Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser Research, design, manufacture laser engraving machine Hoàng Ngọc Hải, Đoàn Nguyên Vũ, Nguyễn Trương Công Thắng, Nguyễn Quang Thành*, Ngô Kiều Nhi PTN Cơ học Ứng dụng, Trường Đại học Bách khoa TPHCM *Email: nqthanh@hcmut.edu.vn Tel: +84-8378637868; Mobile: 0973 184 199 Tóm tắt Từ khóa: Máy khắc laser, Ứng suất cho phép, Mơ phỏng, Moment quán tính, Vận tốc, Gia tốc, Chuyển vị Máy khắc laser không quan trọng ngành khí mà cịn nhiều ngành khác như: may mặc, giày dép, vẽ mạch điện tử… đặc biệt ứng dụng ngành thủ công mỹ nghệ Với ưu điểm máy khắc nâng cao khả tự động hóa doanh nghiệp Việt Nam như: người vận hành ít, phải can thiệp vào hoạt động máy Nhiều máy khắc laser tự động chạy liên tục kết thúc giải phóng nhân lực cho cơng việc khác xảy hỏng hóc lỗi vận hành, thời gian gia cơng dự báo xác, người vận hành khơng địi hỏi phải có kỹ thao tác (chân tay) cao điều khiển máy công cụ truyền thống Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả thực việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser điều kiện phát triển Việt Nam Các kết nghiên cứu cho thấy khả chủ động chế tạo đáp ứng yêu cầu điều khiển Abstract Keywords: Laser engraving machine, Allowable stresses, Simulation, Velocity, Acceleration, Displacement The laser engraving machine is not only important in mechanical engineering but also many other industries as: garment, footwear, electronics, and especially in handicrafts Any laser engraving machine will also improve the level of automation of the business: little operator Many laser engraving machine can automatically run continuously until the end and freeing manpower for other work, it is less error-prone to operate, processing time is predicted accurately, the operator does not require manipulation skills (hand-foot) high as machine control traditional tools In this study, the authors conducted research, design and manufacture of laser engraving machines under conditions of development in Vietnam The research results show that the ability to be proactive in fabrication and meet the requirements in control Ngày nhận bài: 12/7/2018 Ngày nhận sửa: 10/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Từ phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950, xuất máy CNC (Computerized Numeric Control) thành tựu khoa học, kỹ thuật nhân loại, nhanh chóng thay đổi việc sản xuất cơng nghiệp Máy CNC góp phần giải nhiệm vụ cấp HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 bách tự động hoá trình sản xuất, tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Tuy nhiên, Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo ứng dụng CNC vào sản xuất gặp nhiều hạn chế Đa phần máy CNC đầu tư doanh nghiệp chuyên gia công, chế tạo khuôn mẫu với quy mô sản xuất lớn Tuy nhiên, hầu hết xưởng gia cơng nhỏ, phịng thí nghiệm trường Đại học, Cao Đẳng kỹ thuật sử dụng máy CNC đặc biệt máy CNC nhiều trục với cơng nghệ đại Để khắc phục khó khăn tại, nhiều đơn vị doanh nghiệp số trường đại học, cao đẳng cố gắng tự chủ động chế tạo máy CNC để đáp ứng nhu cầu xã hội Máy khắc laser tự động dạng khác máy CNC Nó phù hợp với định hướng nghiên cứu chung xã hội phục vụ theo nhu cầu sống Do đó, hướng nghiên cứu khơng giúp chủ động tìm tịi, nghiên cứu, làm chủ kiến thức lĩnh vực tương lai Khái niệm laser tương đối mẻ Việt Nam, với "LASER" viết tắt "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", laser khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích Bức xạ laser tạo từ nguồn laser Hiện hai loại laser nguồn thông dụng laser tinh thể bán dẫn laser khí Nguồn laser kích hoạt ánh sáng (đèn chớp diot) điện Tinh thể laser khí đặt hai gương cho phép cộng hưởng định hướng chùm tia laser Một tỉ lệ xác định chùm tia laser truyền qua gương phản xạ bán tồn phần dùng để gia cơng vật liệu Ngồi ra, laser cịn có nhiều ứng dụng khác cơng nghệ quân sự, viễn thông, đo lường, y tế [13-17] Bài báo trình bày việc tính tốn, thiết kế phận máy dựa lý thuyết đồng thời tiến hành mô bền cho kết cấu bao gồm tiêu độ xác, độ bền, tính công nghệ Kết từ nghiên cứu cho thấy khả tự chế tạo, chủ động chế tạo máy khắc laser Việt Nam CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Tính tốn cơng suất động [1-6] Động chấp hành cho chuyển động Laser theo hai phương X,Y; động chạy theo phương X, Y thường có cơng suất Trong trường hợp này, lực cắt đầu laser không gây lực cắt, chuyển động tịnh tiến Trọng lượng phận di dộng gồm: kết cấu cụm trục X Y Hình Cơ cấu chuyển động trục X, Y HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tổng khối lượng đai tải mY = (kg); mT = (kg) Tốc độ di chuyển V = 50 (mm/s) Chiều dài dịch chuyển trượt lx  600(mm); l y  400(mm) Ngoại lực tác dụng FA Góc nghiêng trục so với phương ngang   0o Đường kính pulley D = 12 (mm) Khối lượng Pulley m P = 0,01 (kg) Hiệu suất dây đai pulley   0, Tần số nguồn cấp Hệ số an toàn Độ phân giải mong muốn f = 60 Hz Sf = Δl =200 (mm/bước) Thời gian điều chỉnh to  2, 4( s ) Ta có thơng số đầu vào sau: 360o 360o   1,8o 200 l Tổng số bước quay A hành trình hoạt động: Góc bước cần thiết động cơ:  s  Ax  l x 360o 600 360o n!    10000 (bước) DP  s 12 1,8 r ! n  r  ! Ay  l y 360o 400 360o    6666, 667 (bước) DP  s 12 1,8 Thời gian tăng tốc (giảm tốc) : t1  to 0, 25  2, 4.0, 25  0, 6( s ) Tần số hoạt động f : f2 x  f2 y  Ax  f1t1 10000  0.0,   5, 6(kHz) ; to  t1 2,  0, Ay  f1t1 to  t1  6666, 667  0.0,2  3,7(k Hz ) 2,  0, Vận tốc hoạt động N M : NMx  f x NMy  f2 y s 360 s 360 60  5,5 1,8 60  1,6k (v / ph) ; 360 60  3,7 1,8 60  1,1k (v / ph) 360 Lực gây tải chuyển động: Fx  FA  mY g (sin    cos  )   3.9,8.(sin  cos 0.0,3)  8,82( N ) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Fy  FA  mT g.(sin    cos  )   1.9,8.(sin  cos 0.0,3)  2,94( N ) Moment tải: F D F D 8,82.12.103 2,94.12.103 TLx  x P   0, 0588( Nm) ; TLy  y P   0,0196( Nm) 2 2.0, 2 2.0,9 Moment quán tính dây đai tải:  DP 12.103 )  3.( ) 1,08.104 (kg.m2 ) ; 2 JM1x  mY (  DP 12.103 ) 1.( )  3,6.105 (kg.m2 ) 2 JM1y  mT ( 1 Moment quán tính pulley: J M  mP DP2  0, 01.(12.103 )2  1,8.107 ( kg m ) 8 Tổng moment quán tính: J Lx  J M 1x  J M  1, 08.104  2.1,8.107  1, 0836.104 (kg.m ) J Ly  J M y  J M  3.6 105  1.8 107  3.636 105 (kg.m2 ) Moment gia tốc: Tax  ( J o  J Lx )  s f2 x  f1 180 Tay  ( J o  J Ly ) t1  ( J o  1,08.104 )  1,8 5555,556 180 0,6  290,89 J o  0, 0314( Nm)  s f y  f1 t1 180  ( J o  3, 636.105 )  1,8 3703, 704 180 0,  193,92 J o  7, 051.103 ( Nm) Trong đó: J o : Moment qn tính rotor (kg m ) Moment hoạt động cần thiết: TM  (TL  Ta ) S f ; TMx  (TLx  Tax ) S f  (0, 0588  290,89 J o  0,314).2  0,1804  581, 78 J o ( Nm) TMy  (TLy  Tay ) S f  (0, 0196  193,92 J o  7, 051.103 ).2  0, 0533  387,84 J o ( Nm) Bảng Chọn động có thơng số kỹ thuật Động bước Nema 17 Đặc tính kỹ thuật chung Đặc tính kỹ thuật điện Góc bước 1,8 Số pha Điện trở cách nhiệt o 100 M  (500V DC) Điện áp định mức 3,75 V Dòng điện định mức Điện trở pha 2A 3,3 10 % HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Loại cách điện B Quán tính rotor 57 g  cm Khối lượng 0,28 kg Cảm kháng pha mH  10 % Moment kéo 480 mN  m Moment hãm 15 mN  m Với J o  57.107 đó, moment yêu cầu theo thông số động cơ: TMy  0,0533  387,84 J o  0,0533  387,84.57.107  0,055( Nm)  0, 48( Nm) Với J o  57.107 đó, moment yêu cầu theo thông số động cơ: TMx  0,1804  581, 78J o  0,1804  581, 78.57.107  0,184( Nm)  0, 48( Nm)  Kết luận: Động thỏa yêu cầu trục X,Y 2.2 Động chấp hành cho chuyển động máy theo phương Z Ta có thơng số đầu vào bảng Bảng Thông số đầu vào máy theo phương Z Tổng khối lượng bàn tải mZ = 10 (kg) Tốc độ di chuyển Ngoại lực tác dụng V = 20 (mm/s) Góc nghiêng trục so với phương ngang FA Hiệu suất   90 o LB  400 (mm) DV = (mm) ps  (mm)   0, Độ phân giải mong muốn l  200 (mm/bước) Khối lượng riêng vitme Hệ số an toàn   7, 9.103 ( kg / m )   0, Sf  Thời gian điều chỉnh to  0,8 Hệ số ma sát ren  o  0, Tổng chiều dài vitme Đường kính vitme Khoảng dịch chuyển vitme quay vòng Hệ số ma sát bề mặt vitme trượt Trong trường hợp này, lực cắt bàn máy chuyển động tịnh tiến Trọng lượng phận di dộng gồm: khối lượng vật khối lượng cụm bàn máy 360o 360o Góc bước cần thiết động cơ:  s    1,8o l 200 Tổng số bước quay A hành trình hoạt động: A L 360o 400 360o   10000 (bước) DV s 1,8 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Lực dọc trục: F  FA  mg (sin    cos  )   10.9,8.(sin 90  cos 90.0, 3)  98( N ) F 98  32, 667( N ) Lực gây trục vitme: Fo   3 Thời gian tăng tốc (giảm tốc): t1  to 0, 25  0,8.0, 25  0, 2( s ) A  f1t1 10000  0.0, Tần số xung hoạt động: f    16666, 667( Hz ) to  t1 0,8  0,  1,8 60  5000(v / ph) Vận tốc hoạt động: N M  f s 60  16666, 667 360 360 FDV o Fo DV 98.8.10 3 0, 2.49.8.103  ) (  )  0,147( Nm) 2 2 i 2 0,9 2 p 8.103 Moment quán tính bàn tải: J B  m.( s )2  10.( )  1, 62.105 (kg.m ) 2 2 Moment tải: TL  ( Moment quán tính vitme: JV   32  LDV4   32 7,9.103.400.103.(8.103 )  1, 27.106 ( kg.m ) Tổng moment quán tính: J L  J B  JV  1, 62.105  1, 27.106  1, 747.105 (kg.m ) Moment gia tốc: Ta  ( J o  J L )  s f2  f1 180 t1  ( J o  1,747.105 )  1,8 16666,667 180 0,  2617,99J o  0,0457( Nm) Trong đó: J o : Moment quán tính rotor (kg m ) Moment hoạt động cần thiết: TM  (TL  Ta ) S f  (0,147  2617,99 J o  0, 0457).2  0,3854  5235,98J o ( Nm) Bảng Chọn động có thơng số kỹ thuật Động bước 17 Đặc tính kỹ thuật chung Góc bước Số pha Điện trở cách nhiệt Loại cách điện Quán tính rotor Khối lượng 1,8 o 100 M  (500V DC) B 82 g  cm 0,5 kg Đặc tính kỹ thuật điện Điện áp định mức Dịng điện định mức Điện trở pha Cảm kháng pha Moment kéo Moment hãm 7,2 V 1.2 A 10 % mH  20 % 650 mN  m 92 mN  m Với J o  82.107 đó, moment u cầu theo thơng số động cơ: TM  0,3854  5235,98J o  0, 3854  5235,98.82.107  0, 43( Nm)  0, 65( Nm)  Kết luận: Đảm bảo yêu cầu moment kéo động treo phương Z HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thiết kế mơ hình phần mềm 3D [7-12] Thiết kế khung máy theo kích thước ước lượng 830 x 580 x 550 (mm) Thực khảo sát thực tế đo đạc linh kiện, vật liệu gia cơng có sẵn thị trường để từ thiết kế mơ hình máy có vẽ giống thực tế Mơ Hình hình chiếu Hình (a) (b) (c) Hình Bản thiết kế hồn chỉnh cho mơ hình máy khắc laser (a) (b) (c) Hình Các hình chiếu máy 3.2 Kết kiểm tra bền cho khâu Trong điều kiện tĩnh, lực tác dụng lên trục Y sau bao gồm: Moment động Trọng lực P trục Y HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Điều kiện biên lực cho trục Hình Trường ứng suất trục Y Hình Trường chuyển vị khâu Hình Chia lưới cho khâu Hình Vị trí tập trung ứng suất Hình Trường biến dạng khâu 3.3 Kết kiểm tra bền cho khung máy Bảng Thông số kỹ thuật khung máy Thông số vật liệu Module đàn hồi E ( MPa) Khối lượng riêng ρ (kg/m3) Aluminum Alloy (Hợp kim nhôm) 7,1.1010Pa 2770 kg/m3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hệ số Poisson υ Yield Stress 0,33 2,8.108 Pa Lưới chia thành dạng: lưới tetra, lưới mix (2 loại tetra quad), lưới map (toàn quad - tứ giác) Mơ hình chia lưới máy in laser 3D sử dụng tính chia lưới tự động phần mềm Ansys Workbench thỏa tiêu chuẩn sau: Bảng Tiêu chuẩn chia lưới Ansys 450 0.7 3.0 Skewness Jacopian Aspect Ratio Min Length Hình 10 Thơng số chia lưới Điều kiện biên cho mơ hình: Ở trạng thái tĩnh, khung nhôm chịu tác dụng trọng lượng toàn khâu trọng lượng thân Hình 11.Điều kiện biên cho mơ hình Hình 12.Kết ứng suất Hình 13 Kết chuyển vị tĩnh Nhận xét: Ứng suất lớn 8,81.105 (Pa) chưa đạt tới ứng suất chảy dẻo ( 2,8.108 ) (Pa), khung thỏa bền HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 3.4 Mơ hình thực tế sản phẩm Hình 14 Máy khắc hồn chỉnh Hình 15 Hình ảnh số sản phẩm KẾT LUẬN Kết nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp ráp hoàn chỉnh phần khí phần điện cho máy laser theo mơ hình thiết kế Tính tốn, mơ bền cho khung cụm máy đồng thời ứng dụng phần mềm CAD-CAM để thiết kế xuất file G-code Trong nghiên cứu nhóm nghiên cứu xây dựng mơ hình tính tốn hồn chỉnh tần số dao động riêng khung, cụm máy, đầu laser TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn Thiết kế Hệ thống dẫn động Cơ khí, tập 1, NXB Giáo dục, 2006 [2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn Thiết kế Hệ thống dẫn động Cơ khí, tập 2, NXB Giáo dục, 2006 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 [3] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở Thiết kế máy, NXB Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, 2009 [4] Nguyễn Hữu Lộc, Bài tập chi tiết máy, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 2008 [5] B Π Bейко, M.H Либенсон, Лазерная обработка, Лениздат 1973 [6] Reza N Jazar Theory of Applied Robotics, Kinematics, Dynamics, and Control Second Edition [7] Chu Quốc Thắng Phương pháp phần tử hữu hạn Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 1997 [8] Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang, Giải toán kỹ thuật chương trình ANSYS, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2003 [9] www.orientalmotor.com, Technical Reference, CAD Data Manuals [10] www Reprap.org/wiki/CoreXY [11] Ngơ Kiều Nhi, Trương Tích Thiện, Cơ ứng dụng, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2011 [12] Ngô Kiều Nhi, Trần Công Nghị, Dao động kỹ thuật, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, 2014 [13] Bai Hua Zhou, Experimental and theoretical analyses of cutting nonmetallic materials by low power CO2-laser S.M MahdavianSchool of Aerospace, Mechanical and Manufacturing Engineering, Royal Melbourne Institute of Technology University 31/10/2013 [14] Võ Đức Anh, 2016, Luận văn tốt nghiệp “Động lực học máy CNC bốn trục”, Khoa Khoa học Ứng dụng - Bộ môn Cơ Kỹ thuật - Đại học Bách khoa TPHCM [15] Phạm Hoàng Vũ, Xa Viết Khoa, Luận văn tốt nghiệp “Tính tốn, thiết kế, chế tạo máy in 3D”, Khoa Khoa học Ứng dụng- Bộ môn Cơ Kỹ thuật - Đại học Bách khoa TPHCM [16] Nguyễn Trọng Vinh, Luận văn tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo máy in 3D CARTESIAN dạng COREXY”, Khoa Khoa học Ứng dụng - Bộ môn Cơ Kỹ thuật - Đại học Bách khoa TPHCM [17] Phan Tấn Tùng, Động lực học điều khiển Robot, Khoa Cơ khí - Bộ mơn Cơ điện tử - Đại học Bách khoa TPHCM, 2010  ... tế sản phẩm Hình 14 Máy khắc hồn chỉnh Hình 15 Hình ảnh số sản phẩm KẾT LUẬN Kết nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp ráp hồn chỉnh phần khí phần điện cho máy laser theo mơ hình thiết kế Tính tốn,... tốn, thiết kế phận máy dựa lý thuyết đồng thời tiến hành mô bền cho kết cấu bao gồm tiêu độ xác, độ bền, tính cơng nghệ Kết từ nghiên cứu cho thấy khả tự chế tạo, chủ động chế tạo máy khắc laser. .. xuất, tạo nên phát triển đáng kể xác chất lượng Tuy nhiên, Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo ứng dụng CNC vào sản xuất gặp nhiều hạn chế Đa phần máy CNC đầu tư doanh nghiệp chuyên gia công, chế tạo