CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ THỰC NGHIỆM
2.2. Xõy dựng hệ đo phõn bố quang
Sau khi chế tạo xong hệ thấu kớnh phõn bố ỏnh sỏng đồng đều cho đốn LED. Bước tiếp theo là đo đạc thụng số phõn bố ỏnh sỏng của hệ đốn đó chế tạo trờn diện tớch cần chiếu, đối chiếu và so sỏnh thấu kớnh chế tạo với cỏc thụng số khỏc nhau và với cỏc loại thấu kớnh thương mại khỏc.
Do diện tớch chiếu sỏng là khỏ lớn và điểm lấy mẫu cần nhiều số liệu. Vỡ thế phương phỏp đo bằng tay sẽ rất mất thời gian và độ chớnh xỏc khụng cao. Chớnh vỡ thế chỳng tụi đó tiến hành chế tạo một hệ đo phõn bố quang tự động. cú thể lấy mẫu nhiều lần độ chớnh xỏc cao và thời gian đo đạc được rỳt ngắn.
Hệ đo được trỡnh bày như trong hỡnh 2.6 . Bao gồm một mỏy tớnh giao tiếp với một card ardunio sử dụng đầu đo photodiode cú thể di chuyển trờn trục tọa độ xy của mặt phẳng được chiếu sỏng nhờ hệ cơ khớ được điều khiển chớnh xỏc bằng motor bước.
Hỡnh 2.6 Sơ đồ hệ đo phõn bố quang cho thấu kớnh
Hệ đo phõn bố quang được chỳng tụi trực tiếp chế tạo. LED sẽ được nuụi ổn định bằng nguồn dũng trong suốt quỏ trỡnh khảo sỏt. Sau khi ghộp với thấu kớnh, chựm ỏnh sỏng đi qua sẽ được chiếu trờn diện tớch 1m x 1m với cỏc chiều cao khỏc nhau. Phần diện tớch chiếu sỏng sẽ được thu thập cụng suất quang bằng photodiode, photodiode này được đặt trong một hệ trục xy di chuyển được và được điều khiển bằng mỏy tớnh. Dữ
liệu cụng suất quang sẽ được xử lý và vẽ lại bằng hỡnh ảnh phõn bố 3D qua phần mềm Matlab.
Hỡnh 2.7 Hỡnh ảnh hệ đo phõn bố quang thực tế 2.3. Chế tạo linh kiện nguyờn mẫu bằng thiết bị CNC
CNC là chử viết tắt của Computer Numerical control tạm dịch là điều khiển chương trỡnh số bằng mỏy tớnh.
Hỡnh 2.8 Thiết bị cnc sử dụng trong cụng nghiệp
Được phỏt minh từ thập niờn 1940-1950 bởi phũng thớ nghiệm thuộc học viện M.I.T .Mục đớch để gia tăng tự động húa,thay thế cho con người ở nhửng việc cú kỹ thuật và mỹ thuật cao và cú tớnh lặp đi lặp lại. Hiện nay cỏc mỏy múc cú xử dụng hỡnh
thức CNC, điều khiển bằng chương trỡnh số rất đa dạng và phong phỳ cú thể kể ra như sau:
-Gia cụng cơ khớ: Chế tạo cỏc loại khuụn mẩu cho nghành nhựa, khuụn dập. Chế tạo chi tiết mỏy v.v...
-Gia cụng vật liệu phi kim loại: gỗ, đỏ, mica cho nghành quảng cỏo. Phự điờu cho nghành mỹ thuật v.v...
- Cỏc loại mỏy vẽ, mỏy cắt de can, cắt vải, cắt khắc da và simili, mỏy in 3d v.v... -Trong cỏc loại mỏy múc cụng nghiệp khỏc vớ dụ cỏc mỏy in offset cụng nghiệp cú hệ thống CPC (computer printer control) tự động chỉnh màu mực in v.v.. 2.3.1. Nguyờn lý hoạt động của mỏy CNC
Để điều khiển mỏy CNC người ta thường xử dụng chương trỡnh được lập bằng ký hiệu chuyờn biệt là mó G (G code). Khi mỏy nhận được dũng lệnh G code đưa vào nú sẽ di chuyển đến vị trớ mới mà dũng lệnh quy định. Vớ dụ ta cú dũng lệnh: G0x10y30 thỡ khi đú trục x sẽ di chuyển 10 mm và trục y sẽ di chuyển 30 mm. Thoạt nhỡn thỡ thấy đơn giản, nhưng bờn trong mỏy sẽ vận hành như sau: Mỏy tớnh của mỏy CNC sẽ phõn tớch dũng lệnh và phỏt ra tớn hiệu xung (tớn hiệu rời rạc) và motor sẽ chạy theo số xung mỏy tớnh phỏt ra đú.
- Phần mềm CAM: Để hoạt động theo cỏc yờu cầu kỹ thuật với vận tốc và gia tốc tối ưu, và cỏc chế độ cắt gọt khỏc nhau cho cỏc vật liệu khỏc nhau thỡ ta cú cỏc phần mềm cam, độc lập với mỏy CNC. Vớ dụ với nghành chế tạo cơ khớ ta cú MASTER CAM, đối với nghành mỹ thuật ta cú ART CAM v.v....
Tương ứng với từng chi tiết gia cụng cỏc phần mềm cam này sẽ quy định chế độ cắt gọt, bước tiến dao, tốc độ quay của trục chớnh v.v...và xuất ra file G CODE .Sau đú ta đưa file này vào mỏy CNC để điều khiển gia cụng chi tiết.
2.3.2. Cỏc thụng số cơ bản của mỏy CNC micro-nano a, Hướng (trục) chuyển động a, Hướng (trục) chuyển động
Hướng (trục) chuyển động là những trục cú thể lập trỡnh được trờn mỏy CNC. Trục chuyển động được ký hiệu bằng cỏc chữ cỏi và cú thể khỏc nhau trờn cỏc mỏy. Tuy vậy vẫn cú một số quy ước chung, vớ dụ X, Y, Z, U, V và W cho cỏc chuyển động thẳng
và A, B, C cho cỏc trục quay. Nếu cú lệnh X3.5 cú nghĩa là chương trỡnh yờu cầu mỏy chạy trục X tới tọa độ 3.5 đơn vị đo (mm hoặc inch), giả thiết chỳng ta đang làm việc ở chế độ tuyệt đối, hoặc chạy trục X thờm 3.5 đơn vị đo, nếu chỳng ta đang làm việc ở chế độ gia tăng. Chuyển động quay cũng cần ký hiệu trục và gúc quay (tớnh bằng độ). Vớ dụ nếu đang ở chế độ tuyệt đối thỡ lệnh B45 sẽ quay quanh trục Y tới vị trớ gúc 45o tớnh từ điểm 0 của chương trỡnh.
b, Điểm tham chiếu cho cỏc trục
Hầu hết cỏc mỏy CNC sử dụng một vị trớ xuất phỏt hay tham chiếu (reference) chung cho cỏc trục. Trong tiếng Anh vị trớ này cú nhiều tờn gọi khỏc nhau: zero return position, grid zero position, home position. Dự gọi bằng cỏch nào đi nữa thỡ vị trớ tham chiếu này phải được xỏc định rất chớnh xỏc. Thụng thường mỗi khi bật mỏy, bàn mỏy sẽ tự động chạy về vị trớ cơ sở này và sau đú bộ điều khiển sẽ đồng bộ lại cỏc chuẩn với chuẩn tham chiếu của mỏy.
c, Cỏc hệ thống phụ trợ cho mỏy
Bờn cạnh cỏc thành phần chớnh mà mỏy CNC nào cũng cú, cỏc hóng sản xuất cú thể thực hiện cỏc yờu cầu riờng biệt theo đặt hàng như băng tải phoi, bàn xoay NC, hệ thống làm mỏt bổ sung, hệ thống tự động đo bự dao, thay bàn mỏy tự động v.v… Cỏc thiết bị hỗ trợ này cần được mụ tả đầy đủ trong catalogue của nhà sản xuất mỏy hoặc của bờn thứ ba (nhà sản xuất phụ độc lập).
d, Cỏc chức năng lập trỡnh được khỏc
Khi lập trỡnh gia cụng luụn cú những chức năng nào của mỏy CNC lập trỡnh được và lệnh nào thực hiện nú. Ở những mỏy CNC rẻ tiền, cú nhiều chức năng phải kớch hoạt bằng tay qua bộ điều khiển. Cũn với cỏc mỏy CNC cao cấp hầu như toàn bộ cỏc chức năng của mỏy cú thể thực hiện qua chương trỡnh gia cụng. Người vận hành mỏy chỉ việc gỏ phụi và cuối cựng là lấy chi tiết đó gia cụng xong ra khỏi mỏy. Một khi chương trỡnh gia cụng đó chạy, người vận hành cú thể chuyển sang làm việc khỏc. Dưới đõy chỳng ta sẽ biết thờm một số chức năng và lệnh thường gặp nhất.
- Điều khiển trục chớnh. Ký hiệu “S” được dựng để xỏc định vũng quay của trục chớnh với đơn vị là vũng/phỳt (RPM – Recycle Per Minute). Lệnh M03 điều khiển trục
quay cựng chiều kim đồng hồ, cũn M04 – quay ngược chiều kim đồng hồ; M05 dừng quay. Với mỏy tiện, nhiều khi cần sử dụng chức năng điều chỉnh vũng quay sao cho vận tốc dài khụng đổi. Khi đú tốc độ trục chớnh được đo bằng m/phỳt (MPM) hoặc fit mặt/phỳt (surface feet per minute – SFPM).
- Thay dao tự động (Trung tõm gia cụng). Ký hiệu T kốm theo số chỉ cho mỏy biết dao ở hộc số mấy được dựng. Hầu hết cỏc mỏy sử dụng lệnh M06 để thực hiện lệnh thay dao.
- Thay dao tự động (Trung tõm tiện). Ký hiệu T kốm theo 4 chữ số để xỏc định dao tiện. hai chữ số đầu xỏc định trạm dao và hai số cuối xỏc định hộc dao trờn trạm đú. Vớ dụ dao T0101 chỉ dao số 1 ở trạm số 1.
- Điều khiển tưới dung dịch. Lệnh M07 phun dung dịch dạng sương, M08 tưới tràn; cũn M09 ngừng phun.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THẤU KÍNH
3.1. Thiết kế mụ phỏng thấu kớnh
Trong phần 3.1, chỳng tụi sử dụng phương phỏp thiết kế quang học để thiết kế hệ phõn bố quang thứ cấp cho một LED đơn. Trong đú hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh được sử dụng để phõn bố lại chựm sỏng chuẩn trực, dọc theo hai chiều trong vựng chiếu sỏng để cú được phõn bố đồng đều.
Trong những năm gần đõy, việc sử dụng điốt phỏt sỏng (LED) để chiếu sỏng đó trở nờn rất phổ biến vỡ những ưu điểm vượt trội như tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao, khối lượng nhỏ và độ hoàn màu cao. Mặc dự những lợi ớch của đốn LED đó được cụng nhận tuy nhiờn mụ hỡnh bức xạ bỏn cầu của đốn LED là một nhược điểm khiến chỳng hầu như khụng được sử dụng trực tiếp cho mục đớch chiếu sỏng với đũi hỏi tớnh đồng nhất cao. Để giải quyết vấn đề này, một số cỏc phần tử quang thứ cấp được sử dụng để phõn phối lại ỏnh sỏng từ nguồn LED đến mục tiờu để tạo sự hiệu quả và thống nhất. Trong hầu hết cỏc trường hợp, thành phần quang thứ cấp được thiết kế cho một đốn LED đơn. Thiết kế phần tử này cú một số phương phỏp cơ bản. Như hội tụ ỏnh sỏng, định luật snell… Kết quả là cải thiện độ đồng đều của độ rọi, độ đồng đều màu và thụng lượng của đốn LED
Tuy nhiờn, hầu hết cỏc phương phỏp sử dụng thiết kế quang học thứ cấp đều cần cỏc tớnh toỏn phức tạp, dẫn đến thiết kế thấu kớnh LED phức tạp và tốn kộm. Ngoài ra, vỡ hạn chế đầu ra cụng suất quang từ một đốn LED, khi chiếu sỏng một khu vực rộng lớn ta cần nhiều module LED để đảm bảo đạt được độ sỏng cần thiết, điều này làm tăng chi phớ cho hệ thống và lắp đặt.
Chớnh vỡ thế chỳng tụi đề xuất một cỏch tiếp cận khỏc cho phõn bố lại ỏnh sỏng đốn LED bằng cỏch thiết kế cỏc thành phần quang học thứ cấp đơn giản. Đốn LED tạo chựm song song bằng một thấu kớnh collimator. sau đú chựm tia song song được phõn bố lại đồng đều trờn diện tớch chiếu bằng hệ quang học bao gồm hai thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh đặt vuụng gúc với nhau.
3.1.1. Thiết kế tổng thể hệ thống phõn bố đồng đều cho đốn LED
Mục tiờu của chỳng tụi là thiết kế một hệ thống chiếu sỏng với hỡnh dạng đơn giản và chi phớ chế tạo thấp bằng cỏch sử dụng một đốn LED. Và quy trỡnh chế tạo thử nghiệm bằng phương phỏp CNC Micro-Nano, bằng cỏch sử dụng một thấu kớnh phẳng lồi dạng tự do làm ống chuẩn trực ỏnh sỏng và một hệ thấu kớnh đụi Fresnel tuyến tớnh để phõn bố ỏnh sỏng thống nhất. Thiết kế tổng thể được trỡnh bày trong hỡnh 3.1. Phần đầu là đốn LED cụng suất cao 3w. Ánh sỏng phỏt ra từ đốn LED được tạo chựm song song bởi thấu kớnh chuẩn trực là một thấu kớnh phẳng lồi. Do phần lớn bộ tạo chựm song song cho LED là gương phản xạ hoặc thấu kớnh, khụng mang lại hiệu quả phõn bố lại chựm tia chuẩn trực tại mục tiờu chiếu sỏng. Sau khi ỏnh sỏng được tạo chựm song song sẽ được phõn bố lại bằng hệ thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh tạo ra chựm tia cú tớnh đồng đều cao trờn diện tớch chiếu.
Hỡnh 3.1 Thiết kế tổng thể của hệ đốn LED chiếu sỏng đồng đều
Cỏc chi tiết của hệ thống như cỏc thành phần quang học và cỏc thụng số được trỡnh bày dưới đõy.
3.1.2. LED luxeon 3W
LED sử dụng làm trong thiết kế là LED cụng suất cao cú đế để tản nhiệt. Bước súng 630nm. Dũng nuụi danh định 1A. Được chế tạo bởi hóng Nichia (Nhật Bản).
Hỡnh 3.2 : LED sử dụng trong chế tạo hệ thống phõn bố đồng đều
a, Hỡnh ảnh thực tế LED 630nm 3W b, Phõn bố quang theo gúc của LED 3.1.3. Thấu kớnh chuẩn trực
Thấu kớnh chuẩn trực là một thành phần quang học thu thập cỏc tia từ nguồn LED và làm chệch hướng chỳng để trở thành cỏc tia song song. Một thấu kớnh chuẩn trực điển hỡnh cú thể được xõy dựng đơn giản bởi một gương parabol hoặc thấu kớnh, và nguồn sỏng được đặt tại tiờu điểm của nú. Những loại thấu kớnh chuẩn trực thụng thường chỉ hoạt động với một nguồn sỏng cú gúc mở nhỏ. Một đốn LED điển hỡnh với một gúc mở 1200 khụng thể được chuẩn trực hiệu quả bởi cỏc thấu kớnh chuẩn trực thụng thường này. Do đú, chỳng tụi thiết kế một thấu kớnh phẳng lồi bằng phương phỏp quang hỡnh tự do. Phương phỏp thiết kế của thấu kớnh dạng quang hỡnh tự do được mụ tả trong Hỡnh 3.3
Thấu kớnh phẳng lồi bao gồm hai bề mặt: một mặt phẳng và bề mặt dạng tự do. Thấu kớnh phẳng lồi trong nghiờn cứu của chỳng tụi là đối xứng xoay.
Trong một hệ thống đối xứng xoay. Giả sử rằng một đốn LED chip là một nguồn điểm. Đốn LED ở trong khụng khớ với chỉ số khỳc xạ n0 và thấu kớnh chuẩn trực làm bằng nhựa cú chiết suất n1. Nguồn LED được đặt trong điểm O. OAn là một tia tới, tới bề mặt phẳng với gúc tới là αn. OAn bị khỳc xạ thành tia AnBn tại điểm An trờn bề mặt phẳng của thấu kớnh. Theo định luật Snell ta cú phương trỡnh sau:
n0(sin αn) = n1 (sin βn ) (9)
Tất cả cỏc tia sỏng phỏt ra từ LED cú đường dẫn quang từ nguồn tới mặt súng. Theo bảo tồn đường quang thu được theo phương trỡnh sau:
(10)
Trong đú OA0 là tia tới ban đầu dọc theo trục x và A0B0 là tia khỳc xạ của bề mặt phẳng. Khi gúc tới là 0 độ, nú đi thẳng. OA0 = d0 là khoảng cỏch từ đốn LED đến bề mặt phẳng và A0 B0 = d1 là chiều dài của thấu kớnh phẳng. Tất cả cỏc điểm trờn đường cong tự do cú thể được tớnh bằng cỏch giải phương trỡnh (9) và (10).
Do đú, toàn bộ đường cong dạng tự do cú thể thu được bằng cỏch thu thập tọa độ của cỏc điểm. Toàn bộ bề mặt thấu kớnh được xõy dựng bằng cỏch xoay cấu hỡnh cong 2D trong 3D bằng phần mềm mụ phỏng quang (LightTools). Hỡnh 3.4 cho thấy một mụ hỡnh của thấu kớnh chuẩn trực dạng tự do này với phương phỏp dũ tia. Nếu nguồn sỏng là một nguồn điểm, thấu kớnh chuẩn trực được cú thể cho ra chựm tia song song một cỏch hoàn hảo. Tuy nhiờn, trong nghiờn cứu này, chip LED (1 ì 1 mm) khụng thể được coi là nguồn điểm hoàn hảo. Do đú, chựm đầu ra từ thấu kớnh chuẩn trực khụng phải là chựm song song; nú cú một gúc phõn kỳ nhỏ. Sự di chuyển của chựm tia được phỏt ra từ một nguồn nhỏ, đi qua thấu kớnh thấu kớnh chuẩn trực rất phức tạp và khụng thể tớnh được bằng lý thuyết. Chớnh vỡ thế, chỳng tụi mụ phỏng sử dụng phần mềm LightTools được tiến hành để tớnh toỏn độ phõn kỳ của chựm đầu ra. Chỳng tụi thu được phõn kỳ chựm đầu ra là 7,50. Ảnh hưởng của chựm tia chuẩn trực khụng lý tưởngvề hiệu quả và tớnh đồng nhất của hệ thống chiếu sỏng được thảo luận trong Phần 4.
Hỡnh3.4 Chựm ỏnh sỏng sau khi đi qua thấu kớnh chuẩn trực Thụng số của thấu kớnh phẳng lồi sau khi tớnh toỏn, mụ phỏng
Thụng số kỹ thuật Giỏ trị
Gúc mở của LED (gúc thu của thấu kớnh) 1200
Chỉ số khỳc xạ của thấu kớnh (PPMA) 1,49
Khoảng cỏch từ nguồn sỏng đến thấu kớnh (d0) 5mm
Độ dày của thấu kớnh phẳng lồi (d1) 100mm
Đường kớnh của thấu kớnh (d) 100mm
3.1.4. Thiết kế hệ thấu kớnh Fresnel tuyến tớnh
Chựm đốn LED sau khi đi qua thấu kớnh tạo song song cần phõn bố lại đồng đều trờn diện tớch chiếu sỏng. Sự phõn bố đồng đều của ỏnh sỏng là một vấn đề quan trọng trong chiếu sỏng rắn. Trong trường hợp của chỳng tụi, nguồn sỏng cú kớch thước nhỏ (1 ì 1mm) với cường độ cao, sau đú được phõn bố lại thành một chựm ỏnh sỏng LED chuẩn trực. Hầu hết cỏc thiết kế phõn bố ỏnh sỏng điển hỡnh được sử dụng trong kỹ thuật chiếu sỏng LED khụng hỗ trợ phõn bố lại chựm sỏng chuẩn trực cho diện tớch chiếu sỏng