Đang tải... (xem toàn văn)
Công nghệ cắt và khắc laser hiện nay đang là công nghệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề lĩnh vực khác nhau Hiện nay các máy khắc laser được trang bị rộng rãi nhờ vào khả năng gia công với độ chính xác cao Khắc laser không những khắc được trên các chi tiết có bề mặt phẳng mà còn khắc được trên các chi tiết có mặt khác nhau Nghiên cứu này được đề xuất nhằm mở rộng khả năng khắc laser trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Nguyên cứu này khái quát về công nghệ CNC và công nghệ gia công bằng laser Từ công nghệ CNC tác giả đã thiết kế chế tạo máy khắc laser có thể khắc trên cả mặt phẳng và các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Đánh giá và lựa chọn phần điều khiển kết nối mạch điều khiển với các cơ cấu chấp hành cho máy chế tạo và khai thác các phần mềm mã nguồn mở nhằm sử dụng trong việc tạo ra chương trình gia công với mã G code cũng được trình bày Tác giả đã tóm tắt các kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo
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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 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 Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử Mã số: 60.52.01.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI MINH HIỂN Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Công Thái NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER TRÊN CÁC CHI TIẾT CÓ BIÊN DẠNG TRỤ TRỊN XOAY Học viên: Trần Cơng Thái Chun ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.01.14 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa:33 Tóm tắt - Cơng nghệ cắt khắc laser công nghệ có ứng dụng rộng rãi nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác Hiện máy khắc laser trang bị rộng rãi nhờ vào khả gia công với độ xác cao Khắc laser khơng khắc chi tiết có bề mặt phẳng mà cịn khắc chi tiết có mặt khác Nghiên cứu đề xuất nhằm mở rộng khả khắc laser chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Nguyên cứu khái quát công nghệ CNC công nghệ gia công laser Từ công nghệ CNC tác giả thiết kế chế tạo máy khắc laser khắc mặt phẳng chi tiết có biên dạng trụ trịn xoay Đánh giá lựa chọn phần điều khiển, kết nối mạch điều khiển với cấu chấp hành cho máy chế tạo khai thác phần mềm mã nguồn mở nhằm sử dụng việc tạo chương trình gia cơng với mã G-code trình bày Tác giả tóm tắt kết đạt đưa hướng phát triển Từ khóa: Laser, biên dạng trụ trịn xoay, CNC, mạch điều khiển, mã ngồn mở, G-code Abstract - Laser cutting and engraving technology is now widely applied in many industries and fields In recent years, laser engraving have been widely used because they can develop products with high precision Laser engraving is not only engraved on flat surface details but also engraved on different parts The objective of this research is to expand the laser engraving on cylindrical profile details This research presents an overview of CNC technology and laser machining technology Based on this principle, laser engraving and engraving designs can be engraved on both planes and cylindrical profile details Evaluation and selection of controls, connection of control circuits with actuators for the fabrication and exploitation of open source software for use in creating G-code coding programs also presented The author has summarized the results achieved and set out the next direction Keywords: Laser, cylindrical profile, CNC, control circuit, open code, G-code MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu Phương pháp nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Nội đung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC VÀ GIA CƠNG LASER 1.1 Cơng nghệ CNC .2 1.1.1 Khái niệm điều khiển số (nc) 1.1.2 Điều khiển số máy tính (CNC) 1.1.3 Phương thức di chuyển dụng cụ 1.1.4 Nội suy chuyển động 1.2 Công nghệ gia công laser 1.2.1 Giới thiệu laser 1.2.2 Lịch sử hình thành phát triển laser 10 1.2.3 Cấu tạo tia laser 11 1.2.4 Đặc điểm laser 11 1.2.5 Ứng dụng laser .12 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY .14 2.1 Phân tích kết cấu máy .14 2.1.1 Phương án 14 2.1.2 Phương án 15 2.1.3 Phương án 15 2.1.4 Phương án 16 2.2 Các phương án truyền động 17 2.2.1 Truyền động X, Y truyền thống 17 2.2.2 Truyền động core( X, Y), H-bot 17 2.2.3 Truyền động quay chi tiết mâm cặp 18 2.2.4 Truyền động quay chi tiết hai trục quay 19 2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn 19 2.3 Lựu chọn đầu khắc laser 24 2.3.1 Laser chất rắn 24 2.3.2 Laser chất khí 24 2.3.3 Laser chất lỏng 24 2.4 Thông số kỹ thuật máy 25 2.5 Tính toán động học cho máy thiết kế .25 2.5.1 Động học .25 2.5.2 Tính chọn động 25 CHƯƠNG MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ 28 3.1 Mạch điều khiển .28 3.1.1 Các mạch điều khiển sử dụng mã nguồn mở thị trường 28 3.1.2 Arduino UNO .29 3.1.3 CNC shield V3 32 3.1.4 Modul điều khiển động bước A4988 .33 3.1.5 Kết nối USB 33 3.1.6 Firmware cho mạch điều khiển 35 3.2 Phần mềm mã nguồn mở 35 3.2.1 Phần mềm Inkscape 35 3.2.2 G-code 37 3.2.3 Thư viện GRBL 38 3.3 Máy chế tạo 40 CHƯƠNG GIA CÔNG THỰC NGHIỆM 42 4.1 Một số thông số quan trọng thiết lập hiệu chỉnh máy 42 4.2 Gia công thực nghiệm 46 4.3 Đánh giá sản phẩm 47 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CAD : Computed Aided Design CAM : Computer aided manufacturing CNC : Computer Numerical Control CLU : Control Loop Unit DNC : Direct Numerical Control DPU : Data Processing Unit NC : Numerical Control PTP : Point-To-Point DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Cấu trúc hệ thống CNC 1.2 Các chế độ dịch chuyển chuyển động PTP 1.3 Các chế độ điều khiển chuyển động contour 1.4 Nội suy đường thẳng điều khiển trục 1.5 Xấp xỉ mặt cong nội suy đường thẳng 1.6 Nội suy Parabol 1.7 Xấp xỉ đường cong bậc cao cung Parabol 1.8 Ánh sáng laser từ nguồn phát 1.9 Cấu tạo tia laser 11 2.1 Hình mơ phương án 14 2.2 Hình mơ phương án 15 2.3 Hình mơ phương án 16 2.4 Hình mơ phương án 16 2.5 Phương án truyền động X, Y theo truyền thống 17 2.6 Truyền động core( X, Y) 18 2.7 Truyền động H-bot 18 2.8 Kẹp chi tiết mâm cặp tự định tâm 19 2.9 Chi tiết chuyển động nhờ hai trục quay 19 2.10 Thiết kế sơ kết cấu trục xoay 20 2.11 Trục quay 20 2.12 Chi tiết gá trục quay 21 2.13 Chi tiết gá động trục quay 21 2.14 Thiết kế sơ truyền động X Y 22 2.15 Gá động trục X, Y 23 2.16 Gá đầu laser 23 3.1 Boar EleskMaker Mana 28 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.2 Arduino UNO R3 29 3.3 Vi điều khiển 30 3.4 Các cổng vào board Arduino UNO 31 3.5 Board CNC shield V3 33 3.6 Cáp kết nối USB 33 3.7 Một số loại cáp USB 34 3.8 Giao diện firmware 35 3.9 Giao diện làm việc phần mềm Inkscape 36 3.10 Hộp thoại Raster Laser Gcode generator 36 3.11 Flile G-code 37 3.12 Giao diện phần mềm GRBL 3.7.10 39 3.13 Giao diện Universal Gcode Sender 39 3.14 Kết nối mạch điều khiển với động laser 40 3.15 Máy tổng thể 40 3.16 Máy nhìn từ mặt bên 41 4.1 Kết nối Board Arduino với GRBL 42 4.2 Gia công bề mặt tròn xoay vật liệu gỗ 46 4.3 Gia cơng bề mặt trịn xoay, vật liệu giấy 46 4.4 Gia công tranh ảnh mặt phẳng vật liệu gỗ 47 4.5 Gia công bề mặt phẳng vật liệu da, simili 47 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Ngày nay, nhu cầu khắc bề mặt, chất liệu khác kim loại, gỗ, đá, thủy tinh, giấy, nhựa,… nhiều, ứng dụng nhiều ngành công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử, máy móc, trang thiết bị, hóa dược phẩm, bao bì, Công 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 cơng nghệ có ứng dụng rộng rãi nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác Khắc laser khắc chi tiết có bề mặt phẳng mà cịn khắc chi tiết có biên dạng phức tạp Với phát triển nhanh khoa học cơng nghệ tất lĩnh vực sản phẩm ngày phải có yêu cầu cao chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa đặt biệt độ cính xác hình dáng hình học sản phẩm Do tác giả đề xuất giải pháp gia công bề mặt có biên dạng trịn 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 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 trịn xoay Nội đung nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết công nghệ CNC Nghiên cứu lý thuyết công nghệ gia công 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 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 2 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC VÀ GIA CÔNG LASER 1.1 Công 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 công cắt gọt hình thức tự động hố lập trình, máy cơng cụ điều khiển chương trình bao gồm thị mã hố 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 trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngồi máy tính thực chức lập trình, truyền chương trình, điều khiển q trình gia cơng Đây hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), tất chức nội suy, đọc băng, đọc thị, định vị thực mạch điện tử - Điều khiển số máy tính (Computer Numerical Control - CNC) Nhờ ứng dụng thành tựu công nghệ vi điện tử, vi xử lý thiết lập trực tiếp máy tính hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều khiển máy NC ngày hình thành nên phương thức điều khiển hệ máy điều khiển số máy tính (máy CNC) Do đó, CNC hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp hệ điều khiển máy điều khiển thị lưu trữ nhớ máy tính để thực phần toàn chức điều khiển số Các hệ điều khiển CNC có khả thực chức điều khiển phần mềm (soft-wired), làm đơn giản mạch điều khiển CNC, giảm giá thành, tăng độ tin cậy đồng thời có khả điều khiển linh hoạt thơng minh, có khả hiệu chỉnh nhanh chóng tiện ích, có khả lưu trữ liệu gia công máy - Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control) 3 Nhờ khả thực lưu trữ đồng thời nhiều chương trính nhớ cho phép vận hành máy CNC khơng phụ thuộc vào máy tính chủ nên giải phóng máy tính chủ để thực nhiệm vụ khác hệ thống Với phát triển khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thơng, phương thức điều khiển số phân phối đời mạng máy tính sử dụng để phối hợp hoạt động nhiều máy CNC Ngoài chức truyền chương trình tới máy CNC, phương thức cịn có khả giám sát điều khiểntồn hệ thống, hiển thị thông tin trạng thái làm việc hệ thống, xuất thông tin hay thị điều khiển, điều hành, 1.1.2 Điều khiển số máy tính (CNC) 1.1.2.1 Cấu trúc hệ thống 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) Chương trình gia cơng bao gồm thị mã hố để điều khiển q trình gia cơng chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi thị thành tín hiệu điện kích hoạt chức hoạt động máy Hệ điều khiển máy thực chức đọc biên dịch mã lệnh sau xuất tín hiệu điện tương ứng truyền tới khuếch đại servo để điều hành có cấu servo (động điện động thuỷ lực) hệ thống truyền động Thiết bị phản hồi cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển phản hồi tín hiệu hệ điều khiển máy Hệ điều khiển máy so sánh tín hiệu với tín hiệu tham chiếu cho trước mã lệnh điều khiển xuất tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới khuếch đại servo đạt đại lượng yêu cầu Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý liệu (Data Processing Unit - DPU) mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU) DPU thực chức năng: - Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập - Xử lý mã lệnh hay giải mã - Truyền liệu vị trí, tốc độ chức phụ trợ tới CLU CLU thực chức năng: - Nội suy chuyển động sở tín hiệu nhận từ DPU xuất cáctín hiệu điều khiển - Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại hệ truyền động - Nhận tín hiệu phản hồi vị trí tốc độ - Điều khiển thiết bị phụ trợ Hệ thống truyền động thông thường bao gồm khuếch đại servo, cấu servo, truyền đai răng, đai ốc-vít me bi bàn trượt Hệ thống định độ xác, cơng suất máy 1.1.2.2 Khả CNC CNC có nhiều chức xử lý điều khiển linh hoạt NC: - Hiển thị chương trình mơ đồ hoạ q trình gia cơng - Nhập liệu - Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ - chương trình gia cơng - Biên tập chương trình - Kiểm tra chương trình: nhờ chức mơ - Chẩn đốn lỗi - Tiện ích giao tiếp - Quản lý liệu - Hệ toạ độ hệ đơn vị 5 - Định dạng mã điều khiển: EIA ASCII - Khả tính tốn Bù trừ đường kính chiều dài dao - Nội suy hình học - Chức lập trình: thực phép biến đổi toạ độ - Khả hậu xử lý 1.1.2.3 Ưu điểm CNC Ngày công nghệ CNC tạo nên cách mạng kỹ thuật chế tạo nhờ ưu điểm sau đây: - Nâng cao suất - Độ xác độ xác lặp lại cao - Hạ giá thành sản xuất - Giảm giá thành điều hành gián tiếp 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) 1.1.3.1 Di chuyển theo PTP Hình 1.2 Các chế độ dịch chuyển chuyển động PTP Theo phương thức di chuyển PTP dao di chuyển theo hành trình thẳng đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di chuyển nhanh hay định vị Có chế độ di chuyển: - Di chuyển hướng trục (Axial path) - Di chuyển theo phương xiên 450 - Di chuyển trực tiếp 1.1.3.2 Di chuyển theo Contour Theo phương thức này, dao di chuyển theo biên dạng u cầu để thực qui trình cơng nghệ gia cơng Về hình học, biên dạng bao gồm chuỗi đường thẳng, đường cong, cung trịn, êlip, parabol, hypebơn, đường cong bậc ba đường cong bậc cao Để đơn giản việc tính tốn điểm quĩ đạo di chuyển dao, đường cong bậc cao tuyến tính hố, tức đường cong bậc cao xấp xỉ chuỗi đoạn thẳng Với giả thiết này, quĩ đạo di chuyển dao tổng quát xấp xỉ chuỗi phần tử hình học thuộc nhóm: Hình 1.3 Các chế độ điều khiển chuyển động contour Trong điều khiển số, di chuyển gọi chuyển động nội suy (interpolated motion) Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả điều khiển phối hợp động truyền động, trục truyền động yêu cầu có mạch điều khiển định vị mạch điều khiển tốc độ riêng biệt 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 cịn có chức tính tốn tốc độ trục tương ứng để thực chuyển động theo quĩ đạo tốc độ di chuyển yêu cầu 1.1.4.1 Nội suy đường thẳng Dao di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, cần xác định toạ độ cuối đoạn, điểm cuối đoạn trước điểm đầu đoạn Nội suy đường thẳng theo trục phương pháp thơng dụng Có thể nội suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa trục (3 chuyển động thẳng, chuyển động quay) để 5thực quĩ đạo chuyển động Nội suy đường thẳng yêu cầu thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối tốc độ di chuyển trục Với điều khiển trục, nội suy tính tần số xung điều khiển tốc độ trục x y cho tỷ lệ tốc độ trục x vày tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy) Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia lượng dịch chuyển theo phương x y đơn vị chiều dài; nội suy phải xuất đồng thời xung cho mạch điều khiển tốc độ trục x xung cho mạch điều khiển tốc độ trục y theo tỷ lệ 2:1 Tương tự, với điều khiển trục, nội suy tính gia lượng di chuyển dx, dy dz theo trục tương ứng Gia lượng dịch chuyển sử dụng liệu vào cho mạch điều khiển định vị tỷ lệ chúng sử dụng để điều khiển tốc độ Trên hình 1.4 mạch điều khiển vị trí: dx = 4-1 = ; dy = 4-2 = ; dz = 9-3 = mạch điều khiển tốc độ: Vx : Vy : Vz = dx : dy : dz = : : Hình 1.4 Nội suy đường thẳng điều khiển trục Về lý thuyết, sử dụng nội suy đường thẳng lập trình quĩ đạo chuyển động cong lượng liệu cần xử lý lớn So với nội suy đường thẳng, nội suy cung trịn, parabơn, đường xoắn đường cong bậc ba làm giảm đáng kể lượng liệu cần lập trình cho quĩ đạo chuyển động Hình 1.5 Xấp xỉ mặt cong nội suy đường thẳng 1.1.4.2 Nội suy cung tròn Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn câulệnh (block) đon giản, thay cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng Khả nội suy cung tròn số hệ điều khiển giới hạn cung 900, để lập trình đường tròn cần câu lệnh Phần lớn hệ điều khiển theo chuẩn cơng nghiệp có khả điều khiển theo quĩ đạo đường tròn câu lệnh Đối với vịng trịn có tâm gốc O bán kính R mặt phẳng (x,y), ta có: x = Rcosθ ; y = Rsinθ với θ = ωt Thành phần vận tốc: Vx = dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt) Vy = dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt) V = Rω tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn 1.1.4.3 Nội suy đường xoắn Nội suy đường xoắn bao gồm nội suy cung tròn theo trục nội suy đường thẳng theo trục thứ Nội suy đường xoắn phép nội suy khơng gian chuyển động đồng thời để tạo nên quĩ đạo chuyển động xoắn Phép nội suy thường sử dụng để gia công ren kích thước lớn hay trục xoắn 1.1.4.4 Nội suy Parabôn Nội suy parabol sử dụng điểm không thẳng hàng để xấp xỉ đường cong tự Phương pháp nội suy cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường cong phẳng đường cong D Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ đoạn đường cong có ưu điểm làm giảm 50% số điểm lập trình so với phương pháp nội suy đường thẳng Hình 1.6 Nội suy Parabol Phần lớn hệ CAD/CAM sử dụng phương pháp nội suy đường thẳng cho mặt cong phức tạp.Nội suy Parabol sử dụng chủ yếu gia công khuôn mẫu, hình dáng tự mang tính thẩm mỹ quan trọng nhiều so với định nghĩa xác mặt tốn học 9 Hình 1.7 Xấp xỉ đường cong bậc cao cung Parabol 1.1.4.5 Nội suy bậc Phương pháp nội suy khơng có khả xấp xỉ đường cong mà cịn có khả kết nối trơn láng đường cong kế cận Chương trình nội suy bậc phức tạp, đòi hỏi khả xử lý yêu cầu dung lượng nhớ cao phương pháp nội suy khác Với cơng nghệ máy tính đại có khả tính tốn xử lý liệu mạnh giá thành khơng cao, sử dụng nội suy bậc hồn tồn khơng có trở ngại Với ưu điểm cơng 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 Hình 1.8 Ánh sáng laser từ nguồn phát 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 10 lượng riêng biệt nguyên tử Các mức lượng hiểu tương ứng với quỹ đạo riêng biệt electron xung quanh hạt nhân Electron bên có mức lượng cao electron phía Khi có tác động vật lý hay hóa học từ bên ngồi, hạt electron nhảy từ mức lượng thấp lên mức lượng cao hay ngược lại Các trình 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, dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ xạ lớn tia laser tạo thành phần từ trạng thái chất rắn Ích lợi laser ứng dụng khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm tính đồng pha, đồng màu cao, khả đạt cường độ sángcực kì cao, hay hợp yếu tố 1.2.2 Lịch sử hình thành phát triển laser Laser theo maser, thiết bị có chế tương tự tạo tia vi sóng xạ ánh sáng Maser tạo Charles H Townes sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon H.J Zeiger vào năm 1953 Maser khơng tạo tia sóng cách liên tục.Nikolay Gennadiyevich Basov Aleksandr Mikhailovich Prokhorov Liên bang Xô viết làm việc độc lập lĩnh vực lượng tử dao động tạo hệ thống phóng tia liên tục cách dùng nhiều mức lượng Hệ thống phóng tia liên tục mà không cho hạt xuống mức lượng bình thường, giữ tần suất Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov Aleksandr Prokhorov nhận giải thưởng Nobel vật lý tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo máy dao động phóng đại dựa thuyết maserlaser Laser hồng ngọc, laser chất rắn, tạo lần vào năm 1960, nhà vật lý Theodore Maiman phịng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu, California Hồng ngọc ơxít nhơm pha lẫn crơm Crơm 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-nơ-mét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn với tia phát thấy được trưng bày năm Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov Liên Xơ Hayashi Panish Phịng thí nghiệm Bell độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục nhiệt độ phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối 11 1.2.3 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 Hình 1.9 Cấu tạo tia laser Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo 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 1.2.4.1 Độ đơn sắc cao Laser chùm ánh sáng mà tia sáng có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với chùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng cịn gọi phổ ánh sáng chùm ánh sáng Và dĩ nhiên phổ hẹp độ đơn sắc chùm sáng cao Trước có laser nhà vật lý tạo chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1Ao đến 10nm, để sử dụng nghiên cứu khoa học Trong mức chênh lệch bước sóng chùm ánh sáng laser tới 0,1 Ao.Tính chất quan trọng hiệu tác dụng laser tương tác với vật chất, với 12 tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc 1.2.4.2 Độ định hướng cao Khác với nguồn sáng khác, tia sáng Laser chọn lọc phát tia vng góc với gương, nên song song với (hay nói theo ngơn ngữ vật lý góc mở tia nhỏ 1.2.4.3 Mật độ phổ (độ chói) cao Độ chói nguồn sáng tính cách chia cơng suất chùm sáng cho độ rộng phổ.Vì độ rộng phổ Laser nhỏ nên laser có độ tập trung tia sáng cao, hay nói cách khác độ chói cao so với nguồi sáng khác 1.2.5 Ứng dụng laser Vào thời điểm phát minh năm 1960, laser gọi "giải pháp để tìm kiếm ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích ứng dụng khác lĩnh vực xã hội đại, phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện tàu không gian, phản ứng hợp hạt nhân Laser cho phát minh ảnh hưởng kỉ 20 Tia sáng laser với cường độ cao cắt thép kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kì nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối tạo ra, giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ so với nguồn sáng Một tia laser tạo từ laser He-Ne, chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, tạo nên hình trịn đường kính khoảng dặm (1,6 kilơmét) Một vài laser, đặc biệt với laser bán dẫn, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, tia phân kỳ chuyển đổi tia chuẩn trục thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng khơng phải từ laser làm cho chuẩn trực thiết bị quang học dễ dàng, chiều dài đồng pha ngắn nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng laser truyền thiết bị dẫn sóng sợi thủy tinh Laser cường độ cao tạo nên hiệu ứng thú vị quang học phi tuyến tính Laser ứng dụng rộng rãi khoa học, công nghiệp, nông nghiệp, kinh doanh, y tế, thông tin liên lạc, quân vv Nằm tính đồng pha, đồng màu cao, khả đạt cường độ sáng cao, hay hợp yếu tố Máy đo khoảng cách laser quân loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng khơng đo xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu mặt đất, nâng cao độ trúng đích ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch xung laser phát xung phản hồi nhân với tốc độ ánh sáng(300.000km/s), lấy kết chia 2, cự ly cần đo 13 Rada laser có độ xác cao rada thơng thường, hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối xác khơng gian Máy bay chiến đấu bay tầm siêu thấp, trang bị rada laser né xác tất chướng ngại vật, kể đường dây điện Tuy nhiên, thiết bị laser chịu ảnh hưởng thời tiết, trời mù mưa khoảng cách đo bị giảm nhiều Bom có lắp thiết bị dẫn đường laser có lắp hệ thống lái điều khiển tự động tìm kiếm đánh trúng mục tiêu La bàn laser thay la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng máy bay phản lực cỡ lớn máy bay chiến đấu tính cao Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh Mặt Trăng đến Trái Đất, đo đạc toàn cầu Ngồi ra, chùm tia laser cịn làm náo nhiệt khơng khí lễ hội Tia laser cịn dùng làm vũ khí, chưa phổ biến Được chia làm loại: Vũ khí laser cơng suất thấp làm lố mắt đối phương, dùng tác chiến gần, khoảng cách vài km, trời mưa mù khoảng cách ngắn hơn, xách tay, lắp xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hố Chùm tia laser mạnh phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt mặt đất, tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, xác cao, khơng cần thuốc mồi, khơng sinh lực đẩy phía sau, khơng tạo nhiễm nên loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt vệ tinh bắn hạ tên lửa đạn đạo vệ tinh đối phương Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần lượng laser 20000KW kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ giây Đầu năm 90, Mỹ tạo tia laser lượng 5000KW Tuy khoảng cách xa tương lai, vũ khí laser trở thành công cụ chiến tranh lợi hại đua công nghệ cường quốc giới Trong y học, laser công suất thấp sử dụng vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống Trong sản xuất, tia laser dùng để khắc lên bề mặt sản phẩm thông tin (văn bản, mã vạch, lơgơ hình ảnh) Với ứng dụng bật tác giả lựa chọn công nghệ laser để khắc lên bề mặt chi tiết máy thiết kế chế tạo Từ phân tích công nghệ CNC laser sở để tác giả ứng dụng vào phân tích lựa chọn kết cấu, thiết kế chế tạo máy khắc laser chi tiết có biên dạng trịn xoay 14 CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY Từ mục tiêu ban đầu chế tạo máy khắc laser vật thể tròn xoay, nhiên tác giả muốn chế tạo máy vừa khắc vật thể trịn xoay vừa khắc mặt phẳng Tác giả tập trung phân tích kết cấu máy ứng dụng từ công nghệ CNC để lựu chọn kết cấu máy phù hợp 2.1 Phân tích kết cấu máy 2.1.1 Phương án Trong phương án này, bàn máy đứng yên đầu laser thực chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y,Z Hình 2.1 Hình mơ phương án Ưu diểm phương án 1: - Với máy có kích thước, phương án cần khơng gian đặt máy nhỏ - Động chạy đầu laser theo phương có cơng suất nhỏ, khơng bị ảnh hưởng trọng lượng vật gia công Nhược điểm phương án 1: - Độ cứng vững máy không cao - Khó mở rộng phạm vi hoạt động bàn máy - Chỉ khác phía trên, khơng thể khắc chi tiết trụ tròn xoay 15 2.1.2 Phương án Trong phương án bàn máy chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y, Z đầu laser đứng n Hình 2.2 Hình mơ phương án Ưu diểm phương án 2: - Phương án cần không gian đặt máy nhỏ - Vùng làm việc máy rộng hơn, dễ dàng thực công việc hiệu chỉnh bàn máy Nhược điểm phương án 2: - Chỉ khác phía trên, khơng thể khắc chi tiết trụ tròn xoay - Thân máy yêu cầu khối lượng lớn để máy đứng vững 2.1.3 Phương án Trong phương án này, đầu laser chuyển động tịnh tiến chi tiết quay quanh trục cố định Ưu điểm phương án 3: - Đầu laser chi tiết trụ tròn xoay truyền động riêng biệt - Kết cấu đơn giản dễ chế tạo 16 Hình 2.3 Hình mơ phương án 2.1.4 Phương án Trong phương án này, đầu laser vừa chuyển động tịnh tiến vừa chuyển động quay chi tiết đứng n cố định Hình 2.4 Hình mơ phương án 17 Ưu điểm phương án 4: - Chi tiết cố định Chỉ có đầu laser chuyển động - Động chạy đầu laser theo phương có cơng suất nhỏ, khơng bị ảnh hưởng trọng lượng vật gia công Nhược điểm phương án 4: - Độ cứng vững máy không cao - Kết cấu phức tạo, khó chế tạo Qua phương án trên, để máy có kết cấu đơn giản thể gia công mặt phẳng gia công chi tiết có bề mặt trịn 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 trịn xoay xoay theo trục Y 2.2 Các phương án truyền động 2.2.1 Truyền động X, Y truyền thống Hình 2.5 Phương án truyền động X, Y theo 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 2.2.2 Truyền động core( X, Y), H-bot Đối hương án truyền động core (X,Y) truyền động hai dây đai răng, hai động gắn cố định thân máy (hình 2.5) 18 Hình 2.6 Truyền động core( X, Y) Đối với phương án truyền động H-bot, vị trí trục X, Y truyền động dây đai hai động gắn cố định thân máy (hình 2.6) Hình 2.7 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 động gắn cố định thân máy Động truyền động cho mâm cặp quay 19 Hình 2.8 Kẹp chi tiết mâm cặp tự định tâm Ưu điểm phương pháp chi tiết gá vững chắc, cố định Tuy nhiên để khắc chi tiết có đường kính khác phải thay đổi cài đặt thông số cho động 2.2.4 Truyền động quay chi tiết hai trục quay Đối vơi phương án này, chi tiết đặt hai trục quay, trục quay chi tiết quay theo Động gắn cố định thân máy truyền động cho hai rulo Hình 2.9 Chi tiết chuyển động nhờ hai trục quay Ưu điểm phương pháp không cần thay đổi thông số động thay đổi đường kính vật thể khắc Tuy nhiên chi tiết khơng gá chắn có tượng trược chuyển động 2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn Với phân tích trên, kết cấu máy chế tạo đề xuất làm từ nhôm nhôm 20 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 trịn xoay dễ điều khiển truyền động quay chi tiết hai trục quay Hình 2.10 Thiết kế sơ kết cấu trục xoay Hình 2.11 Trục quay 21 Hình 2.12 Chi tiết gá trục quay Hình 2.13 Chi tiết gá động trục quay 22 Phương án truyền động X,Y dây dai cố định động gắn trượt Vị trí X,Y chuyển động theo vị trí động Hình 2.14 Thiết kế sơ truyền động X Y 23 Hình 2.15 Gá động trục X, Y Hình 2.16 Gá đầu laser 24 2.3 Lựu 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 2.3.1 Laser chất rắn Có khoảng 200 chất rắn có khả dùng làm mơi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng: - YAG-Neodym: hoạt chất Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W phát xung với tần số 1000-10000Hz - Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất tinh thể Alluminium có gắn ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ ánh sáng trắng - Bán dẫn: loại thông dụng diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần - Laser Fiber (sợi quang học) : máy tạo chùm tia laser (hay gọi hạt laser) khuyếch đại sợi thủy tinh đặc biệt cung cấp lượng điốt bơm Với bước sóng 1,064 micromet, laser Fiber tạo chùm tia với đường kính tiêu cự cực nhỏ Laser chất rắn thường ứng dụng khắc kim loại, kim loại xi mạ, sơn tĩnh điện, gốm sứ 2.3.2 Laser chất khí - He-Ne: hoạt chất khí Heli Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ đến vài chục mW Trong y học sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu - Argon: hoạt chất khí argon, bước sóng 488 514,5nm - CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ Laser chất khí thường ứng dụng khắc phi kim loại như: Gỗ, acrylic, giấy, gạch, phôi & film, da, đá, nhựa 2.3.3 Laser chất lỏng Môi trường hoạt chất chất lỏng, thông dụng laser màu Laser màu có mơi trường hoạt tính vật liêu hữu pha dung môi, hoạt đọng vùng từ 311-1300nm, chế băng rộng hay băng hẹp, xung liên tục Đặc điểm bật laser mau khả điều sóng miền phổ rộng với đọ đơn sắc cao Là ứng dụng lý tưởng cho kỹ thuật lọc lựa, nghiên cứu cấu trúc vi mô, siêu tinh tế nguyên tử, phân tử Hiện có hàng trăm loại chất màu tổng hợp, cho phép phát laser trực 25 tiếp từ vùng tử ngoại tới vùng hồng ngoại 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 Thơng 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 trịn 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 công: 100m - Tốc độ tối đa đầu khắc gia cơng 15mm/s 2.5 Tính tốn động học cho máy thiết kế 2.5.1 Động học Vận tốc góc (rad/s) số vịng quay n (vịng/phút) trục dẫn chi tiết liên quan đến vận tốc chuyển động v (mm/s) đầu khắc laser ( chuyển động tịnh tiến) sau: v v r RL 60v n 2 ( R L) (2.1) (2.2) Trong đó: R=6 mm bán kính bánh đai gắn cố định với động L=0,3 mm chiều cao đế đai Từ ta có vận tốc chuyển động đầu khắc laser: v n (6 0, 4) 6, (mm / s) 60v 60.v (vòng/phút) 2 (6 0, 4) 12,8 Vận tốc chuyển động đầu khắc laser khai báo chương đề mục 3.2.1.2 chương đề mục 4.1 2.5.2 Tính chọn động 2.5.2.1 Tính chọn động trục X,Y Tổng khối lượng dây đai đầu khắc động : m = 1kg 26 Vận tốc đai: v = 50 (mm/s) Hiệu suất truyền đai : 0,92 Bán kính bánh đai GT2: R= 6mm Khối lượng bánh đai GT2: mbd=36 g Độ chia mong muốn (bề rộng nét khắc): l 0,1mm Thời gian dịch chuyển nét khắc: l 0,1 0, 002( s) v 50 Góc phương chuyển động so với phương ngang: Độ phân giải yêu cầu động cơ: s t0 (2.3) 360o.l 360o.0,1 0,90o 2 ( R L) 12,8 (2.4) Số bước cần cung cấp cho động để dịch chuyển đoạn 0,1mm: A s 0,90 0,50( step) 1,8o 1,8o (2.5) Số vi bước cần cung cấp cho động để dịch chuyển đoạn 0,1mm: A ' A.16 0,50.16 8(step) Momen xoắn tải: F FA m.g (sin cos ) 1.9,81(0 0,126.1) 1,14( N ) (2.6) Công suất động cơ: N m.g.v 1.9,81.0.05 0.49 W 2.7 2.5.2.2 Tính chọn động trục A Tổng khối lượng : m = 2kg Vận tốc đai: v = 50 (mm/s) Hiệu suất truyền đai : 0,92 Đường kính bánh đai GT2: D= 12mm Đường kính bánh đai truyền động: D1= 39mm Đường kính rulo : D2=24 mm Độ chia mong muốn (bề rộng nét khắc): l 0,1mm Thời gian dịch chuyển 1mm : t0 l D2 0,1 24 0,00115( s) v D1 50 45 Góc phương chuyển động so với phương ngang: Tính độ phân giải yêu cầu động cơ: (2.8) 27 s 360 l.D1 360 0,1.39 1,55 .D2 D .24.12 (2.9) Số bước cần để kích cho động dịch chuyển đoạn độ dày 1mm: A s 1,59 0,864( step) 1,8 (2.10) Tính số vi bước cần cung cấp cho động dịch chuyển đoạn độ dày 1mm: A' s 1,55 16 16 138( step) 1,8 (2.11) Momen xoắn tải: F FA m.g (sin cos ) 2.9,81(0 0,12.1) 2, 25( N ) (2.12) Công suất động cơ: N m.g.v 2.9,81.0.05 0,98 W (2.13) Các thông số động chọn dựa theo lực tính từ cấu chấp hành Động lựa chọn 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) 28 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 3.1.1.1 Arduino Arduino biết đến cách rộng rãi Việt Nam, giới q phổ biến Sức mạnh chúng ngày chứng tỏ theo thời gian với ứng dụng mở (open source) độc đáo chia sẻ rộng rãi Các loại boar Arduino ứng dụng để khắc laser như: Arduino Nano, Arduino UNO, Arduino Mega… Ưu điểm: - Tốc độ xử lý nhanh, dễ dàng thay đổi chương trình cách linh hoạt - Dễ dàng kết nối với thiết bị khác - Có thể điều khiển từ xa - Kích thước nhỏ gọn - Hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình - Giá thành rẻ, dễ dàng thay Nhược điểm: - Không ổn định, dễ bị nhiễu - Công suất không cao 3.1.1.2 Các boar chuyên dùng cho CNC laser khác Các loại mạch điểu khiển phát triển từ Arduino Nano có mạch đơn, vi điều khiển, phần cứng chuyển, drivers động bước nằm mạch Phổ biến thị trường Việt Nam EleskMaker Man… Hình 3.1 Boar EleskMaker Mana EleskMaker Mana có đặc điểm sau - Có bo động bước A4998 29 - Chipset: Atmel 328P - Nguồn vào 12V - Phần mềm hỗ trợ GRBL , Benbox… - Hỗ trợ thay đổi cường độ laser Từ đặc điểm mạch điều khiển, thấy Arduino sử dụng phổ biến sử dụng làm tảng mạch điều khiển khác Arduino Uno chọn làm mạch điều khiển cho máy chế tạo có đặc điểm sau: - Được sử dụng phổ biến Việt Nam tìm mua dễ dàng - Giá thành rẻ, dễ dàng thay - Dễ sử dụng chạy thêm ứng dụng khác 3.1.2 Arduino UNO 3.1.2.1 Giới thiệu Với Arduino bạn ứng dụng vào mạch đơn giản mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ, cao bạn làm sản phẩm như: máy in 3D, Robot, khinh khí cầu, máy bay khơng người lái, Nhắc tới dịng mạch Arduino dùng để lập trình, mà người ta thường nói tới dịng Arduino UNO Hiện dòng mạch phát triển tới hệ thứ (R3) Hình 3.2 Arduino UNO R3 Một vài thơng số Arduino UNO R3 - Vi điều khiển: ATmega328 (họ 8bit) - Điện áp hoạt động: 5V – DC (chỉ cấp qua cổng USB) - Tần số hoạt động: 16 MHz - Dòng tiêu thụ: 30mA - Điện áp vào khuyên dùng: 7-12V – DC - Điện áp vào giới hạn: 6-20V – DC 30 - Số chân Digital I/O: 14 (6 chân PWM) - Số chân Analog: (độ phân giải 10bit) - Dòng tối đa chân I/O: 30 mA - Dòng tối đa (5V): 500 mA - Dòng tối đa (3.3V): 50 mA - Bộ nhớ flash: 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng bootloader - SRAM: KB (ATmega328) - EEPROM: KB (ATmega328) 3.1.2.2 Vi điều khiển Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD,… Hình 3.3 Vi điều khiển 3.1.2.3 Nguồn chân lượng Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO Các chân lượng: - 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA - 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA - GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với - Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND - IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo 31 chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn - RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ 3.1.2.4 Bộ nhớ Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng: - 32KB nhớ Flash: đoạn lệnh bạn lập trình lưu trữ nhớ Flash vi điều khiển Thường có khoảng vài KB số dùng cho bootloader đừng lo, bạn cần 20KB nhớ đâu - 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị biến bạn khai báo lập trình lưu Bạn khai báo nhiều biến cần nhiều nhớ RAM Tuy vậy, thực nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi điện, liệu SRAM bị - 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): giống ổ cứng mini – nơi bạn đọc ghi liệu vào mà khơng phải lo bị cúp điện giống liệu SRAM 3.1.2.5 Các cổng vào Hình 3.4 Các cổng vào board Arduino UNO Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc xuất tín hiệu Chúng có mức điện áp 0V 5V với dòng vào/ra tối đa chân 40mA Ở chân có điện trở pull-up từ cài đặt vi điều khiển ATmega328 (mặc định điện trở không kết nối) Một số chân digital có chức đặc biệt sau: - chân Serial: (RX) (TX): dùng để gửi (transmit – TX) nhận (receive – RX) liệu TTL Serial Arduino Uno giao tiếp với thiết bị khác thông qua chân Kết nối bluetooth thường thấy nói nơm na kết nối Serial không dây Nếu 32 không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng chân không cần thiết - Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, 11: cho phép bạn xuất xung PWM với độ phân giải 8bit (giá trị từ → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) hàm analogWrite() Nói cách đơn giản, bạn điều chỉnh điện áp chân từ mức 0V đến 5V thay cố định mức 0V 5V chân khác - Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngồi chức thơng thường, chân cịn dùng để truyền phát liệu giao thức SPI với thiết bị khác - LED 13: Arduino UNO có đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn thấy đèn nhấp nháy để báo hiệu Nó nối với chân số 13 Khi chân người dùng sử dụng, LED sáng Arduino UNO có chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp khoảng 0V → 5V Với chân AREF board, bạn để đưa vào điện áp tham chiếu sử dụng chân analog Tức bạn cấp điện áp 2.5V vào chân bạn dùng chân analog để đo điện áp khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải 10bit Đặc biệt, Arduino UNO có chân A4 (SDA) A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWI với thiết bị khác 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 mô đun điều khiển động bước A4988, board điều khiển3 trục X, Y, Z thêm trục thứ tùy chọn máy CNC mini Đặc điểm bật: - Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy Arduino UNO R3 để điều khiển CNC mini) - Hỗ trợ lên tới trục (trục X, Y, Z trục thứ tư tùy chọn) - Hỗ trợ tới Endstop (cảm biến đầu cuối) cho trục - Tính điều khiển spindle - Tính điều khiển dung dịch làm mát máy hoạt động - Sử dụng mô đun điều khiển động bước, giúp tiết kiệm chi phí thay thế, nâng cấp - Thiết lập độ phân giải bước động jump đơn giản - Thiết kế nhỏ gọn, đầu nối tiêu chuẩn thông dụng - Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V 33 Hình 3.5 Board CNC shield V3 3.1.4 Modul điều khiển động bước A4988 A4988 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 1/16 Thơng số kỹ thuật - Cơng suất ngõ lên tới 35V, dịng đỉnh 2A - Có chế độ: full bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước - Điểu chỉnh dòng triết áp, nằm bên Current Limit = VREF × 2.5 - Tự động ngắt điện nhiệt 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) Hình 3.6 Cáp kết nối USB 34 USB có đặc trưng sau đây: - Cho phép mở rộng 127 thiết bị kết nối vào máy tính thơng qua cổng USB (bao gồm hub USB) - Những sợi cáp USB riêng lẻ dài tới mét; với hub, kéo dài tới 30 mét (6 sợi cáp nối tiếp thơng qua hub) tính từ đầu cắm máy tính - Với USB 2.0 chuẩn tốc độ cao, đường truyền đạt tốc độ tối đa đến 480 Mbps - Cáp USB gồm hai sợi nguồn (+5V dây chung GND) cặp gồm hai sợi dây xoắn để mang liệu - Trên sợi nguồn, máy tính cấp nguồn lên tới 500mA điện áp 5V chiều (DC) - Những thiết bị tiêu thụ cơng suất thấp (ví dụ: chuột, bàn phím, loa máy tính cơng suất thấp ) cung cấp điện cho hoạt động trực tiếp từ cổng USB mà khơng cần có cung cấp nguồn riêng (thậm chí thiết bị giải trí số SmartPhone, PocketPC ngày sử dụng cổng USB để sạc pin) Với thiết bị cần sử dụng nguồn công suất lớn (như máy in, máy quét ) không sử dụng nguồn điện từ đường truyền USB nguồn chúng, lúc đường truyền nguồn có tác dụng so sánh mức điện tín hiệu Hub có nguồn cấp điện riêng để cấp điện thêm cho thiết bị sử dụng giao tiếp USB cắm vào cổng USB cung cấp công suất định - Những thiết bị USB có đặc tính cắm nóng, điều có nghĩa thiết bị kết nối (cắm vào) ngắt kết nối (rút ra) thời điểm mà người sử dụng cần mà không cần phải khởi động lại hệ thống - Nhiều thiết bị USB chuyển trạng thái tạm ngừng hoạt động máy tính chuyển sang chế độ tiết kiệm điện - Khi máy tính cấp nguồn, truy vấn tất thiết bị kết nối vào đường truyền gán thiết bị địa Quy trình gọi liệt kê thiết bị liệt kê kết nối vào đường truyền Máy tính tìm từ thiết bị cách truyền liệu mà cần để hoạt động Hình 3.7 Một số loại cáp USB 35 3.1.6 Firmware cho mạch điều khiển 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 Hình 3.8 Giao diện firmware Firmware 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 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, dùng nhiều ứng dụng Inkscape chưa hỗ trợ đầy đủ SVG CSS Nó chưa có hiệu ứng lọc SVG, hoạt hình, phơng chữ SVG Inkscape phát triển mạnh, ngày có nhiều tính Inkscape quản lí vẽ theo lớp cho phép chuyển lớp cách linh hoạt Chức nhân đối tượng (clone) có ích cần chép với số lượng 36 lớn hay tạo họa tiết Inkscape phát triển tính nhận diện hình: đổi từ ảnh bitmap đường nét Cho phép xuất nhiều định dạng, Inkscape tạo file EPS, EMF, định dạng ảnh bitmap (PNG, JPEG, v.v ) Các đối tượng hình vẽ gồm có số loại đặc biệt: hình sao, đường cong Bézier, gradient màu Hình 3.9 Giao diện làm việc phần mềm Inkscape 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 Hình 3.10 Hộp thoại Raster Laser Gcode generator 37 Ở ta có tùy chọn: - Export directory: thư mục lưu file xuất - File name: tên file gcode - Add numeric suffix to filename: thêm số thứ tự cho tên file - Replace transparency with: Black hay White - Resolution ( độ phân giải): ta chọn độ phân giải theo ý muốn với mức, pixel/mm, pixel/mm, pixel/mm, 10 pixel/mm - Color to grayscale conversion: điều chỉnh tỉ lệ màu đỏ, lục, lam để cân màu sắc - B/W conversion aglorithm: thuật toán đảo ngược màu Ở ta có tùy chọn chế độ xủ lý ảnh - Grayscale resotuion: độ phân giải thang màu xám, ứng với chế độ băm xung laser - Engraving speed ( tốc độ khắc): tùy vào tốc độ động điều khiển, ta chọn giá trị thích hợp - Flip Y : lật ngược trục Y - Homing: Xuất Gcode cho loại mã nguồn điều khiển - Laser ON command ( lệnh bật laser) - Laser OFF command ( lệnh tắt laser) 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 giải thích bên Hình 3.11 Flile G-code 38 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 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 comman) F : Tốc độ khắc laser 3.2.3 Thư viện GRBL Thư viện GRBL 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 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 làm máy CNC hoạt động Thư viện điều khiển viết ngơn ngữ C tối ưu hóa để hoạt động với hiệu cao tận dụng hết khả dòng chip AVR để đạt thời gian xác hoạt động đa nhiệm (không đồng bộ) Thư viện GRBL sử dụng tập lệnh G-Code hoạt động xác nhiều dịng máy CNC mà khơng có lỗi Một sô ứng dụng dịch Gcode điều khiển máy sử dụng GRBL - GRBL Controller 39 Hình 3.12 Giao diện phần mềm GRBL 3.7.10 - Universal Gcode Sender Hình 3.13 Giao diện Universal Gcode Sender 40 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 3.14 Kết nối mạch điều khiển với động laser Hình 3.15 Máy tổng thể 41 Hình 3.16 Máy nhìn từ mặt bên 42 CHƯƠNG GIA CƠNG THỰC NGHIỆM 4.1 Một số thơng 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 cấu chấp hành Ta tiến hành kết nối máy với máy tính Đầu tiên, ta cần kết nối Board Arduino với máy tính cáp USB, sau máy tính nhận Board Arduino, ta kích vào nút Port name để chọn cổng COM kết nối, thông thường cổng COM3 Tiếp tục chọn tốc độ Baud Rate để giao tiếp máy tính Arduino, ta chọn mức 115200 Tại mục Send File, ta trỏ theo đường dẫn đến thư mục chứa file Gcode tạo trước đó, kích Choose file Hình 4.1 Kết nối Board Arduino với GRBL Một số lệnh thiết lập giá trị cho máy CNC: - $$: kiểm tra thông số máy - $0: thời gian xung cấp tới động bước, tính micro giây Mỗi động 43 có đặc tính thơng số thời gian kéo dài xung điện áp khác Quy tắc điều chỉnh giảm thời gian xung xuống thấp tốt miễn động chạy ổn định Giá trị mặc định 10 us - $1: thời gian đợi để tắt động cơ, tính mili giây Sau động hoàn thành xong chuyển động dừng hẳn, mạch điều khiển tiếp tục cấp điện cho động thời gian ứng với giá trị $1 Nếu muốn để mạch điều khiển luôn cấp nguồn cho động (động chế độ cấp điện), đặt giá trị $1 = 255 Thông thường với máy sử dụng đai GT2, đặt giá trị $1 = 255, nhiên động nóng bình thường chút - $2: thiết lập đảo mức điện áp tín hiệu điều khiển động bước Chức sử dụng để đảo ngược mức tín hiệu (5V 0V) tín hiệu điều khiển động Thông thường thiết lập không cần sử dụng tới trừ trường hợp với vài driver đặc biệt Setting Value Mark Invert X Invert Y Invert Z 00000000 N N N 00000001 Y N N 00000010 N Y N 00000011 Y Y N 00000100 N N Y 00000101 Y N Y 00000110 N Y Y 00000111 Y Y Y Cách sử dụng $2 bảng trên: ví dụ muốn đảo mức tín hiệu điều khiển động bước trục Z, trục X Y không thay đổi, ta thiết lập: $2 = - $3: thiết lập đảo mức tín hiệu điều khiển hướng động trục Thiết lập tương đương với đảo thứ tự toàn chân dây điều khiển động bước dùng để đảo chiều chuyển động ( âm dương) động Cách thiết lập trục bị đảo hướng chuyển động giống $2 Ví dụ muốn đảo hướng chuyển động trục Y, ta sửa giá trị $3 = - $4: thiết lập dảo ngược tín hiệu kích hoạt động cho tất trục Thông thường thiết lập không cần sử dụng để mặc định $4 = - $5: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt Endstop (cảm biến giới hạn hành trình máy) cho tất trục Nếu $5 = 0, mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt Endstop mức (0V) Nếu $5 = 1, mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt Endstop mức 44 (+5V) - $6: thiết lập đảo ngược tín hiệu kích hoạt cảm biến dị bề mặt phơi Khi sử dụng chức dị bề mặt phôi (kiểm tra độ cao điểm bề mặt phôi để bù lại gia công), $6 = mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt đầu dị mức (0V) Nếu $6 = mạch điều khiển xem tín hiệu kích hoạt đầu dò mức (+5V) Lưu ý, đặt $6 = 1, cần phải bổ sung thêm trở nối đất cho chân tín hiệu đầu dị - $10: thiết lập phản hồi trạng thái máy chạy: Report Type Value Machine Position Work Postion Planner Buffer RX Buffer Limit Pins 16 Mục đích thiết lập cho phép người dùng chọn lựa/loại bỏ số thông tin trạng thái máy cần theo dõi Thơng thường thơng số cần theo dõi tiết kiệm tài nguyên mạch điều khiển Các thơng số chọn/loại bỏ trình bày hình gồm có: Machine Position (vị trí máy); Work Position (vị trí gia cơng); Planner Buffer (bộ nhớ đệm lưu bước gia công tiếp theo); RX Buffer (bộ nhớ đệm nhận tín hiệu); Limit Pins (trạng thái chân tín hiệu Endstop) Cách sử dụng: ví dụ muốn mạch điều khiển gửi thông số Machine Position Work Position, đặt giá trị: $6 = 1+2 = - $11: Thiết lập giá trị gia tốc dao di chuyển qua điểm nối cạnh cần gia công Giá trị gia tốc cao, máy chạy nhanh khả xảy sai lệch kích thước lớn ngược lại - $12: Thiết lập độ xác gia cơng cung trịn/đoạn cong, tính theo milimét Thông thường giá trị không cần phải thay đổi trừ cần giá trị khác Nếu muốn gia công cung trịn nhanh hơn, tăng giá trị $12 lên chút - $13: Thiết lập thông báo trạng thái làm việc máy theo đơn vị Inch hay không Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị mm Nếu $13 = 0, máy báo trạng thái làm việc theo đơn vị inch - $20: Thiết lập chức giới hạn hành trình phần mềm Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $20 = 1), mạch điều khiển cho phép dao di chuyển giới hạn cho phép (xem $130; $131; $132) tính từ gốc tọa độ Khi muốn dùng tính bắt buộc phải bật tính gốc tọa độ ($22) trước 45 - $21: Thiết lập chức giới hạn hành trình Endstop Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $21 = 1), mạch điều khiển tự động dừng tồn máy có Endstop kích hoạt Thơng thường tính không cần dùng đến, trừ số trường hợp đặc biệt - $22: Thiết lập chức gốc tọa độ Khi kích hoạt tính (bằng cách đặt giá trị $22 = 1), lần khởi động máy, dao tự động di chuyển gốc tọa độ (được xác định Endstop ứng với trục X; Y; Z) Trong trình di chuyển gốc tọa độ, mạch điều khiển không thực lệnh khác tới vị trí Endstop - $23: Thiết lập hướng di chuyển gốc tọa độ (sử dụng đảo ngược hướnglắp Endstop trục) Cách sử dụng giống với $2 - $24: Tốc độ gốc tọa độ chậm (mm/phút) Khi gốc tọa độ, dao di chuyển nhanh (tốc độ gốc tọa độ nhanh $25) từ vị tri Khi gặp Endstop, dao di chuyển ngược lại sau di chuyển chậm (tốc độ gốc tọa độ chậm $24) để đảm bảo độ xác Giá trị $24 nhỏ vị trí xác định gặp Endstop xác, nhiên thời gian - $25: Tốc độ gốc tọa độ nhanh (mm/phút) Xem giải thích $24 - $26: Thiết lập độ trễ (delay, mili giây) kiểm tra tín hiệu Endstop gốc tọa độ Để giảm ảnh hưởng nhiễu tín hiệu điện, mạch điều khiển tạo thời gian trễ nhận tín hiệu kích hoạt từ Endstop Thông thường giá trị nằm khoảng – 25 ms - $27: Thiết lập di chuyển sau gốc tọa độ (mm) Sau gốc tọa độ, dao di chuyển theo chiều ngược lại quãng giá trị $27 theo tất trục - $100; $101; $102: Thiết lập số bước động ứng với 1mm theo trục X; Y; Z tương ứng - $110; $111; $112: Thiết lập tốc độ di chuyển cực đại dao theo trục X; Y; Z tương ứng (mm/phút) Khi kiểm tra máy, ban đầu đặt giá trị thật thấp, sau tăng dần tới động hoạt động mượt - $120; $121; $122: Thiết lập gia tốc di chuyển dao ứng với trục X; Y; Z tương đương (mm/s2) Nếu đặt giá trị gia tốc q thấp, dao khơng tăng tới vận tốc cao Tuy nhiên để gia tốc cao, động bị mốt số bước hoạt động - $130; $131; $132: Thiết lập hành trình tối đa (kích thước gia công tối đa) theo trục X; Y; Z tương ứng (mm) Các thiết lập cần thiết kích hoạt tính $20 46 4.2 Gia cơng thực nghiệm Máy chế tạo khắc nhiều vật thể khác khắc tranh ảnh, bút,chai lọ… Dưới dây số hình ảnh gia cơng sản phẩm Hình 4.2 Gia cơng bề mặt trịn xoay vật liệu gỗ Hình 4.3 Gia cơng bề mặt trịn xoay, vật liệu giấy 47 Hình 4.4 Gia cơng tranh ảnh mặt phẳng vật liệu gỗ Hình 4.5 Gia cơng bề mặt phẳng vật liệu da, simili 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 công suất laser thấp chạy với tốc độ cao 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài “Nghiên cứu khắc tia laser chi tiết có biên dạng trụ trịn xoay” đạt số yêu cầu mục tiêu nghiên cứu đề - Phân tích lựa chọn kết cấu cho máy khắc laser Thiết kế chế tạo hồn 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 khắc bề mặt trụ tròn xoay mà 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 cơng 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 công: 100m + Tốc độ gia công tối đa đầu khắc 15mm/s Kiến nghị Máy khơng có độ cứng vững cao số chi tiết làm chế tạo từ in 3d chưa đánh giá chất lượng có độ bền Tốc độ gia cơng tối đa đầu laser 15mm/s khắc số loại vật liệu Cần thay đầu Laser có cơng suất cao để gia cơng lên nhiều loại vật liệu có tốc độ gia công cao 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://arduino.vn [2] https://github.com/grbl [3] Nguyển Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất đại học Quốc Gia, 2011 [4] Trần Đức Hân - Nguyễn Minh Hiển, Cơ sở kỹ thuật Laser, NXB Giáo dục, 2008 [5] Trần Văn Địch ,Công nghệ CNC , NXB khoa học kỹ thuật,2004 [6] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển , Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí, tập 1, Nhà xuất giáo dục Việt Nam, 2010 ... 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 gia cơng chi tiết có biên dạng trụ trịn xoay. .. 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... laser chi tiết có biên dạng trụ trịn xoay Ngun cứu khái qt cơng nghệ CNC công nghệ gia công laser Từ công nghệ CNC tác giả thiết kế chế tạo máy khắc laser khắc mặt phẳng chi tiết có biên dạng trụ