Thiết kế và chế tạo máy khắc laser

MÁY KHẮC LASER VÀ CHẾ TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ THIẾT KẾ ĐỀ TÀI: ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn : Người duyệt : Sinh viên thực : Số thẻ sinh viên: Lớp 2017 Phạm Đức Tin – Đặng Văn Khánh THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER : : PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY TS ĐẶNG PHƯỚC VINH Th.S NGUYỄN ĐẮC LỰC TS LÊ HOÀI NAM PHẠM ĐỨC TIN ĐẶNG VĂN KHÁNH 101120320-101120348 12CDT1 – 12CDT2 Đà Nẵng, 12/2017 i TÓM TẮT Đồ án tốt nghiệp cho sinh viên ngành kỹ thuật điện tử vận dụng đào tạo khóa học năm trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Như vừa hội vừa thử thách để sinh viên hoàn thiện kiến thức lý thuyết kĩ thực hành việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống máy móc tự động hóa Đào tạo tư tích cực, sáng tạo sản phẩm mặt ý tưởng lẫn thực tiễn nhằm đưa sinh viên đến gần để hiểu rõ ngành Cơ điện tử, tạo ý thức tốt trường ứng dụng kiến thức vào công việc Dựa vào kiến thức trang bị với tài liệu có được, nhóm thực đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế chế tạo máy khắc laser” hướng dẫn thầy Trần Xuân Tùy thầy Đặng Phước Vinh Đề tài sử dụng kiến thức thiết kế máy để thiết kế hệ thống dẫn động truyền động kết hợp với kiến thức điều khiển lập trình, ứng dụng phần mềm đồ họa điểu khiển máy tính sử dụng phần mềm chuyên ngành khí Creo Parameter, Autocad, RDM phần mềm điều khiển máy CNC phần mềm đồ họa miễn phí Kết mong muốn đề tài máy hoạt động tốt tạo sản phẩm gia cơng xác thẫm mĩ cao v ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH VIỆT NAM KHOA : CỚ KHÍ Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TT Họ tên sinh viên Số thẻ SV Lớp Ngành Phạm Đức Tin 101120320 12CDT1 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Đặng Văn Khánh 101120348 12CDT2 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Tên đề tài đồ án: Thiết kế chế tạo máy khắc Laser Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ kết thực Các số liệu liệu ban đầu: - Kích thước gia công 400x600 - Công suất cắt tối đa 0.5W - Độ xác gia cơng 0.1mm - Vật liệu gia công: gỗ, mia, giấy, decal Nội dung phần thuyết minh tính tốn: a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Nội dung - - Tổng quan vấn đề liên quan Thiết kế nguyên lý máy tính tốn động học: phân tích thiết kế sơ đồ nguyên lý máy, lựa chọn hệ truyền động tính tốn động học máy Chế tạo thiết kế máy b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung Phạm Đức Tin Thiết kế hệ thống điều khiển: Tổng quan thiết bị điều khiển, lập chu trình điều khiển, lắp mạch điều khiển, thuật tốn chương trình điều khiển vi Đặng Văn Khánh Tính tốn sức bền thiết kế kết cấu máy: Hệ thống dẫn hướng khung chịu lực, hệ thống dẫn động hiệu chỉnh bố trí kết cấu máy Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): a Phần chung: TT Họ tên sinh viên Phạm Đức Tin Đặng Vắn Khánh Nội dung Bản vẽ phướng án: 1A0 Bản vẽ hệ thống điều khiển: 2A0 b Phần riêng: TT Họ tên sinh viên Nội dung Phạm Đức Tin Bản vẽ kết cấu máy: - Bản vẽ tổng thể máy: 1A0 Đặng Văn Khánh - Bản vẽ trục X: 1A0 Bản vẽ kết máy: - Bản vẽ trục Y: 1A0 - Bản vẽ trục Z: Họ tên người hướng dẫn: 1A0 Phần/ Nội dung: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: …30… /…8…./2017… …26… /…12…./2017… Đà Nẵng, ngày tháng Trưởng môn năm 2017 Người hướng dẫn vii LỜI NÓI ĐẦU Trong thời gian dài, ngành khí tập trung nghiên cứu để giải vấn đề tự động hóa xí nghiệp có quy mơ sản xuất lớn (hàng loạt hàng khối) Nhưng thực tế, xí nghiệp máy có quy mơ sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ lại phổ biến Việt Nam Do đó, địi hỏi xí nghiệp phải nâng cao hiệu sản xuất suất lao động, điều dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao dây chuyền sản xuất Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển chương trình số kỹ thuật vi xử lý CNC - sử dụng sản xuất hàng loạt vừa hàng loạt nhỏ tạo điều kiện linh hoạt hố tự động hố dây chuyền gia cơng Đồng thời làm thay đổi phương pháp nội dung chuẩn bị cho sản xuất Trong năm gần máy NC CNC nhập vào Việt Nam hoạt động số nhà máy, viện nghiên cứu công ty liên doanh Cũng nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam theo đuổi Để tổng kết lại kiến thức học để làm quen với công việc thiết kế người cán kỹ thuật ngành khí sau này.Chúng em nhận đề tài “Thiết kế chế tạo máy khắc Laser” Vì lần đầu làm quen với cơng việc thiết kế tổng thể, hướng dẫn giáo viên không tránh khỏi bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế cịn q ít, thời gian thực đề tài khơng nhiều, khả cịn hạn chế nên q trình thiết kế khơng tránh khỏi thiếu sót, nên chúng em mong giúp đỡ bảo thầy cô Sau thời gian làm đề tài nổ lực thân ln nhận hướng dẫn tận tình giáo viên việc góp ý thiết kế, thực mơ hình hóa chạy thử ngiệm Vì điều kiện vật liệu, cơng nghệ tài nên mơ hình đề tài chưa hồn thiện mong muốn, với sai sót q trình làm thuyết minh đề tài Vì mong nhận đóng góp q thầy bạn u để đề tài hồn thiện Xin lần gửi tới lời cảm ơn sâu sắc tới thầy khoa, ngành giúp đỡ trình thực đề tài Đà nẵng, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực viii Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh ix CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng tơi Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, cơng bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Sinh viên thực Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh x MỤC LỤC TÓM TẮT NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN LỜI NÓI ĐẦU viii CAM ĐOAN x MỤC LỤC xi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ xiv Chương TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1 Lịch sử 1.1.2 Một số máy nc 1.2 Máy cnc 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Đặc điểm chung 1.3 Các thành phần máy nc 1.3.1 Chương trinh điều khiển 1.3.2 Bộ điều khiển 1.3.3 Máy công cụ trình điều khiển khác 1.4 Thuật toán nội suy máy CNC 1.4.1 Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation) 1.4.2 Phương pháp nội suy cung tròn 1.4.3 Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation) 1.4.4 Nội suy bậc (Cubic) 1.5 Giới thiệu máy khắc Laser 10 1.5.1 Tổng quan gia công tia laser 10 1.5.2 Cơ chế bó vật liệu 10 1.5.3 Các loại laser 10 1.5.4 Ưu nhược điểm phạm vi sử dụng 12 1.6 Ứng dụng máy khắc laser 14 1.6.1 Khắc khuôn mẫu 14 1.6.2 Ngành sản xuất bao bì 15 1.6.3 Ứng dụng quảng cáo 16 1.6.4 Ứng dụng săm hình 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY 18 xi 2.1 Thiết kế động học toàn máy 18 2.1.1 Vùng làm việc 18 2.1.2 Bàn máy 18 2.1.3 Tải trọng chọn động 18 2.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 18 2.2.1 Chon phương án chuyển động phận máy 18 2.2.2 Lựa chọn phương án truyền động 20 2.3 Thiết kế kết cấu máy 22 2.3.1 Cơ cấu trục X 22 2.3.2 Cơ cấu trục Y 24 2.3.3 Cơ cấu trục Z 25 2.4 Các phận lựa chọn 26 2.4.1 Động 26 2.4.2 Chọn Puly 27 2.4.3 Trụ đồng 3.5mm gá động 28 2.4.4 Góc kê 28 CHƯƠNG TÍNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC 29 3.1 Tính toán cụm truyền động trục X Y 29 3.1.1 Sơ đồ lắp ráp 29 3.1.2 Sơ đồ lực tác dụng lên trục 30 3.1.3 Các thông số đầu vào 30 3.1.4 Công suất động 30 3.1.5 Tốc độ động 31 3.1.6 Tỉ số truyền 31 3.1.7 Vận tốc di chuyển tối đa trục X Y(vận tốc đai) 31 3.1.8 Lực tác dụng lên trục puly 31 3.1.9 Tốc độ quay trục 31 3.1.10 Mômen xoắn trục 31 3.1.11 Lực căng dây T nhánh đai 31 3.1.12 Lực vịng (tải trọng có ích) 31 3.1.13 Tính chọn đường kính trục truyền động ổ lăn 31 3.1.14 Chọn ổ lăn 33 3.1.15 Lực tác dụng lên trục lăn 34 3.1.16 Tính chọn đường kính trục lăn 34 3.1.17 Tính số bước động để tịnh tiến mm 34 3.2 Tính tốn cụm truyền động trục vít - đai ốc trục Z 35 xii 3.2.1 Sơ đồ lắp ráp 35 3.2.2 Các thông số đầu vào 35 3.2.3 Chọn sơ đồ động vật liệu truyền ứng suất cho phép 35 3.2.4 Chọn biên dạng ren hệ số Ψh 35 3.2.5 Chọn kết cấu đai ốc 35 3.2.6 Xác định đường kính trung bình ren 35 3.2.7 Chọn dai ốc 35 3.2.8 Tính số bước động để tịnh tiến mm 35 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 36 4.1 Tổng quan phương án điều khiển 36 4.2 Mạch điều khiển 36 4.2.1 Board Arduino Nano 36 4.2.2 Modun sheld CNC 41 4.2.3 Driver điều khiển động bước A4988 43 4.3 Đầu khắc laser 44 4.4 Sơ đồ mạch 45 4.5 Phần mềm Benbox 45 4.6 Trình tự bước thực khắc ảnh máy…………………………53 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 xiii Thiết kế chế tạo máy khắc laser Hình 4.9: Giao diện phần mềm Benbox Dưới vài chức đặc điểm cung cấp Benbox: - Biến máy tính cá nhân PC thành điều khiển máy CNC trục với đầy đủ tính - Cho phép gán trực tiếp file dxf, bmp, jpg hpgl - Tạo G-code - Giao diện tùy biến hồn tồn theo ý thích người sử dụng - Điều khiển tốc độ trục - Điều khiển đóng-cắt laser - Có khả tạo xung điều khiển tốc độ động tay - Hiển thị trực quan máy chạy - Giao diện phần mềm có khả hiển thị tồn hình sử Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 46 Thiết kế chế tạo máy khắc laser 4.4.1 Ý nghĩa nút điều khiển nhóm: Hình 4.10: Giao diện điều khiển Benbox - Số 1: Mở file chữ, hình ảnh có sẵn để thực khắc - Số 2, 3, 4, 5: Điểu chỉnh tịnh tiến lên, xuống, trái, phải để setup gốc tọa độ ban đầu hợp lý - Số 6: Tắt tia laser - Số 7: Chùm tia laser có cường độ thấp - Số 8: Bật chùm tia laser cường độ lớn ( theo công suất laser cài đặt ) - Số 9: Thử nghiệm công suất laser ( thử nghiệm tạm thời ) - Số 10: Xem trước đường biên khắc - Số 11: Bắt đầu chương trình khắc - Số 12: Dừng chương trình khắc - Số 13: Lập trình theo mã G - Code - Số 14: Cập nhập phần mềm Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 47 Thiết kế chế tạo máy khắc laser - Số 1: Bắt dính kéo thả gốc tọa độ - Số 2: Vẽ đoạn thẳng - Số 3: Vẽ đường tròn - Số 4: Vẽ cung tròn - Số 5: Vẽ đường - Số 6: Viết chữ - Số 7: Chèn file ảnh Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 48 Thiết kế chế tạo máy khắc laser 4.4.2 Nhóm điều khiển thơng số máy: Hình 4.11: Nhóm điều khiển thơng số máy - Serial Port: Chọn cổng COM để kết nối với phần mềm - Low light: Cường độ laser thấp sử dụng ứng với công suất laser ( mặc định 16 ) - Intensity: Cường độ laser cao sử dụng ứng với cơng suất laser ( mặc định 255 ) - Speed ( mm/min ): Tốc độ chuyển động, giá trị dao động từ – 3000, tốc độ cao làm máy chuyển động khơng ổn định khơng xác Tùy thuộc vào yêu cầu khắc hay cắt đứt vật liệu, nên chọn khoản từ 100 - 1500 - Time ( ms ): Thời gian xung truyền laser Đây thiết lập quan trọng thay đổi từ – 50 tùy vào độ cứng vật liệu khắc tùy vào độ sâu mong muốn đường khắc, thiết lập sử dụng Scan by Z- shaped, không sử dụng Outline Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 49 Thiết kế chế tạo máy khắc laser - Step: Thiết lập số bước động cơ, giá trị dao động từ – 50, ví dụ với thiết lập 50 lần nhấp chuột động quay 50 bước Thông số lý tưởng cho phần từ -3, cho phép khung chuyển động xác hơn, tránh vượt khỏi giới hạn bàn máy mà bàn máy khơng có cơng tắc hành trình - Carve Mode: Chế độ khắc - Discrete: Chế độ làm việc với đối tượng màu xám không rõ ràng - Continuous: Chế độ làm việc với đối tượng màu đen trắng - Laser: Chế độ làm việc với Laser - Servo: Chế độ làm việc với động Servo ( có sử dụng )4.4.3 Các thơng số thiết lập phần mềm với điều khiển trung tâm Hình 4.12: Feed Rate - STEP: Chân ghép nối điều khiển bước động - DIR: Chân ghép nối điều khiển chiều quay động bước - MIN: Chân ghép nối với cơng tắc hành trình Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 50 Thiết kế chế tạo máy khắc laser - MAX: Chân ghép nối với cơng tắc hành trình - PPM: Thay đổi kích thướt tỷ lệ vẽ máy - LASER: Chân ghép nối điều khiển Laser - SERVO: Chân ghép nối điều khiển động Servo ( có sử dụng ) - FEED RATE: Tốc độ di chuyển không bật tia Laser cơng suất 4.5 Trình tự bước thực khắc ảnh máy: Nếu ảnh yêu cầu khắc ảnh màu, cần sử dụng phần mềm CorelDraw để chuyển từ ảnh màu sang ảnh trắng đen file bitmap Sau khởi động phần mềm -> chọn New Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 51 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Khi tạo trang -> chọn hệ đơn vị đo cần sử dụng mm Để đưa ảnh cần chuyển đổi tiếp tục chọn Import Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 52 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Sau chọn ảnh cần chuyển đổi Khi chọn hình vào phần mềm -> chọn Bitmap -> Convert to bit map Chọn độ phân giải hình ảnh Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 53 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Tích chọn Black and white -> Ok Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 54 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Chọn File -> Export Trong bảng ra, ta chọn kích thước hình, Color mode chọn black and white Xong lựa chọn thư mục lưu trữ đặt tên cho file ảnh trắng đen hoàn thành Nhấp vào phần mềm Benbox để thực khắc laser Chọn cổng COM kết nối Mở chọn file ảnh cần khắc Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 55 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Kéo hiệu chỉnh cho kích thướt mong muốn Chọn thơng số cần thiết hình Nhấn Play để bắt đầu Ta có sản phẩm sau: Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 56 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Hình 4.13: Hình ảnh sản phẩm máy làm Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 57 Thiết kế chế tạo máy khắc laser Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 58 Thiết kế chế tạo máy khắc laser KẾT LUẬN Đồ án chúng em hoàn thành với tiến độ đề ra, đáp ứng yêu cầu đặt nhiệm vụ thiết kế đồ án Cùng với việc nghiên cứu lý thuyết chế tạo máy cho chúng em nhiều kinh nghiệm việc chế tạo sản phẩm công nghệ hoàn thiện Về mặt lý thuyết, điều học từ đồ án: - Phương pháp thiết kế kết cấu máy khí; Hệ truyền động phù hợp tùy theo tải trọng kết cấu máy; - Công nghệ cắt khắc dùng tia laser; - Công cụ điều khiển máy CNC mini gia đình GLBL phần mềm bổ trợ; Đảm bảo tính cơng nghệ kinh tế; Sản phẩm chất lượng mức Hình 4.14 Máy khắc laser hồn thành Máy cấp thêm chức khắc hình 3D thạch anh nâng cấp thành máy in 3D cách thây đổi đầu laser thành đầu in với thêm linh kiện khác Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 59 Thiết kế chế tạo máy khắc laser TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hữu Lộc Bài tập chi tiết máy Nxb Đại học quốc gia TP HCM ,2008 [2] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lâm Thiết kế chi tiết máy Nxb Giáo dục, Hà Nội, 1998 [3] Nguyễn Văn Yến Thiết kế máy Nxb Giao thông vận tải [4] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí, tập I Nxb Giáo dục ,1997 [5] https://arduino.vn [6] https://github.com/grbl/grbl/wiki/Configuring-Grbl-v0.9 Sinh viên thực hiện: Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh Hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 60 ... Xuân Tùy TS Đặng Phước Vinh 17 Thiết kế chế tạo máy khắc laser CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY 2.1 Thiết kế động học toàn máy 2.1.1 Vùng làm việc Vùng làm việc máy bao gồm hướng di chuyển theo... Vinh Thiết kế chế tạo máy khắc laser NC sử dụng tất máy công cụ, từ đơn giản đến phức tạp Những máy thông dụng máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy phay, trung tâm tiện, trung tâm khí đa * Máy. .. nghiệp với đề tài ? ?Thiết kế chế tạo máy khắc laser? ?? hướng dẫn thầy Trần Xuân Tùy thầy Đặng Phước Vinh Đề tài sử dụng kiến thức thiết kế máy để thiết kế hệ thống dẫn động truyền động kết hợp với kiến