Nghiên cứu thiết kế máy cắt laser mini

BỘ CÔNG THƢƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƢỜNG Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế máy cắt laser mini Mã số đề tài: 192.ĐT05 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Đăng Tấn Quý Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử Tp Hồ Chí Minh, 07/2020 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên nhóm em xin chân thành cảm ơn đến trƣờng Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh tài trợ kinh phí tạo điều kiện để nhóm em hồn thành đề tài, đặc biệt thầy cô khoa Công Nghệ Điện Tử tận tình hƣớng dẫn cho nhóm em kiến thức quý báu Nhóm em xin cảm ơn thầy ThS Nguyễn Duy Khanh hƣớng dẫn, giúp đỡ nhóm em trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Trong q trình làm báo cáo, khó tránh khỏi sai xót, mong q thầy (cơ) bỏ qua Đồng thời trình độ lý luận nhƣ kinh nghiệm thực tiễn cịn hạn chế nên báo cáo khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ thầy (cơ) để nhóm em học thêm đƣợc nhiều kinh nghiệm hoàn thành tốt báo cáo tốt nghiệm tới Với vốn kiến thức đƣợc tiếp thu trình thực đề tài khơng tảng cho q trình nghiên cứu sau mà cịn hành trang quý báu để em bƣớc vào đời cách vững tự tin Nhóm em xin chân thành cảm ơn! LỜI MỞ ĐẦU Từ xƣa, tia laser đƣợc biết đến lần vào năm 1960 phịng thí nghiệm nghiên cứu California cách chiếu đèn flash công suất cao thỏi ruby với bề mặt tráng bạc Các tia laze đƣợc sử dụng khắp nơi: từ phịng thí nghiệm nghiên cứu để cắt vật liệu vật lý lƣợng tử bệnh viện, siêu thị, dùng toán mạng điện thoại…Các tia laser đƣợc phát cách kích thích loại vật liệu phát laser cách phóng điện chiếu đèn buồng kín Khi vật liệu phát laser đƣợc kích thích, chùm tia đƣợc phản xạ nội gƣơng phản xạ phần, đạt đủ lƣợng để thoát luồng ánh sáng kết hợp đơn sắc Chính phát triển mạnh mẽ tia laser từ việc phát minh loại máy cắt laser khơng cịn khái niệm xa lạ Việt Nam Do nhóm định chọn đề tài “Nghiên cứu, Thiết kế, Chế tạo máy cắt laser mini” nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập sinh viên đáp ứng nhu cầu cho workshop khoa Công Nghệ Điện Tử MỤC LỤC PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát II Kết nghiên cứu 1 Đặt vấn đề Mục tiêu Phƣơng pháp nghiên cứu 4 Tổng kết kết nghiên cứu 5 Đánh giá kết đạt đƣợc kết luận 11 Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) 12 III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 12 Kết nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3) 12 Kết đào tạo 12 IV Tình hình sử dụng kinh phí 13 V Kiến nghị (về phát triển kết nghiên cứu đề tài) 13 VI Phục lục sản phẩm 14 PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 15 I Tổng quan 15 Phần cứng 15 Phần mềm 17 II Thiết kế mơ hình máy cắt Laser 18 Quy trình thiết kế: 18 Mơ hình tổng quan máy cắt Laser 18 Thiết kế tổng quan phần mạch điện 20 Lựa chọn thiết bị cho phần mạch điện 23 Thiết kế chọn thiết bị phần cứng hệ thống 32 III Thực nghiệm hoạt động mơ hình máy cắt Laser mini 37 Cài đặt hệ thống 37 Vận hành thực nghiệm máy cắt laser mini: 46 IV Kết thực hƣớng phát triển đề tài 50 Tóm tắt đề tài 50 Kết thực 51 Hƣớng phát triển đề tài 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM 56 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Máy khắc laser mini best mart euro 1000mW [1] Hình 2: Máy cắt laser mini 1520 V2 [2] Hình 3: Máy khắc laser CNC Babylon [3] Hình 4: Bố trí mạch điều khiển Hình 5: Đầu cắt/khắc laser đƣợc cố định trục Y Hình 6: Mơ hình máy cắt laser - Mặt Hình 7: Mơ hình máy cắt laser - Mặt trƣớc Hình 8: Giao diện phần mềm điều khiển Hình 9: Thiết lập thông số phù hợp với cấu phần cứng Hình 10: Mơ hình 3D máy cắt laser mini Hình 11: Bản vẽ chi thiết máy cần sử dụng 10 Hình 12: Quá trình máy hoạt động 10 Hình 13: Các sản phẩm máy tạo 11 Hình 14: Mơ hình 3D máy cắt laser mini 15 Hình 15: Sơ đồ động học máy cắt Laser mini 18 Hình 16: Vị trí gá đầu laser 19 Hình 17: Mơ cấu truyền động trục X, Y 19 Hình 18: Bố trí khơng gian bên máy 20 Hình 19: Sơ đồ tổng quan mach điều khiển 20 Hình 20: Cấu tạo cơng tắc hành trình 21 Hình 21: Pha động bƣớc 22 Hình 22: Động bƣớc lƣỡng cực 22 Hình 23: Động bƣớc đơn cực 23 Hình 24: Xung điều khiển động bƣớc 23 Hình 25: Động bƣớc pha lƣỡng cực 1,8 độ [4] 24 Hình 26: Mạch điều khiển động bƣớc A4988 [5] 25 Hình 27: Sơ đồ hƣớng dẫn sử dụng mạch A4988 [6] 25 Hình 28: Mạch điều khiển động bƣớc Shield CNC V3 [7] 26 Hình 29: Mạch điều khiển Arduino 27 Hình 30: Đầu laser mạch cơng suất [8] 28 Hình 31: Bộ nguồn DC cấp cho máy cắt laser mini [9] 30 Hình 32: Giao diện làm việc phần mềm Arduino IDE 30 Hình 33: Hình ảnh minh họa cho phần mềm LaserGRBL 31 Hình 34: Bản vẽ tổng quan hệ thống phần cứng 32 Hình 35: Nhơm định hình 30x30 [10] 32 Hình 36: Ke góc vng nhơm đinh hình 30x30 [11] 33 Hình 37: Ke góc vng chìm nhơm định hình 30x30 [12] 33 Hình 38: Đai ốc tán xoay chữ T cho nhơm định hình 30x30 [13] 34 Hình 39: Gá động bƣớc size 42 34 Hình 40: Thơng số kỹ thuật dây đai GT2 35 Hình 41: Bản vẽ tổng quan chi tiết phần cứng 35 Hình 42: Mạch Arduino điều khiển trung tâm 36 Hình 43: Sơ đồ nguyên lý hoạt động 36 Hình 44: Giao điện làm việc phần mềm LaserGRBL 39 Hình 45: kiểm tra cổng "COM" mạch điều khiển 39 Hình 46: Cấu hình cho phần mềm tƣng ứng với phần cứng 40 Hình 47: Cài đặt giới hạn khu vực làm việc cho máy cắt laser mini 40 Hình 48: Cài đặt gia tốc làm việc 41 Hình 49: Cài đặt tốc độ di chuyển đầu laser 41 Hình 50: Cài đặt độ phân giải 42 Hình 51: Cài đặt tín hiệu giới hạn cơng tắc hành trình 42 Hình 52: Các chế độ làm việc cho loại vật liệu 43 Hình 53: Máy cắt laser mini hoạt động dựa hệ tọa độ Descartes 43 Hình 54: Bo điều khiển nguồn đƣợc lắp đặt mơ hình 44 Hình 55: Hệ thống tản nhiệt máy cắt laser mini 44 Hình 56: Cơ cấu truyền động máy cắt laser mini 45 Hình 57: Khu vực làm việc máy cắt laser mini 45 Hình 58: Kết nối máy tính với mơ hình máy cắt laser mini 46 Hình 59: Chọn nạp file ảnh cần làm việc 46 Hình 60: Hình ảnh cần thực 47 Hình 61: Điều chỉnh phƣơng án gia công 47 Hình 62: Chọn bƣớc để chuẩn bị hoạt động 48 Hình 63: Điều chỉnh kích thƣớc ảnh cần thực 48 Hình 64: Kết sản phẩm thể hình làm việc 49 Hình 65: Quá trình máy hoạt động 49 Hình 66: Khắc bề mặt gỗ 51 Hình 67: Khắc bề mặt da 51 Hình 68: Cắt vật liệu mica 52 Hình 69: Cắt vật liệu form 52 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phần cứng (dự tính) 17 Bảng 2: Mô tả phần mềm hệ thống máy cắt laser mini dự tính xây dựng 17 Bảng 3: Thông số kỹ thuật động bƣớc 24 Bảng 4: Thông số kỹ thuật mạch Arduino CNC Shield V3 26 Bảng 5: Thông số kỹ thuật module laser 29 Bảng 6: Tín hiệu cấp xung điều khiển động bƣớc 37 PHẦN I THÔNG TIN CHUNG I Thông tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu, chế tạo máy cắt laser mini 1.2 Mã số: 192.ĐT05 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài Họ tên TT (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài Sv Nguyễn Đăng Tấn Quý Khoa CN Cơ Khí Chủ nhiệm Sv Nguyễn Đăng Khoa Khoa CN Cơ Khí Thành viên Sv Võ Thành Đạt Khoa CN Điện Tử Thành viên 1.4 Đơn vị chủ trì: Khoa Cơng Nghệ Điện Tử 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng năm 2020 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 06 năm 2020 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 01 năm 2019 đến tháng 06 năm 2020 1.6 Những thay đổi so với thuyết ban đầu (nếu có): khơng thay đổi 1.7 Tổng kinh phí đƣợc phê duyệt đề tài: 10 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề 1.1 Hiện trạng cơng trình nghiên cứu liên quan đến đề tài đánh giá kết cơng trình nghiên cứu công bố - Laser (viết tắt cụm từ tiếng Anh “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, có nghĩa "khuếch đại ánh sáng phát xạ kích thích") đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật kỷ XX ngành vật lý Vào thời điểm đƣợc phát minh (năm 1960), laser đƣợc gọi "giải pháp để tìm kiếm ứng dụng" Từ đó, laser trở nên ngày phổ biến đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực sống - Ngày nay, gia cơng cắt gọt kim loại đóng vai trị quan trọng nên công nghiệp đại Máy cắt laser diện nhiều môi trƣờng công nghiệp lẫn sở tƣ nhân nhỏ lẻ, hay chí ngƣời dùng cá nhân - Ƣu điểm máy cắt laser kể đến nhƣ là: độ xác cao, q trình cắt xảy nhanh chóng, cắt theo đƣờng bất kì, khơng gây ồn ào, cắt khơng có tác động học nên ảnh hƣởng đến sản phẩm, khí hóa tự động q trình cắt Ngồi ra, song song với ƣu điểm cịn có nhƣ giá thành máy cắt cao, linh kiện bị hỏng khó thay thế, bảo trì sửa chữa khó khăn - Trên thị trƣờng nay, có đa dạng mẫu mã máy cắt laser Có thể kể đến nhƣ máy khắc laser mini best mart euro 1000mW NEJE DK-8-KZ [1] Hình 1: Máy khắc laser mini best mart euro 1000mW [1] - Ƣu điểm: sử dụng ngoại tuyến, rời khỏi máy tính In độ phân giải cao 512x512 pixel Có hệ thống tản nhiệt - Nhƣợc điểm máy là: khơng có phận bảo vệ mắt, có chức khắc, khu vực làm việc nhỏ 38x38 mm - Ngồi cịn có máy cắt laser mini 1520 V1 [2] với ƣu điểm sau: giá thành rẻ (3.990.000 VNĐ), chạy đƣợc 24/24, nhỏ gọn, dễ sửa chữa, thay linh kiện, phần mềm kèm Tiếng Việt - Máy có nhƣợc điểm nhƣ sau: khơng có bảo vệ mắt cho ngƣời sử dụng, công suất nhỏ (500mW), gây vết cháy, độ chi tiết không cao, khổ làm việc nhỏ (150x200 mm) [2] Hình 50: Cài đặt độ phân giải - Cơng tắc hành trình: để đảm báo cho máy an tồn làm việc cài đặt vị trí ban đầu (home) Khi trục di chuyển chạm công tắc, hệ thống dừng hoạt động Để làm đƣợc điều đó, ta đặt giá trị cho phần cấu hình cơng tắc Hình 51: Cài đặt tín hiệu giới hạn cơng tắc hành trình - Sau thiết lập xong cho phần mềm điều khiển Ở mục “Material Database” ta tham khảo thêm cấu hình cơng suất tốc độ làm việc đầu Laser 42 Hình 52: Các chế độ làm việc cho loại vật liệu 1.3 Xây dung mơ hình thực tế máy cắt, khắt laser mini thực nghiệm hoạt động máy cắt, khắt laser mini Trục Y Trục X Hình 53: Máy cắt laser mini hoạt động dựa hệ tọa độ Descartes 43 Bo điều khiển Nguồn 12V Hình 54: Bo điều khiển nguồn đƣợc lắp đặt mơ hình Hệ thống tản nhiệt Hình 55: Hệ thống tản nhiệt máy cắt laser mini 44 Cơ cấu truyền động trục X, Y Hình 56: Cơ cấu truyền động máy cắt laser mini Khu vực làm việc Hình 57: Khu vực làm việc máy cắt laser mini 45 Vận hành thực nghiệm máy cắt laser mini: Hình 58: Kết nối máy tính với mơ hình máy cắt laser mini Ở bƣớc này, ta dùng phần mềm LaserGRBL để mô công đoạn hoạt động máy cắt, khắt laser việc tạo chi tiết cắt, khắt thông qua việc đƣa file hình ảnh vào phần mềm LaserGRBL để tạo file G-code Qua bƣớc này, file G-code sẽ nạp chƣơng trình cho Arduino để xuất tín hiệu cho driver điều hoạt động động - Công đoạn đƣa hình ảnh vào : Ở phần mềm LaserGRBL, vào File – Open file để chọn hình ảnh cần làm việc Hình 59: Chọn nạp file ảnh cần làm việc 46 Hình 60: Hình ảnh cần thực - Cơng đoạn cài đặt hình ảnh: Lúc tùy thuộc vào phƣơng thức gia cơng hình ảnh mà ngƣời dùng muốn điều chỉnh với chế độ Hình 61: Điều chỉnh phƣơng án gia công - Công đoạn cài đặt kích thƣớc hình ảnh: Sau ngƣời dùng chọn phƣơng thức gia cơng hình ảnh, lúc chọn Next dƣới góc hình 47 Hình 62: Chọn bƣớc để chuẩn bị hoạt động Sau chọn Next, lúc hình làm việc 1cửa sổ để điều chỉnh kích thƣớc hình ảnh Hình 63: Điều chỉnh kích thƣớc ảnh cần thực Sau điều chỉnh kích thƣớc ảnh cấn làm việc, chọn Creat! kết thúc trình cài đặt hình ảnh Lúc này, cửa sổ làm việc phần mềm trở hình 48 RUN Hình 64: Kết sản phẩm thể hình làm việc Chọn RUN để máy hoạt động Hình 65: Quá trình máy hoạt động - Kết luận + Kết thực nghiệm trình chế tạo sản phẩm máy cắt-khắc laser mini bảo đảm đƣợc yêu cầu đặt đề tài, là:  Kích thƣớc máy 610x550mm  Máy cắt đƣợc mica tối màu (không khuếch đại tia laser) dày 3mm  Sai số