ dàng thơng qua cổng COM4 với Baud Rate 115200  Các thông số phần mềm GRBL Controller: - Vùng Connection: Chọn cổng Com Baud Rate, nút Open/Close để tắt mở cổng - Choose file: Chọn file Gcode lưu từ phần mềm Gcode để gia công tự động Tab Axis Control: Điều khiển máy di chuyển thủ công (cân chỉnh thử nghiệm máy) Zero Position: Cài đặt gốc tọa độ Go Home: Quay vị trí gốc tọa độ Visualizer: Phác họa trực quan ảnh khắc Command: Nhập lệnh Gcode thủ cơng Màn hình Command Table: Hiển thị danh sách lệnh tình trạng lệnh Hình 5.7: Giao diện phần mềm điều khiển máy khắc laser (GRBL Controller) 5.5 Quá trình thực nghiệm Sau thiết kế chế tạo thành cơng máy khắc laser, nhóm tiến hành thực nghiệm kiểm tra suất mức độ xác máy cách tiến hành khắc thử hình vẽ vật liệu gỗ da qua hình Trong trình thực nghiệm, nhóm sử dụng thiết bị tự làm có sẵn thị trường mua để lắp ráp nên chắn có sai số độ rơ máy, chi tiết gia công chưa thực xác nên có độ sai số khoảng