THIẾT KẾ MÁY KHẮC TRANH BẰNG LASER

Luận văn thiết kế và xây đựng một hệ thống CNC khắc tranh phục vụ trong việc chế tạo đồ lưu niệm hoặc tạo điểm nhấn cho các vật dụng. Máy được thiết kế thông qua sự tìm hiểu các hệ thống CNC trên thị trường. Để chuẩn hóa bản vẽ, phần cơ khí sử dụng các phần tử chính hãng làm thông số tính toán và thiết kế dẫn tới tổng giá thành sản phẩm luận văn sẽ có thể cao hơn so với các máy CNC đã có ngoài thị trường. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii NỘI DUNG LUẬN VĂN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1. Tranh khắc bằng laser 1 1.1. Nguyên lý quá trình khắc Laser 1 1.2. Tổng quan về laser 1 1.3. Các chế độ hoạt động 2 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm 2 1.5 Phân loại các sản phẩm khắc bằng laser 4 2. Máy CNC 6 2.1. Phương pháp điều khiển máy CNC 6 2.2 Kết cấu máy CNC 7 2.3 Một số máy CNC 9 2.4 Đánh giá chung 11 3. Mục tiêu đề tài 12 3.1. Mục tiêu luận văn 12 3.2. Nhiệm vụ luận văn 12 3.3. Tổ chức luận văn 12 CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 13 1. Cơ khí 13 1.1. Kết cấu máy 13 1.2. Vật liệu làm thân máy 13 1.3. Bộ phận truyền động 14 1.4. Bộ phận dẫn hướng 15 2. Điện 15 2.1. Laser 15 2.2. Động cơ trục X,Y,Z 16 2.3. Driver điều khiển 17 3. Điều khiển 18 4. Tổng kết 18 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 20 1. Tính toán cấp chính xác 20 1.1 Yêu cầu thiết kế 20 1.2 Tính toán 20 1.3. Kiểm tra 21 2. Lựa chọn tính toán trục Z 22 2.1. Bộ phận vít me – đai ốc bi trục Z 22 2.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 25 2.3. Tính toán chọn động cơ 27 3. Lựa chọn tính toán trục X 29 3.1. Tính toán, lựa chọn vít me cho trục X 29 3.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 31 3.3. Tính toán chọn động cơ 33 4. Lựa chọn tính toán trục Y 35 4.1. Tính toán, lựa chọn vít me cho trục Y 35 4.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 37 4.3. Tính toán chọn động cơ 39 5. Tính toán chọn ổ lăn, khớp nối 41 5.1. Thông số đầu vào 41 5.2. Lựa chọn và kiểm tra 41 6. Lựa chọn dung sai lắp ghép giữa khung máy và ổ đỡ 42 6.1. Lựa chọn dung sai 42 6.2. Kiểm tra 42 7. Mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất cho các khâu 43 6.1. Khâu trục X 44 6.2. Khâu trục Y 45 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 46 1. Yêu cầu kỹ thuật 46 2. Vi điều khiển 46 3. Driver điều khiển 47 3.1. Chọn thông số làm việc cho driver 48 3.2. Kiểm tra 49 4. Laser khắc 50 5. Công tắc hành trình và vị trí lắp đặt 50 6. Nguồn hệ thống điện 51 7. Sơ đồ mạch điện tổng thể 52 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53 1. Yêu cầu kỹ thuật 53 2. Tạo lập file Gcode 53 2.1. Chuyển đổi file ảnh thành file .dxf 53 2.2. Tạo lập file Gcode 55 3. Điều chỉnh thiết lập thông số cho phần mềm Mach3 59 3.1. Khai báo thông tin chung 59 3.2. Thiết lập thông số cổng input và output 60 3.3. Thiết lập chế độ Home 61 4. Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt trụ tròn 62 5. Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt cầu, mặt eclipse 63 CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TỔNG KẾT 66 1. Kết quả thực nghiệm 66 1.1. Thông số mô hình thực nghiệm 66 1.2. Một số sản phẩm thực tế 67 2. Tổng kết 68 2.1. Hạn chế 68 2.2. Kết quả đạt được 68 2.3. Phương hướng phát triển luận văn 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY KHẮC TRANH BẰNG LASER GVHD: TS Trần Việt Hồng TP.HCM, Tháng 8/2021 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy Trần Việt Hồng đưa gợi ý hữu ích, hướng dẫn em chọn đề tài phù hợp quan trọng nhờ kiến thức môn Trang thiết bị Điện – Điện tử công nghiệp thầy từ năm hai giúp ích em nhiều việc tìm hiểu tư liệu luận văn Chân thành gửi lời cảm ơn đến thư ký mơn kiên nhẫn dành thời gian giúp đỡ em q trình tìm kiếm đề tài luận văn Ngồi em xin cảm ơn anh Đỗ Tân Khoa anh Châu hỗ trợ giúp em trang thiết bị SHTP Nếu thiếu hai anh, em có mơ hình với kinh phí hạn hẹp Cuối xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô mơn Cơ – Điện tử nhiệt tình giảng dạy bảo, em khơng thể hồn thành đề cương luận văn thiếu kiến thức thầy cô iii NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn thiết kế xây đựng hệ thống CNC khắc tranh phục vụ việc chế tạo đồ lưu niệm tạo điểm nhấn cho vật dụng Máy thiết kế thơng qua tìm hiểu hệ thống CNC thị trường Để chuẩn hóa vẽ, phần khí sử dụng phần tử hãng làm thơng số tính tốn thiết kế dẫn tới tổng giá thành sản phẩm luận văn cao so với máy CNC có ngồi thị trường MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii NỘI DUNG LUẬN VĂN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1 Tranh khắc laser .1 1.1 Nguyên lý trình khắc Laser .1 1.2 Tổng quan laser 1.3 Các chế độ hoạt động .2 1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm 1.5 Phân loại sản phẩm khắc laser Máy CNC 2.1 Phương pháp điều khiển máy CNC 2.2 Kết cấu máy CNC .7 2.3 Một số máy CNC 2.4 Đánh giá chung .11 Mục tiêu đề tài 12 3.1 Mục tiêu luận văn 12 3.2 Nhiệm vụ luận văn 12 3.3 Tổ chức luận văn 12 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 13 Cơ khí 13 1.1 Kết cấu máy 13 1.2 Vật liệu làm thân máy 13 1.3 Bộ phận truyền động 14 1.4 Bộ phận dẫn hướng 15 Điện .15 2.1 Laser .15 2.2 Động trục X,Y,Z 16 2.3 Driver điều khiển 17 Điều khiển .18 Tổng kết 18 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 20 Tính tốn cấp xác 20 1.1 Yêu cầu thiết kế 20 1.2 Tính tốn 20 1.3 Kiểm tra 21 Lựa chọn tính toán trục Z 22 2.1 Bộ phận vít me – đai ốc bi trục Z 22 2.2 Tính tốn lựa chọn trượt tròn 25 2.3 Tính tốn chọn động 27 Lựa chọn tính tốn trục X .29 3.1 Tính tốn, lựa chọn vít me cho trục X 29 3.2 Tính tốn lựa chọn trượt tròn 31 3.3 Tính tốn chọn động 33 Lựa chọn tính tốn trục Y .35 4.1 Tính tốn, lựa chọn vít me cho trục Y 35 4.2 Tính tốn lựa chọn trượt tròn 37 4.3 Tính tốn chọn động 39 Tính tốn chọn ổ lăn, khớp nối .41 5.1 Thông số đầu vào 41 5.2 Lựa chọn kiểm tra .41 Lựa chọn dung sai lắp ghép khung máy ổ đỡ 42 6.1 Lựa chọn dung sai 42 6.2 Kiểm tra 42 Mô kiểm nghiệm ứng suất cho khâu 43 6.1 Khâu trục X 44 6.2 Khâu trục Y 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 46 Yêu cầu kỹ thuật 46 Vi điều khiển 46 Driver điều khiển 47 3.1 Chọn thông số làm việc cho driver 48 3.2 Kiểm tra 49 Laser khắc .50 Công tắc hành trình vị trí lắp đặt 50 Nguồn hệ thống điện .51 Sơ đồ mạch điện tổng thể 52 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53 Yêu cầu kỹ thuật 53 Tạo lập file Gcode 53 2.1 Chuyển đổi file ảnh thành file dxf 53 2.2 Tạo lập file Gcode 55 Điều chỉnh thiết lập thông số cho phần mềm Mach3 59 3.1 Khai báo thông tin chung .59 3.2 Thiết lập thông số cổng input output 60 3.3 Thiết lập chế độ Home 61 Xây dựng chương trình khắc laser mặt trụ tròn .62 Xây dựng chương trình khắc laser mặt cầu, mặt eclipse .63 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TỔNG KẾT 66 Kết thực nghiệm .66 1.1 Thơng số mơ hình thực nghiệm .66 1.2 Một số sản phẩm thực tế 67 Tổng kết 68 2.1 Hạn chế 68 2.2 Kết đạt 68 2.3 Phương hướng phát triển luận văn 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Nguyên lý cắt laser _1 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý phát laser _2 Hình 1.3 Biên dạng vết cắt với vị trí tiêu điểm _ _3 Hình 1.4 Sản phẩm cắt khơng áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) _4 Hình 1.5 Tranh khắc mặt phẳng (trái) khác mặt phẳng (phải) _ _ Hình 1.6 Tranh khắc laser mặt cong _5 Hình 1.7 Phơi gia công theo phương pháp 2D _6 Hình 1.8 Phôi gia công phương pháp 2(1/2)D Hình 1.9 Phơi gia cơng phương pháp 3D Hình 1.10 Cấu trúc tổng thể máy CNC _7 Hình 1.11 Máy khắc laser CNC D3040 S1 Hình 1.12 Máy CNC 3810 10 Hình 1.13 Máy CNC WEGSTR _11 Hình 2.1 Sơ đồ động kết cấu moving gantry _ 19 Hình 3.1 Sơ đồ chuỗi kích thước mặt phẳng XY _20 Hình 3.2 Sơ đồ phân bố tải trọng trục Z _22 Hình 3.3 Thơng số chiều dài vít me đai ốc bi HIWIN _ 25 Hình 3.4 Sơ đồ mơ tả tải trọng lên phận dẫn hướng Z _ 26 Hình 3.5 Đồ thị quan hệ tốc độ góc so với momen xoắn cường độ dịng diện đặt vào driver 28 Hình 3.6 Sơ đồ phân bố tải trọng trục X 29 Hình 3.7 Sơ đồ mơ tả tải trọng lên phận dẫn hướng X _ 32 Hình 3.8 Sơ đồ phân bố tải trọng trục Y 35 Hình 3.9 Sơ đồ mơ tả tải trọng lên phận dẫn hướng Y _ 38 Hình 3.10 Kết phân tích bền khâu trục X _44 Hình 3.11 Kết phân tích bền khâu trụm Y 45 Hình 4.1 Mạch Mach3 USB _ 46 Hình 4.2 Module relay 24V kênh 47 Hình 4.3 Driver TB6600 47 Hình 4.4 Module laser 2,5W 50 Hình 4.5 Module LM2596 sơ đồ nguyên lý 50 Hình 4.6 Aptomat BKN 1P 6A 51 Hình 4.7 Sơ đồ mạch điện tổng thể máy cnc 52 Hình 5.1 Giao diện chọn ảnh Inkscape 53 Hình 5.2 Giao diện Trace Bitmap 54 Hình 5.3 Kết lọc (từ trái): cường độ sáng, dị cạnh, lượng tử màu 54 Hình 5.4 Kết sau xuất dxf _55 Hình 5.5 Hộp thoại điều chỉnh kích thước _55 Hình 5.6 Hộp thoại chọn phương pháp gia cơng _ 56 Hình 5.7 Hộp thoại chọn dao 56 Hình 5.8 Hộp thoại chọn lượng ăn dao 57 Hình 5.9 Hộp thoại lựa chọn phương pháp di chuyển 57 Hình 5.10 Menu chuyển đổi NCConverter 58 Hình 5.11 Hộp thoại lựa chọn cổng giao tiếp 59 Hình 5.12 Giao diện Motor tunning 60 Hình 5.13 Hộp thoại thiết lập thông số input _ 60 Hình 5.14 Các hộp thoại thiết lập thơng số output 61 Hình 5.15 Hộp thoại thiết lập thông số cho chế độ Home 61 Hình 5.16 Hộp thoại thiết lập tọa độ gia cơng 61 Hình 5.17 Một đoạn Gcode thu từ chương trình JdPaint NcConverter _ 62 Hình 5.18 Quỹ đạo gia cơng trước (bên trái) sau chuyển đổi _63 Hình 5.19 Hộp thoại chọn quỹ đạo xoắn ốc kết quỹ đạo _ 64 Hình 5.20 Đoạn Gcode với quỹ đạo gia công xoắn ốc 64 Hình 5.21 Quỹ đạo gia công xoắn ốc trước (bên trái) sau chuyển đổi 65 Hình 6.1 Mơ hình thực nghiệm máy CNC khắc tranh (giai đoạn phục chế) _ 66 Hình 6.2 Sản phẩm 67 Hình 6.3 Sản phẩm 67 DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tốc độ cắt công suất laser gợi ý cho loại vật liệu _ Bảng 1.2 Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1 _ Bảng 1.3 Thông số máy CNC 3810 10 Bảng 1.4 Thông số máy CNC WEGSTR _ 11 Bảng 2.1 So sánh khung nhôm định hình khung CNC 13 Bảng 2.2 Bảng so sánh Vit me – đai ốc Vít me – đai ốc bi 14 Bảng 2.3 Bảng so sánh trượt vuông trượt tròn _ 15 Bảng 2.4 Bảng so sánh loại laser _16 Bảng 3.1 Giá trị đơn vị dung sai khâu 21 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật ỗ đỡ FF10 (“D” đường kính ngồi ổ) 42 Bảng 3.3 Dung sai lắp ghép loại ổ 42 Bảng 3.4 Thuộc tính thép A36 43 Bảng 4.1 Danh sách chân module relay 47 Bảng 4.2 Thông số tổng quan driver TB6600 48 Bảng 4.3 Thông số đầu vào driver TB6600 _48 Bảng 4.4 Bảng tổng sai số trục _ 49 Bảng 4.5 Thông số bảng laser diode 50 Bảng 4.6 Danh sách công tắc ngoại vi _ 51 Bảng 4.7 Danh sách thiết bị tiêu thụ điện_ 51 ... thầy cô iii NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn thiết kế xây đựng hệ thống CNC khắc tranh phục vụ việc chế tạo đồ lưu niệm tạo điểm nhấn cho vật dụng Máy thiết kế thơng qua tìm hiểu hệ thống CNC thị trường... phẩm 1.5 Phân loại sản phẩm khắc laser Máy CNC 2.1 Phương pháp điều khiển máy CNC 2.2 Kết cấu máy CNC .7 2.3 Một số máy CNC 2.4 Đánh giá... 61 Xây dựng chương trình khắc laser mặt trụ trịn .62 Xây dựng chương trình khắc laser mặt cầu, mặt eclipse .63 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TỔNG KẾT 66 Kết thực nghiệm