23
*Các thơng số kỹ thuật:
Bước sóng laser : 445nm (màu xanh tím) Cơng suất đầu khắc laser: 500mW - 5500mW Chế độ điều khiển: ACC liên tục dòng ổn định Phương pháp làm mát: làm mát khơng khí Điện áp làm việc: 12v
Vỏ vật liệu: nhơm, bề mặt anodized Vỏ diode: đồng
Thấu kính: lớp phủ kính quang học
*Nguyên lý hoạt động:
Nguyên l cơ bản của máy khắc laser về mặt động học hoàn toàn giống máy in 3D. Kết cấu di chuyển cũng là sự tịnh tiến theo ba phương.Tuy nhiên, quá trình đùn nhựa được thay bằng q trình cắt cắt bằng tia laser có thể được mơ tả như sau.
24
Hình 4.4: Ngun lí hoạt động của đầu khắc Laser
Một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser s được tập trung lên bề mặt chi tiết gia cơng nhờ hệ thống thấu kính. Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0,5mm). Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia cơng bởi một dịng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia laser. Đối
25
với một số loại vật liệu thì dịng khí này làm tăng tốc q trình cắt bởi tác động hóa học và l học.
Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo một quỹ đạo và vì thế sinh ra vết cắt. Chuyển động này được có thể thực hiện bằng cách di chuyển chùm tia laser hội tụ nhờ hệ thống gương phản xạ hoặc chuyển động cơ khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Cũng có máy thiết kế cả hai loại chuyển động này, khi đó chùm tia laser được di chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương cịn lại. Các hệ thống tự động hóa hồn tồn cho ph p cắt được các hình dáng 3D.
4.1.3 Đầu gia cơng CNC
Cụm đầu đầu cắt thực hiện chức cắt phay CNC
Đầu phay CNC là thiết bị quan trọng trong máy phay CNC. Do máy có kích thước nhỏ nên cơng suất động cơ không cần lớn. Tốc độ cắt được với đường kính dao nhỏ nên chọn tốc độ cắt cao trung bình trên 20.000 vịng để đảm bảo vân tốc cắt.
26
Hình 4.5: Đầu khắc phay CNC được sử dụng trong mơ hình thực hiện chức năng phay
Nhóm nghiên cứu quyết định chọn loại bút cắt sáp dùng trong ngành thợ nữ trang chuyên cắt khắc sáp. Ưu điểm là tốc độ cao, khắc chi tiết sắc sảo và có độ bền cao có thể khắc trên mọi chất liệu , gổ , kính , đá , nhơm , sắt , da bị… Đầu bút cắt có cấu tạo nhỏ gọn để gắn đầu dao phay CNC. Sự chuyển động của dao được nhờ vào động cơ khơng chổi than đặt phía ngồi truyền động vào dụng cụ cắt nhờ dây dẫn đàn hồi chuyên dụng.
4.1.4 Đầu in 3D
Đầu phun sử dụng một động cơ để dẫn động và cơ cấu bánh răng để
dẫn truyền chuyển động đến bộ phận đẩy nhựa. Bộ phận này có hai thành phần chính là thành phần đùn nhựa và thành phần đầu nhiệt làm nóng chảy sợi nhựa.
27
Hình 4.6: Đầu dùn nhựa
Thành phần đùn nhựa được đẫn truyền bằng động cơ với các cơ cấu bánh răng. Trong đó bánh răng bị động mang theo cơ cấu đẩy nhựa nhờ vào lực ma sát của nhựa và thanh đẩy nhựa.
28
Thành phần đầu nhiệt được cung cấp nhiệt bởi điện trở nhiệt và được giám sát nhiệt độ bởi cảm biến nhiệt, bên trong đầu nhiệt được gia công để chứa sợi nhựa. Sợi nhựa tại đây được nung nóng đến nhiệt độ nóng chảy và bị p ra l của đầu nhiệt nhờ lực của thành phần đùn nhựa.
Đầu phun nhựa phải thật chính xác vì nó ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình tạo hình và gia cơng vật thể. Các chi tiết phải thật ăn khớp với nhau để giữ vững động cơ và đảm bảo cho việc gia công được thực hiên xuyên suốt.
29
Bề mặt gia công của chi tiết phụ thuộc vào đầu phun rất nhiều, đầu phun không tốt s dẫn đến nhựa phun không đều làm cho bề mặt của chi tiết gia công không được trơn tru. Trường hợp phun không đủ nhựa hoặc quá nhiều s gây ra sai số gia cơng cũng như hình dạng của vật gia cơng cũng khơng đúng với bản v thiết kế.
Đầu đùn nhựa là cơ cấu quan trọng trong máy in, đây là thành phần gia cơng chính của máy in vì vậy bộ đùn nhựa là cơ cấu quyết định chất lượng của máy in. Yêu cầu chính của phần này là phải đảm bảo các thành phần lắp gh p phải chính xác và hoạt động ăn khớp với nhau đặc biệt là các khớp nối trực tiếp vào động cơ và thành phần dẫn động của bộ phận đẩy nhựa. Ngồi ra các khớp phải có tăng đưa để phù hợp với từng loại nhựa với nhiều đường kính khác nhau. Và để đảm bảo nhựa đùn ra được liên tục trong suốt quá trình in và giảm lực ma sát khi đẩy nhựa nhóm quyết định thiết kế thêm ổ bi để giảm ma sát, tăng hiệu suất của máy.
Đầu đùn nhựa được gá đặt trên đế đỡ, đế đỡ được thiết kế sau cho có thể vừa lắp được đầu đùn máy in 3D vừa lắp đầu laser và đầu khắc máy CNC. Cấu tạo cơ khí đơn giản có thể tháo lắp dễ dàng nhưng vẫn đảm bảo cứng vững khi thực hiện các chức năng.
4.2 Hệ thống điều khiển 4.2.1 Bo mạch điều khiển 4.2.1 Bo mạch điều khiển
Ở thời điểm hiện tại thì có rất nhiều loại bo mạch được bán sẵn trên thị trường dùng cho cánh tay máy. Nhưng để cho cánh tay máy hoạt động ổn định cũng như
30
điều khiển chính xác thì nhóm chúng tơi quyết định chọn Board mạch chủ điều khiển máy in 3D MKS SGEN_L 32bit.
Board mạch chủ điều khiển máy in 3D MKS SGEN_L 32bit có những ưu điểm so với những loại khác như sau:
Sử dụng chip chính 32 bit Cortex-M3 LPC 1768, tần số 100MHZ, sức mạnh tính tốn mạnh m , hiệu năng được cải thiện đáng kể.
Tích hợp khe cắm th nhớ tiện lợi hơn.
31
Tính năng:
H trợ cao Mô đun mã nguồn mở firmware Smoothieware. Dễ dàng chỉnh sửa config.txt tập tin. Không làm phức tạp thêm phần mềm chỉnh sửa cần thiết.
H trợ đầy đủ Mạng chức năng. Bên cạnh đó thường xuyên kết nối USB Ethernet cáp mạng có thể được kết nối trực tiếp với một mạng lưới cho điều khiển trình duyệt. Bảng địa chỉ IP có thể được cấu hình trong config.txt.
Bộ hiện nay trực tiếp trên cấu hình, bảo vệ người lái xe hoặc chiết áp không bị đốt cháy khi điều chỉnh dòng điện.
Mạch này ban với chất lượng cao 4-Lớp và tốt hơn tản nhiệt.
Sử dụng một nguồn chuyên dụng cung cấp chip, ổn định đảm bảo cơng suất đầu ra.
32
Hình 4.11: Hệ thống dây điện trên bo MKS
33
Cách sử dụng bo mạch MKS:
bản sao "firmware. bin "và" Config "từ Config tập tin để SD Card (SD nhỏ hơn 64 GB)
Điều chỉnh config.txt theo cấu hình.
Tham khảo MKS-SGEN PIN, giúp hiệu chỉnh kết nối. Như động cơ bước, endstops.
Cắm th SD để Hội Đồng Quản trị, sau khi bật nguồn, nó s tự động cập nhật.
Nếu kết nối máy tính với CỔNG USB, cần cài đặt driver (tham khảo bên dưới quy cách).
Cài đặt Driver:
Đầu tiên, tải file zip.
Sau đó, cắm USB vào máy tính. Tiếp theo, vào thiết bị máng cỏ. Sau đó s chuyển lên COM sau khi cài đặt thành cơng.
4.2.2 Màn hình LCD
Để hiện thị thông số gia công và những thông số khác, giúp người vận hành có thể kiểm sốt được q trình làm việc. Thì nhóm chúng tơi quyết định đầu tư thêm một màn hình LCD.
Không những thế, trước khi đưa mã G-Code để vận hành máy thì trước tiên chúng ta phải xem qua mã code và sửa lại để phù hợp. Mã code có thể hiện thị trên màn hình LCD giúp người vận hành có thể kiểm sốt được q trình gia cơng.
Màn hình phải hoạt động tốt trong mơi trường của các nhà máy, xí nghiệp, các cơng ty. Những mơi trường đó có thể có rất nhiều dầu mỡ hoặc là bụi kim loại.
34
Hình 4.13: Màn hình LCD
4.2.3 Điều khiển động cơ bƣớc (Step Driver – A4988)
A4988 là một trình điều khiển vi bước để điều khiển động cơ bước lưỡng cực có bộ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước.
35
Hình 4.14: A4988-Trình điều khiển bước
Driver cung cấp năm độ phân gii bc khỏc nhau: bc , ẵ bc, ẳ bc, 1/8 bước và 1/16 bước. Ngồi ra, nó có một biến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắt khi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện ch o.
Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên m i pha là 2A nếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dòng điện liên tục 1A m i pha mà không cần tản nhiệt hoặc làm mát.
Chân ra Driver A4988
Bây giờ, hãy nhìn kỹ vào sơ đồ chân của trình điều khiển và nối nó với động cơ bước và bộ điều khiển. Vì vậy, chúng tơi s bắt đầu với 2 chân ở nút bên phải để cấp nguồn cho trình điều khiển, chân VDD và Ground mà chúng tôi cần kết nối chúng với nguồn điện từ 3 đến 5,5 V và trong trường hợp của chúng tôi s là bộ điều khiển của chúng tôi, Arduino Board s cung cấp 5 V. 4 chân sau đây để kết nối động cơ. Các chân 1A và 1B s được kết nối với một cuộn dây của động cơ
36
và chân 2A và 2B với cuộn dây khác của động cơ. Để cung cấp năng lượng cho động cơ, chúng tôi sử dụng 2 chân tiếp theo, Ground và VMOT mà chúng tôi cần kết nối chúng với Nguồn cung cấp từ 8 đến 35 V và chúng tôi cũng cần sử dụng tụ tách rời với ít nhất 47 PhaF để bảo vệ board điều khiển khỏi các xung điện áp.
Hình 4.15: A4988-Sơ đồ nối dây
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
37
điều khiển, hoặc trong trường hợp của tôi, tôi s kết nối nó với chân số 4 của Board Arduino.
Với chân Step, chúng ta điều khiển mirosteps của động cơ và với m i xung được gửi tới chân này, động cơ s 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.
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 s bị bỏ qua. Chân Reset là một chân nổi, vì vậy nếu chúng ta khơng có 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.
38
3 chân tiếp theo (MS1, MS2 và MS3) là để chọn một trong năm độ phân giải theo board ở trên. Các chân này có điện trở bên trong, vì vậy nếu chúng ta ngắt kết nối, board s hoạt động ở chế độ bước đủ.
Cuối cùng, chân ENABLE được sử dụng để bật hoặc tắt các đầu ra FET. Vì vậy, mức cao s giữ cho đầu ra bị vơ hiệu hóa.
4.2.4 Nguồn
Máy in cần nguồn 12V nhưng ít nhất phải là 20A. Nên sử dụng nguồn 30A cho hiệu quả cơng suất cao hơn vì q trình in làm nóng đầu phun.
Do đó nhóm quyết định chọn nguồn Meanwell 12V Thông số kỹ thuật :
Điện áp ra: 12V
Cường độ dòng điện: 29A Hiệu suất: 85%
39 Cơng suất: 350W Khối lượng: 0.76kg Kích thước: 215mm x 115mm x 30mm Nhiệt độ hoạt động : (-20°) – 70°C Độ ẩm hoạt động cho ph p: 20% – 90% Nhiệt độ bảo quản: (-20°) – 85°C
Hình 4.16: Nguồn
4.3 Động cơ
4.3.1 Giới thiệu về động cơ Servo
40
sự hoạt động chính xác, hiệu quả cao thì chúng ta chọn Servo.
Trong kỹ thuật điều khiển, Servo là gọi tắt của động cơ Servo. Nó là một thiết bị tự động có cảm biến phản hồi để điều chỉnh hành động. Servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển, cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành. Với cơng nghệ Driver Servo thì nó cịn được biết đến tương tự như Driver máy tính.
Các loại động cơ Servo phổ biến:
Động cơ Servo hiện nay đang được ứng dụng rất nhiều và được phân loại thành 2 loại Servo chính là: động cơ DC Servo và động cơ AC Servo.
AC Servo là động cơ cho ph p xử l được các dịng điện cao, do đó nó thường được sử dụng trong máy móc cơng nghiệp.
DC Servo là động cơ chỉ phù hợp cho các ứng dụng nhỏ, vì nó khơng xử l được các dịng điện cao.
Cấu tạo của các loại Servo:
Cấu tạo chung của một động cơ Servo bao gồm 2 phần chính là: Rotor và Stator
DC Servo
Động cơ DC Servo được chia làm 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than và động cơ 1 chiều khơng chổi than.
DC Servo có chổi than: Rotor, Stator, chổi than và cuộn cảm lõi.
Ƣu điểm: dễ điều khiển, giá thành tương đối r , kiểm sốt tốc độ
chính xác, đặc điểm tốc độ mo-men xoắn rất khó.
41
hành. Chổi than cho giới hạn tốc độ, mơi trường khơng có bụi khơng thích hợp. Vì thế để khắc phục, người ta thường sử dụng động cơ DC Servo không chổi than.
AC Servo
Động cơ AC Servo đa số là động cơ 1 chiều không chổi than. Cấu tạo gồm 2 phần chính là Rotor và Stator.
Rotor là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh.
Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn để làm quay Rotor.
Ƣu điểm: điều khiển tốc độ tốt, khơng dao động, ít nhiệt độ, điều
khiển vị trí chính xác (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa). Tiếng ồn thấp, mo-men xoắn, có qn tính thấp, khơng có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với mơi trường khơng có bụi, nổ).
Nhƣợc điểm: hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành cao hơn so với
DC Servo.
42
Một trong những thành phần cũng tương đối quan trộng của động cơ AC Servo đó là cảm biến hồi tiếp hay còn gọi là Encoder. Bởi vì, đặc trưng cho độ chính xác của AC Servo là độ phân giải cuả Encoder. Ví dụ: động cơ AC Servo có có độ phân giải Encoder 3000 xung/ vịng thì bạn có thể điều khiển motor m i bước quay 1/3000 vòng.
Nguyên lý hoạt động:
Về nguyên tắc, động cơ servo là một thiết bị độc lập. Tuy nhiên động cơ servo chỉ có nghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống servo.
Chế độ hoạt động servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Động cơ servo nhận một tín hiệu xung điện (PWM) từ bộ điều khiển để hoạt