Phần khung dẫn động của máy được lắp vào chính giữa khung máy có thể dễ dàng tháo lắp, thuận tiện cho việc sử dụng máy khắc laser cho nhiều mục đích, ngồi ra cịn việc sửa chữa, vệ sinh máy khi cần thiết cũng rất dễ dàng.
Phần khung là phần sườn để lắp ráp vỏ máy mang tính thẩm mỹ và bảo vệ an tồn trong q trình vận hành máy khắc laser.
27
4.1.7 Thiết kế mỏ phỏng máy hồn chỉnh
Hình 4.8: Mơ phỏng máy khắc Laser
Vỏ máy được gia công CNC từ các tấm Alu dày 3mm, bao bọc toàn bộ khung máy làm tăng thẩm mỹ và bảo vệ an toàn cho người sử dụng tránh xa mắt khỏi tia laser. Có nắp máy đóng mở trong q trình gia cơng có trang bị tấm mica trong suốt giúp người vận hành máy có thể quan sát q trình máy hoạt động và tránh mắt tiếp xúc trực tiếp với laser.
28
4.2 Hệ thống điều khiển máy
Nhiệm vụ của từng khối:
• Nguồn: làm nhiệm vụ cấp nguồn làm việc cho tồn khối điều khiển.
• Mạch điều khiển trung tâm: Nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính và gửi các tín
hiệu điều khiển đó xuống khối giao tiếp driver.
• Khối tiếp nhận driver: Nhận tín hiệu điều khiển từ mạch điều khiển trung tâm
và truyền nó xuống các cơ cấu làm việc phía dưới.
• Khối driver: Nhận tín hiệu điều khiển và phát tín hiệu nhị phân. Hình 4.9: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.
29
• Các khối chấp hành: Thực hiện nhiệm vụ đã được giao. Khối này bao gồm: Động cơ và đầu khắc laser.
4.2.1 Nguồn
Để lựa chọn bộ nguồn phù hợp, phải chú ý đến các thiêt bị sử dụng trong mạch điện. Dựa vào thơng số về điện áp và dịng điện u cầu trên các linh kiện điện để có thể lựa chọn nguồn ni thích hợp. Dưới đây là một số linh kiện điện tử và điện áp yêu cầu của các linh kiện đó:
Bảng 4.2: Một số linh kiện của máy
Linh kiện Số lượng Thông số
Board Arduino R3 1 5– 12V; 30mA
Driver A4988 2 5 V; 0,5A
Động cơ bước 3 12 V; 1,3 A
Laser 1 12V; 0,2A
Các thiết bị điện trong máy có điện áp hoạt động từ 6 V – 24 V nên ta chọn bộ nguồn từ 12 V – 5 A để đảm bảo cung cấp đủ điện áp và dòng cho động cơ và các thiết bị khác. Để thuận lợi cho việc nâng cấp hệ thống điện sau này và đảm bảo hệ thống điện hoạt động tốt nhất ta lựa chọn nguồn tổ ong 12V - 10A.
Nguồn tổ ong 12V 10A Power Supply được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 180/240VAC thành nguồn một chiều 12VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động. Nguồn tổ ong này được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng.
30
Hình 4.10: Nguồn cấp 12V10A
Thơng số của Nguồn tổ ong 12V 10A Power Supply
• Điện áp đầu vào 110VAC hoặc 240VAC thay đổi qua cơng tắc gạt.
• Điện áp đầu ra 9VDC~14VDC chỉnh được thơng qua núm chỉnh ADJ.
• Cơng suất: 120W.
• Dịng điện đầu ra: Max 10A.
• Tần số đầu vào: 50-60Hz.
• Nhiệt độ hoạt động: 0 ℃ ~ 40 ℃.
• Cổng vào: N (dây nguội) – L (dây nóng) – Cổng tiếp chất chống dịng rị.
31
4.2.2 Bo mạch Arduino R3
Arduino Uno R3 có thể ứng dụng vào những mạch đơn giản như mạch cảm biến ánh sáng bật tắt đèn, mạch điều khiển động cơ, … hoặc cao hơn nữa bạn có thể làm những sản phẩm như: máy in 3D, Robot, máy CNC và các ứng dụng lớn khác.
Bo mạch Arduino sử dụng dòng vi xử lý 8-bit mega AVR của Atmel với hai chip phổ biến nhất là ATmega328 và ATmega2560. Các dòng vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp do được trang bị cấu hình mạnh với các loại bộ nhớ ROM, RAM và Flash, các ngõ vào ra digital I/O trong đó có nhiều ngõ có khả năng xuất tín hiệu PWM, các ngõ đọc tín hiệu analog và các chuẩn giao tiếp đa dạng như UART, SPI, TWI (I2C).
32
Bảng 4.3:Thông số kỹ thuật Arduino R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5~12V DC (khuyên dùng)
Tần số hoạt động 16 MHz
Dòng tiêu thụ Khoảng 30mA
Điện áp vào giới hạn 19V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng
bởi bootloader
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
33
34
4.2.3 Board mạch mở rộng CNC shield V3
Hình 4.13: Board mạch CNC Shield V3
Arduino CNC shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy CNC mini. Arduino CNC Shield V3 có 4 khay dùng để cắm các module điều khiển động cơ bước , khi đó board có thể điều khiển 3 trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini.
Đặc điểm nổi bật arduino cnc shield V3
• Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiển CNC mini).
• Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn).
• Hỗ trợ tới 2 Endstop (cảm biến đầu cuối) cho mỗi trục.
• Tính năng điều khiển spindle.
• Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động.
• Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế, nâng cấp.
35
• Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thơng dụng.
• Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V.
• Tương thích với module A4988 và DRV8825.
• Tương thích với module Uno R3.
36
37
4.2.4 Module driver A4988
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hỗ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng. Mạch điều khiển A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, 1/2, 1/4, 1/8 và 1/16.
Hai chân tiếp theo, Step và Direction là các chân mà chúng ta thực sự sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ. Chân Direction điều khiển hướng quay của động cơ và chúng ta cần kết nối nó với một trong các chân kỹ thuật số trên vi điều khiển, hoặc trong trường hợp của tôi, tơi sẽ kết nối nó với chân số 4 của Board Arduino.
Với chân Step, chúng ta điều khiển mirosteps của động cơ và với mỗi xung được gửi tới chân này, động cơ sẽ di chuyển một bước. Vì vậy, điều đó có nghĩa là khơng cần bất kỳ chương trình phức tạp, board chuyển pha, dịng điều khiển tần số, v.v., vì trình dịch tích hợp của Driver A4988 đảm nhiệm mọi thứ. Ở đây chúng ta không nên nối chúng trong chương trình của mình.
Tiếp theo là chân SLEEP và mức logic thấp đặt board ở chế độ nghỉ để giảm thiểu mức tiêu thụ điện khi động cơ không được sử dụng.
38
Tiếp theo, chân RESET đặt trình dịch sang trạng thái Home được xác định trước. Trạng thái Home hoặc Vị trí Microstep Home này có thể được nhìn thấy từ Board dữ liệu A4988. Vì vậy, đây là vị trí ban đầu từ nơi động cơ khởi động và chúng khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải microstep. Nếu trạng thái đầu vào của chân này ở mức logic thấp, tất cả các đầu vào STEP sẽ bị bỏ qua. Chân Reset là một chân nổi, vì vậy nếu chúng ta khơng có ý định điều khiển nó trong chương trình của mình, chúng ta cần kết nối nó với chân SLEEP để đưa nó lên mức cao và bật board.
Thông số kỹ thuật :
Nguồn vào từ 3V - 5.5V dòng 2A
Có 5 chế độ: Đủ bước, 1/2 bước, 1/4 bước, 1/8 bước, 1/16 bước Tự động ngắt khi quá nhiệt
Bảng 4.4: Bảng thiết lập độ phân giải A4988
MS0 MS1 MS2 Microstep Resolution - m
Low Low Low Full step – 1
High Low Low Haft step – 1/2
Low High Low Quarter step – 1/4
High High Low Eighth step – 1/8
High High High Sixteenth step – 1/16
Từ các cách kết nối trên bạn sẽ có thơng số maximum micro step (m), thơng số này là độ chia nhỏ nhất của 1 bước mà máy có thể điều khiển. Vì vậy khi m càng nhỏ thì độ chỉ số bước nhỏ nhất của máy càng nhỏ, từ đó độ chính xác của máy càng cao.
39
4.2.5 Laser
Đầu khắc laser cơng suất 2.5W có thể khắc trên nhiều vật liệu như bìa carton, giấy cứng, da vải thuộc, các lớp sơn mạ tĩnh điện, gỗ, v.v… Có thể cắt được các loại vật liệu mềm như giấy, gỗ có độ dày dưới 2mm.
Hình 4.17: Module laser 2.5W Thơng số kỹ thuật: Thơng số kỹ thuật:
+ Bước sóng: Blue 450nm + Cơng suất: 2.5W
+ Focus: 18mm (khoảng cách cố định, không điều chỉnh được thấu kính. Nên dùng kết hợp với bàn nâng phôi để tăng hiệu quả sử dụng)
+ Điện áp đầu vào 12V DC 5A
+ Cổng kết nối : jack 3 chân loại 2.54
+ Tích hợp driver, có thể thay đổi cường độ sáng laser khi board hỗ trợ chức năng TTL/PWM
+ Tản nhiệt bằng quạt gió.
+ Nhiệt độ làm việc : 10 - 40 độ C + Kích thước DxRxC : 40x40x 110mm
40
Hình 4.18: Sơ đồ kết nối module Laser
Module laser 2.5W được điều khiển thơng qua bộ module gắn phía trên đầu laser kết nối bộ điều khiển chính Arduino R3 + CNC shield V3 tiếp nhận qua hệ nhị phân thông qua phần mềm máy tính được lập trình để gia cơng.
4.3 Sơ đồ kết nối các khối điều khiển 4.3.1 Sơ đồ khối điều khiển 4.3.1 Sơ đồ khối điều khiển
Mạch điều khiển trung gian: Arduino R3 Khối tiếp nhận driver: CNC Shield V3. Các khối driver: Driver A4988.
Các cơ cấu chấp hành: Động cơ bước và module laser.
41
4.3.2 Sơ đồ kết nối
Hình 4.18: Sơ đồ kết nối CNC Shield với các thiết bị
Nguồn cấp cho mạch CNC shield V3 và module laser là 12VDC lấy từ cổng ra của nguồn tổng ong 12V-10A.
Trục Y gồm 2 động cơ bước kí hiệu Y1, Y2 có chiều quay ngược nhau ta đấu song song và đảo ngược chiều dây của 2 động cơ.
Dây tín hiệu PWM của module laser kết nối với chân SpnEn, chân SpnEn được thiết lập trên nền GBRL 0.9+.
42
CHƯƠNG 5: THI CÔNG
5.1 Khung dẫn động
Hình 5.1: Khung dẫn động
Yêu cầu cần đạt được:
• Các chi tiết lắp ráp phải chắc chắn, đúng theo bản vẽ thiết kế.
• Căng chỉnh khung sao cho sai số là nhỏ nhất.
• Các bộ dẫn động các trục di chuyển mượt mà trên thanh dẫn động (nhôm định hình).
• Điều chỉnh các con lăn của bộ phận dẫn động bám sát vào thanh nhơm định hình.
43
5.2 Khung máy
Hình 5.2: Khung máy
Yêu cầu kỹ thuật:
- Các chi tiết lắp ráp phải chắc chắn, đúng theo bản vẽ thiết kế. - Căn chỉnh khung máy sao cho sai số nhỏ nhất.
5.3 Mạch điện
Hình 5.3: Lắp mạch điện
Yêu cầu kỹ thuật:
- Phần board mạch điều khiển được đặt vào case đựng mạch thiết kế trước đó có gắn quạt tản nhiệt làm mát.
44 - Gắn nguồn tổ ong và khung vỏ máy.
- Dây điện gọn gàng, giúp khung dẫn động di chuyển mượt trong quá trình hoạt động.
5.4 Máy hồn chỉnh
Hình 5.4: Máy hồn chỉnh
Hồn thành xong giai đoạn lắp ráp máy, chuẩn bị cho quá trình chạy thử. Máy được bao quanh bởi lớp tấm Alu dày 3mm giúp tăng thẩm mỹ cho máy, đặc biệt giúp bảo vệ đôi mắt của chúng ta tránh khỏi tia laser và bảo vệ máy trong suốt q trình vận hành và sau vận hành.
Máy có cánh cửa đóng mở, phía trên được lắp 1 tấm mica trong suốt giúp ta có thể quan sát được quá trình máy làm việc tránh nhìn trực tiếp tia laser.
45
5.5 Cài đặt firmware GRBL
Để có thể cài đặt upload firmware cho board Arduino R3 để tương thích với phần mềm hỗ trợ Benbox để gia cơng khắc laser nhóm sử dụng phần mềm Arduino 1.0.6.
Hình 5.5: Upload GRBL
Sau khi nạp firmware xong để kiểm tra vận hành của máy nhóm sử dụng chương trình chạy thử nghiệm.
Chương trình chạy thử nghiệm
#define EN 8 #define X_DIR 4 #define Y_DIR 5 #define X_STP 2 #define Y_STP 3
46
void step(boolean dir, byte dirPin, byte stepperPin, int steps) {
digitalWrite(dirPin, dir); delay(50);
for (int i = 0; i < steps; i++) { digitalWrite(stepperPin, HIGH); delayMicroseconds(800); digitalWrite(stepperPin, LOW); delayMicroseconds(800); } } void setup(){ pinMode(X_DIR, OUTPUT); pinMode(X_STP, OUTPUT); pinMode(Y_DIR, OUTPUT); pinMode(Y_STP, OUTPUT); pinMode(EN, OUTPUT); digitalWrite(EN, LOW); } void loop(){
step(false, X_DIR, X_STP, 200); // Motor quay 1 vòng, 200 bước theo trục Ox step(false, Y_DIR, Y_STP, 200); // Motor quay 1 vòng, 200 bước theo trục Oy delay(1000);
// Quay chiều ngược lại
step(true, X_DIR, X_STP, 200); step(true, Y_DIR, Y_STP, 200); delay(1000);
47
5.6 Phần mềm Benbox
Phần mềm Benbox là phần mềm CNC cơ bản để khắc laser, bút vẽ.
Benbox là phần mềm giao tiếp điều khiển CNC, có thể dowload phần mềm trên internet với nhiều phiên bản và dễ dàng tìm kiếm.
Ưu điểm:
- Dễ sử dụng cho người mới bắt đầu. - Thao tác đơn giản dễ hiểu.
Nhược điểm:
- Chức năng làm việc hạn chế chỉ vẽ, khắc cơ bản tranh Vector kiểu đen trắng. - Hỗ trợ CNC AxisDraw, CNC laser 2 trục X, Y.
48
5.6.1 Cài đặt Benbox
Hình 5.7: Thanh cơng cụ setup trên Benbox
49
5.6.2 Kiểm tra kích thước khắc
Sau khi cài đặt thơng số cho phần mềm ta thực hiện q trình vận hành máy cho khắc thử chi tiết thanh độ kích thước để kiểm tra độ sai lệch khi khắc.
Hình 5.9: Kiểm tra kích thước khi khắc 5.7 Sản phẩm 5.7 Sản phẩm
5.7.1 Khắc trên gỗ
50
Sản phẩm được khắc trên bề mặt gỗ MDF phủ lớp chống trầy Melanine, kích thước khổ ảnh 4 x 5.5 cm, khắc chế độ Scan by Z của phần mềm, thời gian hoàn thành là 30 phút. Chất lượng ảnh chi tiết sắc nét, khắc chiều sâu thể hiện thêm tính độc đáo của bức ảnh thời gian khắc đạt mức khá tốt.
5.7.2 Khắc trên lớp mạ sơn
Hình 5.11: Khắc ảnh trên thân vợt
Sản phẩm được khắc trên lớp sơn của thân vợt cầu lông, khắc dạng đường viền và khắc dạng điền đầy. Có thể khắc được trên bề mặt tương đối phẳng có thể hơi cong như thân vợt phía hình trên ko nhất thiết phải là mặt phẳng hoàn toàn.
51
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
6.1 Kết luận
Sau tháng ngày thực hiện đối diện với nhiều khó khăn tình hình dịch phức tạp, nhờ được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS. Ngơ Hà Quang Thịnh và hỗ trợ từ phía nhà trường, Viện kỹ thuật nhóm đã hoàn thành đề tài “Máy khắc laser”. Trong quá trình thực hiện nhóm đã có những kinh nghiệm riêng về việc thiết kế phần cơ khí cũng như phần điện tử đòi hỏi phải hiểu biết về động cơ bước, bo mạch điều khiển, đặc biệt là phần lập trình để vận hành máy. Do tình hình dịch diễn ra phức tạp cịn nhiều hạn chế trong quá trình mua sắm thiết bị làm máy, nhóm đã cố gắng hồn thiện đề tài một cách tốt nhất có thẻ. Đề tài của nhóm có thể được đưa vào sản xuất, làm quảng cáo ở phương diện nhỏ, là mô hình học tập giáo dục cho giảng viên và sinh viên.
Từ việc thiết kế, chế tạo và tiến hành thử nghiệm khi hoàn thành nhằm nhận xét và đánh giá kết quả đạt được thì nhóm đã rút ra được những vấn đề chính như sau.
Thành quả đạt được:
- Cơ cấu máy được thiết kế và chế tạo một cách gọn gàng, di chuyển linh hoạt. Dễ