thiết kế chế tạo máy khắc laser

MỤC LỤC MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG v LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát máy khắc Laser 1.2 Sự hình thành phát triển laser 1.3 Một số máy khắc Laser 1.3.1 Máy khắc Laser Fiber 1.3.2 Máy Laser CO2 1.3.3 Một số máy khắc sinh viên 1.4 Đối tượng nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER 10 2.1 Khối điểu khiển 10 2.1.1 Phần mềm xử lí ảnh Inkscape 12 2.1.2 Phần điều khiển máy khắc Laser Lightburn 15 2.2 Thiết kế điều khiển trung tâm 16 2.2.1 Arduino Uno R3 16 2.2.2 CNC Shield V3 20 2.2.3 Driver điều khiển động bước A4988 22 2.2.4 Nguồn cho hệ thống 25 2.2.5 Sơ đồ kết nối mạch điện 27 SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU Trang i MỤC LỤC 2.3 Cơ cấu chấp hành 27 2.3.1 Động bước 27 2.3.2 Đầu công tác Laser Diode 34 2.4 Thiết kế khung trục máy 42 2.4.1 Khung máy 42 2.4.2 Các trục máy 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 499 3.1 Kết 499 3.2 Hướng phát triển 577 TÀI LIỆU THAM KHẢO 588 PHỤ LỤC 599 SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU Trang ii DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cơng nghệ Laser Hình 1.2: Máy khắc Laser Fiber Hình 1.3:Máy cắt khắc Laser CO2 Hình 1.4: Máy khắc Laser sinh viên Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống 10 Hình 2.2: Ảnh định dạng Bitmap 12 Hình 2.3: Ảnh định dạng Vector 13 Hình 2.4: Giao diện phần mềm Inkscape 14 Hình 2.5: Giao diện xuất định dạng Vector 15 Hình 2.6: Định dạng ảnh sau chỉnh sửa 15 Hình 2.7:Giao diện phần mềm Light Burn 16 Hình 2.8: Arduino Uno R3 18 Hình 2.9: CNC Shield V3 21 Hình 2.10: CNC Shield V3 kết hợp Driver A4988 21 Hình 2.11: Driver điều khiển động bước A4988 22 Hình 2.12: Sơ đồ nối dây A4988 23 Hình 2.13: Sơ đồ kết nối A4988 23 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý A4988 24 Hình 2.15: Sơ đồ chân xác định vi bước 25 Hình 2.16: Nguồn tổ ong 12V5A 26 Hình 2.17: Sơ đồ kết mạch điện 27 Hình 2.18: Động bước 28 Hình 2.19: Động bước nam châm vĩnh cửu 30 Hình 2.20: Sơ đồ nguyên lý động bước biến từ trở 30 Hình 2.21: Động bước hỗn hợp 31 Hình 2.22: Điều khiển động bước 32 Hình 2.23: Động Step 42 sữ dụng đề tài 33 Hình 2.24: Kích thước động Step 42 33 Hình 2.25: Cấu tạo laser 34 SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU Trang iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.26: Laser Diode 35 Hình 2.27: Đầu Laser 2.5W chọn 42 Hình 2.28: Thiết kế sơ khung máy 44 Hình 2.29: Góc chân khung máy thực tế 45 Hình 2.30: Dây đai GT2 46 Hình 2.31: Mặt cắt dây đai GT2 46 Hình 2.32: Trục Rotary Error! Bookmark not defined.8 Hình 3.1: Máy khắc Laser công suất 2.5W 50 Hình 3.2: Hộp điều khiển máy khắc Laser 51 Hình 3.3: Cơ cấu căng đai trục X 51 Hình 3.4: Cơ cấu chuyển động trục Y 52 Hình 3.5: Cơng tắc hành trình 53 Hình 3.6: Động trục X 53 Hình 3.7: Động trục X 54 Hình 3.8: Động trục Y 54 Hình 3.9: Trục Rotary 55 Hình 3.10: Sản phẩm gia cơng 56 Hình 3.11: Khắc logo CTUT lên gỗ 56 Hình 3.12: khắc logo CTUT lên mica 57 SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU Trang iv DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 19 Bảng 2.2: Bảng thông số kỹ thuật A4988 24 SVTH: ĐẶNG HOÀNG NHU Trang v LỜI NÓI ĐẦU LỜI NÓI ĐẦU Đất nước ta bước vào thời kì cơng nghiệp hóa, đại hóa đất nước với nhiều thuận lợi khó khăn thách thức Sự phát triển nhanh chóng Cách mạng khoa học nói chung lĩnh vực tự động hóa nói riêng làm cho mặt xã hội đất nước biến đổi ngày Chính việc cần thiết ứng dụng tiến khoa học kỹ thuật vào sản xuất chế tạo nhằm tạo sản phẩm có suất, chất lượng cao, giá thành hợp lí ngày trở nên cấp thiết, đặc biệt nước thời kì phát triển nước ta Gần đây, phong trào tự chế máy CNC (Computer Numerical Control), Laser nhiều bạn sinh viên quan tâm Tuy nhiên q trình chế tạo cịn nhiều hạn chế Do đó, để cập nhật kiến thức đồng thời giúp bạn học sinh , sinh viên hiểu nhiều máy CNC, Laser lí đời đề tài “ Thiết Kế Chế Tạo Máy Khắc Laser” Việt Nam có cơng nghiệp phát triển động, khơng thể đứng ngồi trào lưu công nghệ, mặt đời sống sản xuất điều cần có tiến so với bạn bè quốc tế Ứng dụng công nghệ CNC, Laser cần thiết cho q trình cơng nghiệp hóa - đại hóa Giúp nâng cao suất sản xuất, giảm thiểu chi phí đầu tư , tăng cấp xác, đáp ứng nhu cầu cạnh tranh Em hy vọng đề tài đóng góp vào phục vụ đời sống sản xuất, nâng cao suất lao động Nâng cao ý thức tự học, tự nghiên cứu học sinh, sinh viên đặc biệt sinh viên trường Đại học Kỹ Thuật - Cơng Nghệ Cần Thơ Có thể phát triển xa với việc đưa sản phẩm thị trường, hạn chế việc phải phụ thuộc vào nguồn sản phẩm nhập ngoại, giúp hạ giá thành sản phẩm đưa việc ứng dụng công nghệ kỹ thuật vào sâu đời sống sản xuất SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG : TỔNG QUAN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Khái quát máy khắc Laser Trong thập kỷ qua, công nghệ cắt, khắc Laser phát triển vượt bật trở thành ngành công nghệ tiên tiến tiên tiến, đại nhất, sản phẩm có chất lượng cao, đẹp mắt tinh xảo Sản phẩm từ cơng nghệ Laser có tính ứng dụng cao đời sống, sản xuất nghệ thuật nhân loại Hình 1.1: Công nghệ Laser Laser tên viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation tiếng anh có nghĩa “ khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích ” Theo thuyết lượng tử nguyên tử, electron tồn mức lượng riêng biệt rời rạc Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron phía ngồi có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngồi, electron nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao hay ngược lại, gọi chuyển dời trạng thái Các chuyển dời sinh hay hấp thụ lượng tử ánh sáng hay photon theo thuyết lượng tử Albert SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG : TỔNG QUAN Einstein Bước sóng (liên quan đến màu sắc) tia sáng phụ thuộc vào chênh lệch lượng mức Có nhiều loại laser khác nhau, dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo linh kiện bán dẫn điốt laser Laser có nhiều ứng dụng, làm mắt đọc đĩa quang CD/DVD, máy in laser, máy quét mã vạch, cơng cụ trình tự DNA, internet cáp quang, truyền liệu không gian vũ trụ, máy cắt, máy hàn, máy phẫu thuật laser, tẩy mụn ruồi, nhắm laser Trong quân đội laser dùng để đánh dấu, đo khoảng cách tốc độ mục tiêu Trong giải trí laser sử dụng sân khấu hịa âm ánh sáng 1.2 Sự hình thành phát triển laser Tia laser biết đến lần thí nghiệm tình cờ nhà vật lý Theodore Maiman, thông qua phương thức chiếu đèn flash công suất cao thỏi ruby với bề mặt tráng bạc phịng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu, California năm 1960 Nhờ phát này, nhà khoa học dần nghiên cứu chuyên sâu thêm, phát có nhiều lợi ích to lớn biết cách tận dụng nguồn tia laser Tiêu biểu nghiên cứu phát triển laser bán dẫn Roberrt N.Hall năm 1962 Thiết bị Hall xây dựng hệ thống vật liệu gali-asen tạo tia có bước sóng 850nm, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Hay năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov Liên Xơ Hayashi Panish phịng thí nghiệm Bell độc lập phát triển thành cơng điốt laser hoạt động liên tục nhiệt độ phòng Cho đến bây giờ, theo thời gian, tia laser trở thành cơng cụ tuyệt vời khó thiếu đời sống ngành sản xuất khí, nghệ thuật, y học,… Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất thành công máy cắt laser sử dụng để khoét lỗ kim cương Sao năm, người Anh bắt đầu có thành tựu việc cắt kim loại tia laser cách sử dụng hỗ trợ khí oxy Năm 1970, cơng nghệ bắt đầu đưa vào sản xuất để cắt titan cho ứng dụng ngành hang không vũ trụ Sau thay sử dụng oxy, người ta bắt đầu kết hợp thành công tia laser với bổ trợ SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG : TỔNG QUAN khí CO2, từ máy cắt laser CO2 đời Máy cắt CO2 sử dụng để cắt phi kim, vải da,… đốt cháy kim loại Từ đó, với thí nghiệm mới, với nhiều kết hợp, chế tạo khác mà nhà khoa học phát minh nhiều loại máy cắt laser hơn, có áp lực cao hơn, cắt nhanh gọn nhiều so với máy laser đời cũ Ưu điểm lớn máy cắt laser so với cơng nghệ khí khác công cụ kẹp phôi dễ dàng giảm ảnh hưởng đến phơi Độ xác nói hồn hảo, tia khơng bị mịn q trình cắt Máy cắt laser đại giúp giảm cong vênh vật liệu cắt, hệ thống lase có vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ Với kim loại, kim cương số vật liệu khác khó khơng thể cắt cơng cụ truyền thống, lúc máy cắt tia laser chất lượng cao phát huy mạnh Hiện thị trường có nguồn cắt laser chủ yếu CO2 laser, YAG laser Fiber laser 1.3 Một số máy khắc Laser 1.3.1 Máy khắc Laser Fiber Hiện nay, máy khắc laser kim loại sử dụng nhiều sản xuất Với tính chất tia laser, cho phép sử dụng đưa nhiều sản phẩm vô chất lượng Đặc biệt, với chùm tia laser fiber cho phép khắc kim loại, tất kim loại tia fiber khắc nhẹ nhàng, sắc nét tuyệt đối Hình 1.2: Máy khắc Laser Fiber SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG : TỔNG QUAN Ưu điểm: - Tính chất tia Laser khắc kim loại cho tốc độ nhanh từ 1000 - 5000 mm/s nhiều chế độ màu sáng, tối, ghi thông qua việc điều chỉnh tần suất tia laser fiber - Máy khắc kim loại sử dụng tia fiber có tốc độ nhanh, chùm tia xác đến 0.0001 mm cho phép tạo hình xác - Máy có cấu tạo phức tạp với công nghệ laser fiber - công nghệ ngành sản xuất công nghiệp - Với khả khắc kim loại, máy khắc laser fiber cho phép khắc logo, hình ảnh, nội dung, thông số kỹ thuật tất kim loại nhanh chóng tiện lợi Sử dụng chùm tia laser nên máy khắc fiber có khả khắc nhiều điểm lúc, rút ngắn thời gian sản xuất với tốc độ lên tới 1000mm/s Đặc điểm máy khắc laser kim, máy khắc laser kim loại mini loại nhanh chóng sắc nét với nhiều chế độ khắc khác nhau, nhiều kiểu cách mầu sắc tùy chọn, tia laser fiber lựa chọn hàng đầu với khách hàng có nhu cầu khắc kim loại Nhược điểm: - Kích thước vùng làm việc nhỏ, phù hợp cho việc gia công chi tiết nhỏ cần có chi tiết cao - Chi phí đầu tư lớn so với sản phẩm máy khắc Laser có thị trường - Máy phù hợp cho công việc định, không áp dụng cho đa dạng nhu cầu sữ dụng máy đa 1.3.2 Máy Laser CO2 Hình 1.3:Máy cắt khắc Laser CO2 SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.29: Góc chân khung máy thực tế Lựa chọn phương pháp truyền động So với cách truyền động khác truyền vitme đai ốc, vitme bi truyền động bánh nhiều cấp, việc sử dụng dây đai mang lại nhiều ưu điểm nhiều so vo với cách truyền động kể trên: - Giá thành hợp lí - Tốc độ làm việc nhanh - Gọn nhẹ, dễ dàng tăng chỉnh bị trùng Bên cạnh ưu điểm tốt độ làm việc phương án cịn tồn điểm yếu lực chuyển động độ trùng dây đai điều cần quan tâm đến, nhiên ta thiết kế them cho cấu truyền động căng đai linh hoạt dễ dàng tăng chỉnh dây đai trùng Thông số dây đai GT2 - Chất liệu: Cao su lõi thép - Màu sắc: đen - Chiều dày: 2mm SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 45 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER - Bản đai: 6mm - Bước răng: 2mm Hình 2.30: Dây đai GT2 Hình 2.31: Mặt cắt dây đai GT2 Puly trục động puly căng đai Thơng số kích thước Puly trục động cơ: - Chiều dài: 18mm - Chiều rộng: 16mm - Bản đai sữ dụng: GT2 6mm - Số răng: 20 - Trục: 5mm 2.4.2 Các trục máy Cụm chi tiết trục X Chi tiết vẽ đính kèm trang bên SVTH: Đặng Hồng Nhu Trang 46 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Cụm chi tiết trục Y Chi tiết vẽ đính kèm trang bên Trục Rotary Để gia cơng cắt, khắc vật thể trịn xoay điều ta cần trục rotary Khác với trục X Y trục rotary chuyển động xoay vòng vật thể khắc kẹp chặc mâm cập chấu tự xác định tâm nhờ mà gia công dễ dàng bề mặt vật thể cần khắc Kích thước kẹp vật tối đa 13mm Cấu tạo trục rotary biểu diển thông chi tiết vẽ đính kèm trang bên SVTH: Đặng Hồng Nhu Trang 47 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.32: Trục Rotary thực tế SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 48 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết Thiết kế chế tạo thành công mô hình máy khắc laser hồn chỉnh với thơng số kỹ thuật kích thước khơng gian vùng làm việc sau: - Đối với vật khắc mặt phẳng thông số kích thước chiều dài, rộng, cao 350*400*50 (mm) - Đối với trục Rotary đường kính vật trịn xoay tối đa 13mm - Cơng suất đầu laser: 2,5W - Tốc độ tối thiểu 0,1 mm/sec - Tốc độ tối đa 100 mm/sec - Trọng lượng 15kg - Sai số trục 0,1 mm So sánh chất lượng sản phẩm khắc vật liệu khác Mica: Máy gia công hầu hết loại mica đài loan thị trường (độ sâu hình khắc tối đa 1mm) trừ mica suốt công suất laser nhỏ bị phản xạ mica vật liệu suốt Gỗ: Do tính chất bề mặt gỗ dễ cháy nên máy khắc dễ dàng gia công vật liệu gỗ, kể đến dịng gổ cơng nghiệp: MDF, HDF, Polywood,… Giấy: Vì giấy dễ cháy nên hầu hết loại giấy điều gia cơng máy dễ dàng khắc cắt linh hoạt SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 49 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Một số hình ảnh thực tế máy khắc laser chế tạo Hình 3.1: Máy khắc Laser cơng suất 2.5W SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.2: Hộp điều khiển máy khắc Laser Hình 3.3: Cơ cấu căng đai trục X SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 51 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.4: Cơ cấu chuyển động trục Y SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 52 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.5: Cơng tắc hành trình Hình 3.6: Động trục X SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 53 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.7: Động trục X Hình 3.8: Động trục Y SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 54 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.9: Trục Rotary SVTH: Đặng Hồng Nhu Trang 55 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sản phẩm gia cơng từ mơ hình Hình 3.10: Sản phẩm gia cơng Hình 3.11: Khắc logo CTUT lên gỗ SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 56 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 3.12: khắc logo CTUT lên mica 3.2 Hướng phát triển - Cải thiện công suất đầu khắc laser cơng suất cao để gia cơng nhiều vật liệu với độ xác sắc nét cao - Thay đổi kiểu di chuyển trục theo hệ Core XY Hbot để cải thiện tốc độ sai số trục - Thay đổi cấu truyền giúp máy có lực kéo tốt từ cải thiện tốc độ khắc tăng cường công suất đầu khắc - Cải tiến máy di chuyển để khắc vật liệu có kích thước trục Y khơng giới hạn - Thiết kế mạch điều khiển chạy độc lập không cần kết nối với máy tính (lưu file g-code thẻ nhớ SD) - Chỉnh sửa phần mềm có tự động chạy tiếp file khắc có cố điện SVTH: Đặng Hồng Nhu Trang 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Trần Thế San – Nguyễn Ngọc Phương (2011), giáo trình Sổ tay lập trình CNC, NXB Khoa Học Và Kỹ Thuật [2] Nguyễn Tân Tiến – Phan Hồng Long, giáo trình General Mechanical Engineering [3] GS TS Trần Văn Dịch (2004), Giáo trình Công nghệ CNC, NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội [4] Đỗ Xuân Thụ (2003), Giáo trình Kỹ thuật điện tử, NXB giáo dục [5] Phạm Quang Khải (2013), Đồ án môn học : Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống thay dao tự động cho máy CNC , Ngành điện tử ĐH Bách Khoa Hà Nội [6] Nguyễn Ngọc Đào (2003), Giáo trình CAD-CAM-CNC, NXB Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM [7] Đề tài luận văn ‘’ Thiết kế chế tạo mơ hình máy khắc laser ứng dụng cơng nghệ CNC” Hồng Minh vũ, Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng [8] Đề tài luận văn ‘’Thiết kế mơ hình máy khắc laser ứng dụng công nghệ CNC” Nguyễn Minh Quân, Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghệ Cần Thơ Trang Web tham khảo https://www.arduino.cc/ https://www.youtube.com/watch?v=um61uEgKK5o https://www.youtube.com/watch?v=ClGFqyfG4hU https://www.youtube.com/watch?v=xxwS5pVAT2U https://www.google.com/ SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 58 PHỤ LỤC PHỤ LỤC Tất code lập trình phần có liên quan nằm địa link đây: https://drive.google.com/file/d/1w8DJz5bP8eQRRqVbqINfvzpvTAWOLdo/view?usp=sharing SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 59 ... khiển máy laser Phần mềm Inventor (autodesk.com) để thiết kế vẽ cho đề tài SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER. .. 43 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.28: Thiết kế sơ khung máy SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 44 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.29: Góc chân khung máy thực tế... 22 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.12: Sơ đồ nối dây A4988 Hình 2.13: Sơ đồ kết nối A4988 SVTH: Đặng Hoàng Nhu Trang 23 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER Hình 2.14: