(Đề tài NCKH) nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU MÃ SỐ: SV2019-20 SKC006837 Tp Hồ Chí Minh, tháng 06/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU SV2019-20 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 6/2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU SV2019-20 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ thuật SV thực hiện: Đỗ Văn Hoàng Lê Sỉ Đang Trần Quang Khang Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 151433B CKM Ngành học: Công nghệ chế tạo máy Nam, Nữ: Nam Năm thứ: Sinh viên chịu trách nhiệm chính: Đỗ Văn Hồng Người hướng dẫn: Giảng viên Nguyễn Phi Trung Giảng Viên Đặng Minh Phụng TP Hồ Chí Minh, 6/2019 /Số năm đào tạo: MỤC LỤC CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1.1 Lý chọn đề tài: 1.2 Ý nghĩa mục tiêu đề tài: 1.3Phương pháp nghiên cứu: 1.4Các nghiên cứu liên quan đến đề tài: 1.4.1K40 Version Laser Co2 40W CNC L 1.4.2 MÁY LASER 6040-60W CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2.1Khái niệm 2.1.1Tổng quan tia laser: 2.1.2Đặc điểm Laser: 2.2Khái quát thiết kế máy CNC laser 2.2.1Cấu tạo, thiết kế máy CNC laser: 2.2.2Nguyên lý hoạt động máy: 2.2.3Ứng dụng máy CNC laser: 2.3Hệ thống vỏ máy 2.4Hệ thống điều khiển: 2.5Hệ thống chuyển động X – Y: 2.6Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser: 2.7Ứng dụng tia laser gia công cắt gọt: 2.8Công nghệ cắt gọt tia laser 2.8.1Đặc điểm q trình cắt gọt bằn 2.8.2Cơ chế gia cơng cắt gọt chùm 2.9Vật liệu dùng cắt – khắc laser: 2.9.1 Nghành vật liệu cắt laser 2.9.2 CNC LASER 2.9.3 Thực nghiệm với cắt – khắc laser khí CO2 số loại nhựa CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ MÁY CNC LASER CO2 KHẮC TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU 3.1Lựa chọn phương án 3.1.1Phương án 1:Máy khắc laser 3.1.2Phương án 2: Máy khắc laser CO2 3.1.3Phân tích chọn phương án: 3.2Truyền động mặt phẳng Oxy 3.3Các loại truyền đai 3.3.1Đai dẹt 3.3.2Đai thang 3.3.3Đai hình lược 3.3.4Đai 3.4Lựa chọn điều khiển 3.4.1Hệ thống relay – timer – contac 3.4.2PLC 3.4.3Vi điều khiển 3.5Lựa chọn động 3.5.1Động bước 3.5.2Động DC servo 3.6Nguyên lý hoạt động máy CNC laser CO2: 3.6.1Nguyên lý hoạt động ống phóng las 3.6.2Đặc trưng nguyên lý máy cắt - k CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 4.1Tính tốn lựa chọn động bước: 4.1.1Xác định độ phân giải cần thiết 4.1.2Xác định biên dạng chuyển động: 4.1.3Xác định momen xoắn cần thiết: 4.1.4Lựa chọn xác định động bướ 4.2 Lựa chọn đai, pulley ray dẫn hướng: 4.2.1Lựa chọn đai pulley: 4.2.2: Lựa chọn ray trượt dẫn hướng: 4.3 Tính tốn lựa chọn đai ốc, trục vít cho bàn nâng: 4.3.1Tính đường kính trung bình ren 4.3.2Chọn thơng số vít đai ốc 4.4 Thiết kế, mơ hình hóa khí: 50 4.4.1 Khung máy: 50 4.4.2 Mơ phỏng, phân tích ứng suất, chuyển vị: 51 4.4.3 Phần làm việc chính: 52 4.4.4 Bàn nâng 52 4.4.5 Khung lắp ráp hoàn chỉnh phận chính: 53 4.4.6 Một số hình ảnh thực tế gia cơng máy 54 CHƯƠNG 5: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 56 5.1 Các linh kiện điện tử : 56 5.1.1 Máy bơm oxi: 56 5.1.2 Rơ le trung gian 5VDC: 56 5.1.3 Bộ lọc nhiễu pha: 56 5.1.4 Bộ nguồn cao áp 40W 57 5.1.5 Ống phóng laser: 59 5.2 Các linh kiện cần thiết cho hệ thống điều khiển: 60 5.2.1 Board kết nối 60 5.2.2: Driver 62 Bảng 5.1 So sánh driver A4988 DRV8825 63 5.2.3 Cơng tắc hành trình: 63 CHƯƠNG 6: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT LẬP THỒNG SỐ KHẮC LASER 66 6.1 Phần mềm điều khiển 66 6.1.1 Danh sách phần mềm cần thiết máy khắc laser 66 6.1.2 Phần mềm Laser GRBL 66 6.1.3 Phần mềm benbox 67 6.1.4 Phần mềm Laser marking software 68 6.1.5 Phần mềm PhotoGrav 69 6.2 Cài đặt thông số phần mềm benbox 70 6.2.1 Nạp firmware 70 6.2.2 Cài đặt thông số 72 6.3 Một số thông số tham khảo việc khắc, cắt laser 75 6.3.1 Khắc đậm nhạt 75 6.3.2Khắc vỏ dưa hấu 6.3.3Khắc hình đơn giản, logo MDF 6.4Vận hành máy khắc laser CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ, THỬ NGHIỆM, CÁCH KHẮC PHỤC CÁC LỖI KHI KHẮC LASER 7.1 Tổng quan máy 7.2Một số sản phẩm hoàn thành 7.3Các lỗi khắc laser cách khắc phục 7.3.1Tia laser không khỏi đầu khắc, k 7.3.2Hình khắc bị méo 7.3.3Khắc vỏ dưa hấu bị sâu, bị tro m 7.3.4Sản phẩm khắc gỗ xấu, cháy bề mặ CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1Kết luận: 8.2Hướng phát triển đề tài: 8.3Khuyến nghị TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT CNC: Computer Numerical Control CAD: Computer Aided Design LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation MDF: Medium Density Fiberboard LED: Light Emitting Diode USB: Universal Serial Bus ABS: Acrylonitrile Butadiene Styrene PLA: Polylactic Axit DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 5.1: So sánh driver A4988 DRV8825 Trang 35 Bảng 6.1: Các phần mềm khắc laser chức ph ần mềm Trang 38 DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 1 Sản phẩm khắc laser mẫu 10 Hình Máy laser K40 thực tế nhập từ Trung Quốc 12 Hình Máy laser 6040-60W từ Trung Quốc 13 Hình Cắt laser thép 15 Hình 2 Vỏ máy mẫu 18 Hình Mơ hình hóa hệ thống điều khiển 19 Hình Thiết kế tổng thể hệ dẫn động máy gia cơng laser khí CO2 20 Hình Hình ảnh máy cắt laser trục thực tế 21 Hình Gia công cắt laser mica 22 Hình Đầu phát laser 23 Hình tia laser qua thấu kính hội tụ 25 Hình Cắt, Khắc laser ABS 29 Hình 10 Cắt, khắc laser nhựa acrylic 29 Hình 11 Cắt, khắc laser nhựa Bakelit 30 Hình 12 Cắt khắc laser nhựa Flour Polyme 30 Hình 13 Khắc laser nhựa FR4/FR2 31 Hình 14 Khắc laser nhựa sợi thủy tinh 31 Hình 15 Khắc laser polycacbonat 32 Hình 16 Khắc laser polyeste 32 Hình 17 Khắc, cắt laser polyetylen 33 Hình 18 Khắc, cắt laser Polyamid 33 Hình 19 Khắc, cắt laser polymethylen 33 Hình 20 Khắc, cắt laser ống PVC 34 Hình 21 Khắc laser cao su 34 Hình Máy khắc laser mini đầu laser diode 35 Hình Máy khắc, cắt laser cỡ lớn công nghiệp 36 Hình 3 Adruino Uno R3 39 Hình Động bước 40 Hình Động DC servo 40 Hình Cấu tạo ống phóng Laser CO2 41 Hình Mơ nguyên lý laser CO2 42 Hình Sơ đồ nối nguồn vào ống phóng laser CO2 43 Hình Phân tích lực chuyển động 45 Hình Thơng số động bước 47 Hình Thơng số ray trượt dẫn hướng 49 Hình 4 Khung máy thiết kế Inventor 2018 51 6.3.2 Khắc vỏ dưa hấu Hình 6 Thiết lập thông số khắc vỏ dưa hấu 6.3.3 Khắc hình đơn giản, logo MDF, gỗ Hình Thiết lập thơng số khắc hình 76 6.4 Vận hành máy khắc laser Sau thiết lập đầy đủ thông số, ta tiến hành chỉnh khoảng cách đầu laser đến bề mặt cần khắc từ đến 10 mm, nạp ảnh vào phần mềm tùy chỉnh kích thước ảnh, chạy thử khung để phù hợp với chỗ cần khắc Cuối cùng, nhấn nút play đợi sản phẩm khắc hoàn thành Hình Khắc logo HCMUTE 77 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ, THỬ NGHIỆM, CÁCH KHẮC PHỤC CÁC LỖI KHI KHẮC LASER 7.1 Tổng quan máy Hình Khung máy khắc laser CO2 hoàn chỉnh thiết kế Inventor 2018 Số liệu máy: Kích thước máy: 1100x830x700 mm Kích thước làm việc: 450x450x300 mm Cơng suất nguồn bóng laser: 40W Hình ảnh máy thực tế sau hồn thiện: 78 Hình Hình ảnh thực tế máy sau hoàn thành 79 7.2 Một số sản phẩm hồn thành Hình Khắc logo chữ dưa hấu Hình Khắc gỗ 80 Hình Khắc MDF 7.3 Các lỗi khắc laser cách khắc phục 7.3.1 Tia laser không khỏi đầu khắc, không tới bề mặt khắc Cách nhận biết: Khi chạy máy tia từ bóng laser phóng bề mặt khắc khơng có vết đốt, với sờ vào ống nhơm (đầu khắc) thấy nóng, chứng tỏ tia laser bị lệch bắn vào thành ống, không tâm Nguyên nhân: gá gương bị lệch, tia laser vị trí khơng tâm, dẫn đến tia vào gương phản xạ thứ lệch xuống thành ống, khơng tới vị trí gương hội tụ Cách khắc phục: tinh chỉnh lại gương góc phần làm việc cho tia chiếu vào vị trí tâm 81 Hình Đầu gá gương phản xạ vị trí thứ Điều chỉnh bu long A: nới lỏng đai ốc xoay chiều kim đồng hồ, chùm tia laser di chuyển qua trái, xoay ngược chiều kim đồng hồ di chuyển qua phải Điều chỉnh bu long B: đầu tiên, nới lỏng đai ốc Nếu vặn bu long chiều kim đồng hồ, tia laser hướng lên phía trước, ngược lại hướng đằng sau Điều chỉnh bu long C: Nới lỏng đai ốc, vặn bu long chiều kim đồng hồ tia laser vừa lên phía trước vừa sang phải, vặn ngược lại tia laser phía sau qua trái Bu long trắng D: nới lỏng bu long trắng trước điều chỉnh bu long A/B/C Sau hoàn thành việc chỉnh tia laser, siết chặt bu long trắng khóa tất đai ốc bu long lại 82 Bước 1: Hình 7 So sánh khác chùm tia laser sai Điều chỉnh bu long A/B/C để thay đổi góc gương phản xạ thứ Nếu tia laser từ tâm phía đầu laser, điều chứng tỏ gương phản xạ thứ 45 o Hình Kiểm tra tia laser 83 Bước 2: Bắn thử chùm tia laser lên mica dày 10 mm để kiểm tra xem tia có thẳng hay khơng Hình Cách kiểm tra tia laser 84 Kiểm tra kết hình Điều chỉnh tia laser tia tâm thẳng kết để tia khắc đẹp 7.3.2 Hình khắc bị méo Nguyên nhân: bị trượt bước động quay nhanh (dây đai không căng, bị trùng) Cách khắc phục: căng lại dây đai để đảm bảo động quay nhanh đai chuyển động gắn với đồ gá đầu laser khơng bị trượt bước Hình 10 Hình khắc logo bị lỗi trượt bước 7.3.3 Khắc vỏ dưa hấu bị sâu, bị tro mặt Nguyên nhân: công suất lớn, thiết lập thông số không phù hợp với việc khắc vỏ dưa hấu Cách khắc phục: chỉnh công suất, thông số (tăng tốc độ cắt, giảm thời gian tiếp xúc bề mặt tia), cự ly từ đầu khắc tới bề mặt vỏ phù hợp thơng số tham khảo trình bày 85 Hình 11 Cơng suất lớn khiên tia laser ăn sâu vào trái dưa 7.3.4 Sản phẩm khắc gỗ xấu, cháy bề mặt Nguyên nhân: để công suất lớn so với loại gỗ cần khắc Cách khắc phục: Trước khắc cần kiểm tra tia có phù hợp với vật liệu muốn khắc hay không, kiểm tra độ đậm nhạt đốt bề mặt khắc để sản phẩm ưng ý Hình 12 Cơng suất lớn khiến tia đốt cháy đen bề mặt 86 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 8.1 Kết luận: Sau thời gian thực tập thực luận án tốt nghiệp, nhiệm vụ đề ban đầu đề tài hoàn thành Một số kết đạt sau: • Tìm hiểu đời ngun lý tạo tia laser • Tìm hiểu ứng dụng lợi ích thực tế laser ngành nghề • Tìm hiểu loại laser đồng thời xét ưu nhược điểm • Tìm hiểu máy laser có thị trường • Tìm hiểu nguyên lý hoạt động laser CO2 • Tìm hiểu hệ thống điện điều khiển cho loại máy CNC • Thiết kế, gia cơng, hồn thành máy chạy sản phẩm 8.2 Hướng phát triển đề tài: - Vài lưu ý vận hành máy: + Đảm bảo nước làm mát bơm vào ống phóng laser + Điều chỉnh tiêu cự với khoảng cách từ – 10 mm + Điều chỉnh công suất phù hợp cho việc khắc cắt loại vật liệu khác Trong q trình tính tốn, thiết kế, chế tạo gia cơng máy khắc laser CO2; khả cịn hạn chế, điều kiện kinh tế công cụ, cơng nghệ chưa đủ nên cịn thiếu sót, khuyết điểm chưa khắc phục Vì vậy, để đề tài hoàn thiện hơn, chúng em xin đề xuất máy khắc laser theo chiều hướng phát triển sau: • Thiết kế bàn nâng phôi tự động nhằm thuận tiện việc gá đặt, thiết lập khắc, cắt chi tiết • Nên có thêm cảm biến dịng chảy để an tồn cho bóng CO2, cảm biến tiệm cận nhằm tự động điều chỉnh tiêu cự phù hợp đến bề mặt cắt, khắc • Thiết kế cải tiến số đồ gá puly việc căng đai tốt hơn, máy chạy nhanh mà khơng bị trượt bước • Thiết kế khung máy để máy mang tính thẩm mĩ cao hơn, chắn • Tích hợp số tính có thêm hình, raspberry pi • Thiết kế hệ thống làm mát cho bóng laser CO2 tối ưu hơn, làm cho tuổi thọ bóng cao 87 • Sử dụng vi điều khiển tốt hơn, sử dụng phần mềm tối ưu nhiều tùy biến Corel 8.3 Khuyến nghị Là đề tài có tính ứng dụng cao thực tế, với việc tạo sản phẩm trang trí phục vụ nhu cầu thẩm mĩ người Đồng thời, phục vụ trình học tập cho việc khắc, cắt mơ hình từ file thiết kế 2D học sinh, sinh viên Với hạn chế tránh khỏi từ nguyên nhân khách quan chủ quan đề tài tốt nghiệp, mong góp ý chân thành từ phía thầy hội đồng để chúng em có học kinh nghiệm phục vụ cho công việc sau 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đặng Minh Phụng, Lê Hiếu Giang, Lê Linh, Trương Nguyễn Luân Vũ, Trần Tiến Phát, Nghiên cứu phát triển thiết kế chế tạo máy phay lăn CNC phục vụ đào tạo, Hội Nghị Khoa Học Cơng Nghệ Tồn Quốc Về Cơ Khí Lần Thứ IV, TP HCM 11-2015 [2] Gianghm.com - Giáo trình cơng nghệ laser [3] Lê Hiếu Giang, Đặng Minh Phụng, “Tính tốn, đánh giá sai số tốc độ giải thuật nội suy cho hệ điều khiển theo kỹ thuật xung chuẩn”, Tạp chí Khoa học Công nghệ trường đại học kỹ thuật, số 80, 2011 [4] Lê Hiếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Máy Hệ thống điều khiển số, ĐH SPKT TP HCM 2005 [5] Lê Hiếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Giáo trình Máy Hệ thống điều khiển số, ĐH SPKT TP HCM 2005 [6] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển - Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập một, Nxb Giáo Dục [7] Vietmachine.com - Phân loại cách lựa chọn máy cắt khắc laser Tiếng Anh [8] Automationdirect.com - Sure step manual [9] Aurelien Sikora, Thiery sarnet, Laser engraving optimization for achieving smooth sidewalls [10] Benbox CNC controller software installation and configuration [11] HIWIN - Linear guideways [12] HIWIN - MG Series catalog [13] Janez Diaci, Drago Bracun, Rapid and flexible laser marking and engraving of tilted and curved surfaces [14] User’s guide of Benbox 89 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU SV2019-20... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY CNC KHẮC LASER TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU SV2019-20... sử dụng Căn vào lợi ích nhu cầu thiết thực trên, nhóm chúng em định thực đề tài ? ?Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy CNC khắc laser bề mặt gỗ vỏ dưa hấu? ?? Với đề tài chúng em hy vọng tạo nhiều sản