Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay của sinh viên HAUI 2022 (code ở phụ lục tham khảo)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ kĩ thuật cơ điện tử Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay Giáo viên hướng dẫn: Ths Nhữ Quý Thơ Sinh viên thực hiện: Lê Ngọc Khánh 2018604485

Phùng Văn Long 2018603911

Đào Văn Thảo 2018604510

Hà Nội-2022

2 Phùng Văn Long Mã SV: 2018603911 Lớp: CĐT 2 Khóa:13

3 Đào Văn Thảo Mã SV: 2018604510 Lớp: CĐT 2 Khóa:13

Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có

kiểu trục quay

Mục tiêu đề tài:

- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống

- Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí

- Thiết kế hệ thống điện, điều khiển hệ thống

- Tích hợp hệ thống và xây dựng giải pháp điều khiển

- Đánh giá chất lượng điều khiển hệ thống

Kết quả dự kiến

- Thiết lập bài toán điều khiển

- Xây dựng bộ bản vẽ cơ khí, sơ đồ hệ thống điều khiển

- Chế tạo mô hình thực, đánh giá thực nghiệm hoạt động của mô hình

- Thuyết minh đồ án

Thời gian thực hiện: từ 24/10/2022 đến 25/12/2022

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Ths Nhữ Quý Thơ

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS Hoàng Tiến Dũng

3

NỘI DUNG THỰC HIỆN

1 Bố cục thuyết minh đề tài:

Chương 1: Giới thiệu chung

Lê Ngọc Khánh Đào Văn Thảo Phùng Văn Long

1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.2 Các vấn đề đặt ra

1.3 Phương pháp nghiên cứu

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu

1.5 Ý nghĩa thực tiễn

Chương 2: Tổng quan về máy khắc laser

Lê Ngọc Khánh Đào Văn Thảo Phùng Văn Long

2.1 Công nghệ khắc laser

2.2 Hệ thống chấp hành

2.3 Hệ thống điện, điện tử

2.4 Hệ thống điều khiển

Chương 3: Mô hình hóa và mô phỏng

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí Lê Ngọc Khánh

3.2 Xây dựng mô hình điều khiển Đào Văn Thảo

Phùng Văn Long

Chương 4: Thiết kế và thi công hệ thống

4.1 Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cơ khí Lê Ngọc Khánh 4.2 Thiết kế và thi công hệ thống điện, điều khiển Đào Văn Thảo 4.3 Xây dựng bài toán điều khiển Phùng Văn Long

Chương 5: Kết quả và đánh giá

5.3 Hạn chế và phương hướng giải quyết Phùng Văn Long

1 Bản vẽ lắp hệ thống cơ khí A3 1 Đào Văn Thảo

2 Bản vẽ hệ thống điều khiển A3 1 Phùng Văn Long

3 Lưu đồ thuật toán điều khiển A3 1 Lê Ngọc Khánh

3 Mô hình/ sản phẩm (nếu có)

Trình bày ngắn gọn thông số kỹ thuật cơ bản của mô hình/ sản phẩm

1 Chế tạo, lắp ráp các cơ cấu chuyển động cơ khí, khung

giá đỡ trong mô hình hệ thống

Lê Ngọc Khánh Đào Văn Thảo Phùng Văn Long

2 Lắp ráp mạch điều khiển, mạch động lực

Lê Ngọc Khánh Đào Văn Thảo Phùng Văn Long

3 Lập chương trình và thử nghiệm

Lê Ngọc Khánh Đào Văn Thảo Phùng Văn Long

5

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER 10

1.1 Lịch sử nghiên cứu 10

1.2 Các vấn đề đặt ra với đề tài 11

Hệ thống cơ khí 11

Hệ thống điện, điện tử 12

Chương trình điều khiển phần mềm 12

1.3 Phương pháp nghiên cứu 12

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 12

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 12

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 12

1.4.1 Giới hạn nghiên cứu 12

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 13

1.5 Ý nghĩa thực tiễn 13

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÁY KHẮC LASER KIỂU TRỤC XOAY14 2.1 Công nghệ khắc Laser 14

2.1.1 Cấu tạo đầu khắc Laser 15

2.1.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy khắc Laser 16

2.2 Hệ thống chấp hành 19

2.2.1 Đầu khắc Laser diode 19

2.2.2 Động cơ bước 22

2.2.3 Đồ gá 24

2.3 Hệ thống điện, điện tử 25

2.3.1 Nguồn điện 25

6

2.3.2 Module Laser TTL 25

2.3.3 Mạch Arduino CNC Shield V4 27

2.4 Hệ thống điều khiển 29

2.4.1 Phần mềm điều khiển GRBL 29

2.4.2 Phần mềm tạo G-code LightBurn 30

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG 33

3.1 Xây dựng mô hình hệ thống cơ khí 33

3.2 Xây dựng mô hình điều khiển hệ thống 39

3.2.1 Tổng quan điều khiển hệ thống 39

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 46

4.1.1 Thiết kế và thi công mô hình hệ thống cơ khí 46

4.1.2 Thiết kế và thi công hệ thống điện, điều khiển 47

4.1.3 Xây dựng bài toán điều khiển 47

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 52

5.1 Kết quả đạt được 52

5.2 Đánh giá 54

5.3 Hạn chế và phương hướng giải quyết 56

5.3.1 Hạn chế 56

5.3.2 Phương hướng giải quyết 56

5.3.3 Phương hướng phát triển 56

KẾT LUẬN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58

7

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 : Minh họa tia laser 14

Hình 2.2: Thành phần cấu tạo cơ bản của đầu khắc Laser 16

Hình 2.3: Mô tả quá trình hoạt động của tia Laser 17

Hình 2.4: Đầu khắc LASER Diode 19

Hình 2.5 :Mạch điều khiển đầu khắc LASER Diode 20

Hình 2.6: Cách hoạt động của diode laser 21

Hình 2.7: Động cơ bước (Step motor) 22

Hình 2.8: Các bộ phận cấu tạo nên động cơ bước 23

Hình 2.9: Kích thước kỹ thuật động cơ bước 23

Hình 2.10: Mâm cặp 4 chấu 24

Hình 2.11: Nguồn tổ ong 25

Hình 2.12: Module điều khiển Laser 26

Hình 2.13: Mạch Arduino CNC Shield V4 28

Hình 2.14 : Sơ đồ chân Arduino Shield CNC 29

Hình 2.15: Minh họa về điều khiển GRBL 30

Hình 2.16: Giao diện Phần mềm LIGHTBURN 31

Hình 3.1: mô phỏng kết cấu khung máy 3D 33

Hình 3.3 : Nguyên lý hoạt động của hệ thống hệ thống 39

Hình 3.4: Sơ đồ khối hệ thống 40

Hình 3.5 : Lưu đồ thuật toán 41

Hình 3.6: Mô phỏng mạch điều khiển bằng Proteus 42

Hình 3.7: mô phỏng sơ đồ nối dây module drive A4988 điều khiển động cơ bước 43

Hình 3.8: Mạch CNC điều khiển 3 động cơ bước thực tế 44

Hình 3.9: Module điều khiển Laser 45

Hình 4.1: Mô Hình hoàn chỉnh 46

Hình 4.2 : Nối nguồn điện 47

Hình 4.3: Giao diện Arduino IDE 48

Hình 4.4: Giao diện phần mềm Univarsal G-code Sender 49

8

Hình 4.5: Thiết lập động cơ bước qua UGS 50

Hình 4.6: Nhập số liệu thực tế vào phần mềm 50

Hình 4.7: Giao diện điều khiển Lightburn 51

Hình 5.1: sản phẩm thử nghiệm của nhóm 53

Hình 5.2: Sản phẩm 1 53

Hình 5.3: Sản phẩm 2 54

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Thông số mô hình đo được thông qua phần mềm mô phỏng 37

Bảng 3.2: thông số kỹ thuật động cơ Nema 17 38

Bảng 3.3: Nối chân Pin cho mạch điều khiển động cơ 43

Bảng 3.4: Chân Pin kết nối Modul Laser TTL 45

9

LỜI NÓI ĐẦU

Nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn

Cơ Điện Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, đặc biệt đến giảng viên hướng dẫn là thầy Nhữ Quý Thơ Thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi nhất để nhóm hoàn thành đề tài nghiên cứu này.Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm cho nhóm trong thời gian qua

Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn

Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc

Xin chân thành cảm ơn!

Với nền tảng lý thuyết về khả năng phát xạ cảm ứng do Albert Einstein phát hiện vào năm 1917, sau khi trải qua thời gian dài nghiên cứu, đến năm

1960, Maiman đã cho ra đời thành công tia laser hồng ngọc hoạt động được đầu tiên trên thế giới Đến tháng 11/1967, Maiman đã đăng ký thành công bằng sáng

chế ra tia laser đầu tiên trên thế giới

Năm 1965 trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering đã sản xuất ra máy cắt laser đầu tiên nhưng chưa được ứng dụng nhiều, chỉ được sử dụng để khoét lỗ trên kim cương

Năm 1967 các nhà khoa học Anh đã bắt đầu sử dụng máy cắt laser trong việc cắt kim loại sử dụng khí hỗ trợ là oxy (máy cắt laser muốn hoạt động được cần có khí hỗ trợ)

Đến năm 1970, công nghệ cắt laser được cải tiến hơn và bắt đầu thử nghiệm để cắt Titan – ứng dụng cho ngành hàng không vũ trụ Sau đó, qua nhiều cuộc nghiên cứu, các nhà khoa học đã dần thay đổi sử dụng khí hỗ trợ oxy thành khí CO2, kể từ đó máy cắt laser CO2 được ra đời Tuy nhiên, máy cắt CO2 không thể cắt được kim loại mà chỉ sử dụng để cắt phi kim, vải da,…Với bước đệm đó, qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà phát minh đã cho ra đời nhiều loại máy cắt laser hơn, cắt được nhiều loại vật liệu hơn với độ chính xác cao, nhanh gọn hơn so với những chiếc máy laser đời cũ

Máy cắt laser kim loại đã trở thành một phần không thể thiếu trong sản xuất gia công kim loại So với các phương thức cắt kim loại thông thường như cắt bằng máy thủ công, phương pháp ăn mòn điện hóa hay máy Plasma CNC thì công nghệ cắt laser kim loại vẫn vượt trội hơn rất nhiều

11

Trên thế giới, ngày nay công nghệ khắc laser được ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử, y học, hàng không vũ trụ, ô tô Một trong số các ứng dụng phổ biến nhất đó là cắt kim loại như vonfram, nhôm, thép, đồng thau hoặc niken

Vì laser đem lại vết cắt sạch và hoàn thiện bề mặt mịn Một trong số các ứng dụng tuyệt vời nhất của công nghệ khắc laser là trong lĩnh vực phẫu thuật Khi

đó, các chùm tia laser sẽ được thay thế dao mổ và sử dụng để làm cắt mô Việc làm này đóng vai trò quan trọng trong các ca phẫu thuật cần đảm bảo độ chuẩn xác cao

Ở Việt Nam hiện nay, công nghệ khắc laser được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực gia công quà tặng, khắc mã vạch, sản xuất tem mác, … Công nghệ này có thể khắc trên các chất liệu như: kim loại, gỗ, mica, thủy tinh, hợp kim, nhựa, …

Nhiệm vụ của đề tài nhóm em là thiết kế ra một máy khắc Laser có kiểu trục quay để có thể gia công trên những vật có dạng trụ tròn với bề mặt cong một cách đơn giản, dễ dàng, nhanh chóng với độ chính xác cao, trên những vật liệu phi kim như giấy, gỗ, nhựa, … dễ dàng sử dụng dành cho cả những người lao động phổ thông Đề tài hoàn toàn có thể sử dụng vào mục đích thương mại hoá trong tương lai

Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lí, vững chắc và hiệu quả cao

Thiết bị lắp đặt một hệ thống cơ khí có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra bảo dưỡng và thay thế các thiết bị

Hệ thống cơ khí hoạt động ổn định, chính xác, đảm bảo tính an toàn khi

sử dụng

12

Hệ thống điện, điện tử

Đảm bảo hoạt động ổn định hệ thống đáp ứng được chế độ làm việc của

mô hình

Đảm bảo các sai số trong phạm vi cho phép

Đảm bảo an toàn cho người sủ dụng và các thiết bị

Chương trình điều khiển phần mềm

Xây dựng chương trình điều khiển máy cắt khắc theo bản vẽ thiết kế Tính toán các thông số phù hợp với vật liệu gia công

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của hệ thống máy khắc Laser qua Internet, tài liệu nghiên cứu, sách giáo trình, …

Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về hệ thống chấp hành, hệ thống cảm biến, hệ thống điều khiển của máy khắc laser

Tính toán lựa chọn các linh kiện, cảm biến và thiết kế hệ thống trên lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Mô phỏng, đánh giá hoạt động của mô hình khắc laser có kiểu trục xoay qua các phần mềm mô phỏng trên máy tính

Đến thăm và tìm hiểu trực tiếp về cách vận hành của máy khắc Laser trong thực tế tại các cơ sở sản xuất gia công

➢ Kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và phương pháp thực nghiệm : Trong việc nghiên cứu, xây dựng mô hình; tính toán và lựa chọn linh kiện trên lý thuyết Sau đó đồng thời áp dụng lý thuyết để xây dựng các cơ cấu cơ khí, hệ thống điểu khiển trên thực tế hoặc các chương trình mô phỏng, đánh giá kết quả xem

có phù hợp hay không để sửa đổi hoặc phát triển thiết kế

1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Giới hạn nghiên cứu

Mô hình dự tính được điều khiển thông qua mạch điều khiển Arduino mã nguồn mở dễ dàng lập trình và sử dụng Lựa chọn mạch điều khiển Arduino

13

CNC 3 trục với module driver A4988 điều khiển động cơ bước kết hợp điều khiển trên máy tính thông qua phần mềm khắc Laser chuyên dụng (Ezcad, Lightburn, Univarsal G-code Sender)

đó cũng hạn chế việc lãng phí nguyên vật liệu, giải quyết những phức tạp trong gia công cơ học truyền thống mà không làm ảnh hưởng đến phôi Sản phẩm này

sẽ giúp việc gia công khắc vật liệu giảm thiểu được chi phí gia công và rút ngắn thời gian làm việc cuối cùng đem đến chất lượng và tiến độ công việc tốt nhất Công nghệ gia công laser đã được ứng dụng thành công trong nhiều ngành như công nghiệp điện tử, y học, hàng không vũ trụ, ô tô

Đối với sinh viên: Qua thời gian nghiên cứu và hoàn thiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc laser có kiểu trục quay” Các thành viên trong nhóm đều đã tự học được thêm nhiều kiến thức mới, trải nghiệm mới cũng như khả năng tự tìm đọc hiểu, trao đổi thông tin để có thể mang lại hiệu quả vì một mục tiêu chung, cải thiện kĩ năng thiết kế, lập trình, khả năng ngoại ngữ

Hình 2.1 : Minh họa tia laser

Khi khoa học và công nghệ cơ khí chế tạo ngày càng trở nên tiến bộ, việc gia công vật liệu ngày một trở nên dễ dàng hơn với hàng loạt các phương pháp gia công hiện đại khác nhau Một trong những phương pháp gia công tối ưu hiện nay đó chính là sử dụng công nghệ Laser

Công nghệ gia công bằng Laser là gì?

Công nghệ gia công bằng Laser sử dụng các loại máy cắt/khắc Laser Lợi dụng sức nóng và các bước sóng sinh ra từ sự hội tụ các chùm tia Laser mà thực hiện cắt, gọt hoặc khắc trên các loại vật liệu khác nhau Laser hiện nay là phương pháp gia công cơ khí hiện đại thông dụng, có thể ứng dụng đa dạng

15

trong gia công vật liệu: Từ cắt, gọt tới khắc thẩm mỹ, gia công phức tạp khác… Đặc biệt, khắc Laser ngày càng được sử dụng phổ biến hơn với những ưu điểm vượt trội mang lại

Ưu điểm nổi bật của công nghệ khắc Laser

Khả năng tự động hóa cao, lập trình bản vẽ trên phần mềm điều khiển thông minh tạo độ chính xác tuyệt đối

Họa tiết khắc trong thời gian ngắn, chuẩn và đều, không có nhiều sai sót,

ít gây hư hỏng hay làm giảm chất lượng vật liệu

Thành phẩm có tính thẩm mỹ cao, tạo được những chi tiết cầu kỳ phức tạp…

Máy khắc laser có thể làm việc trên nhiều loại vật liệu khác nhau từ kim loại, hợp kim sang phi kim loại như thủy tinh, nhựa, mica

Khi khắc các hiệu ứng cơ học ảnh hưởng rất ít tới quá trình biến dạng của sản phẩm

Biến dạng nhiệt nhanh chóng, vết cắt hẹp có cạnh sắc nét và đảm bảo độ chuẩn xác cao

Công nghệ khắc laser không gây ra tiếng ồn quá lớn nên tạo điều kiện rất tốt cho nhân viên làm việc

Người lao động được cải thiện rất nhiều bởi lượng bụi khi tạo ra sản phẩm

ít hơn so với các phương pháp cơ học

Ứng dụng của công nghệ khắc Laser

Công nghệ khắc Laser được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như khắc tem mác hay khắc Logo, in thông tin sản xuất, ngày sản xuất, hạn sử dụng hay khắc khuôn mẫu kim loại, soi rãnh Inox, khắc chữ Laser hay họa tiết hoa văn thẩm mỹ…

2.1.1 Cấu tạo đầu khắc Laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một đầu khắc laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng

16

phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 phôton tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 phôton khác bật ra bay theo cùng hướng với phôton tối Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các phôton khi bay tới, mặt kia cho một phần phôton qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt phôton va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ phôton lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất

để phân loại laser

Hình 2.2: Thành phần cấu tạo cơ bản của đầu khắc Laser

Phần ông phóng Laser/Nguồn Laser, nơi chứa hoạt chất Laser để tạo ra chùm tia Laser nhờ sự kích thích từ dòng điện

Phần đầu in/khắc định hướng tia laser đến bề mặt vật liệu gia công

2.1.2 Nguyên lý hoạt động và phân loại máy khắc Laser

Khắc laser là quá trình sử dụng tia laser tập trung năng lượng làm bay hơi lớp bề mặt vật liệu để tạo ra một "vết khắc vĩnh viễn"

Nguyên lý chung của mọi máy khắc Laser đó là cho nguồn điện đi qua ống phóng/nguồn để kích thích các phân tử chứa trong hoạt chất Laser, từ đó bức xạ tạo ra các tia Laser Chùm tia Laser được sinh ra sau đó sẽ đi qua đầu in, hướng của chùm tia này được điều chỉnh bởi hai gương, hội tụ chùm Laser tại

một điểm qua thấu kính (lens) rồi chiếu trực tiếp lên bề mặt sản phẩm để tạo ra

bản in

17

Hình 2.3: Mô tả quá trình hoạt động của tia Laser

Phân loại máy khắc laser

Hiện nay, trên thị trường xuất hiện rất nhiều dòng máy cắt kim loại bằng laser đa dạng về chủng loại lẫn kiểu dáng cấu tạo, chúng chủ yếu được phân thành 3 loại chính căn cứ vào nguồn laser đó là: máy laser CO2, máy laser Fiber

và laser tinh thể

- Máy laser CO2 (Nguồn laser bằng khí gas)

Máy laser CO2 là loại máy hoạt động dựa vào tác động của hỗn hợp khí carbon dioxide được kích thích điện Có bước sóng khoảng 10,6 mm, đây là loại nguồn laser chỉ phù hợp để xử lý trên các vật liệu phi kim loại, gia công soi rãnh inox, soi rãnh kim loại và trên hầu hết các loại nhựa Các nguồn laser CO2 có hiệu quả tương đối cao và được trang bị chất lượng chùm tia rất tốt, hiện máy laser CO2 là sản phẩm đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay

Vật liệu gia công tương thích: Gỗ, gạch, film, da, acrylic, giấy, đá, …

- Máy laser Fiber

Máy Laser Fiber thuộc nhóm tia laser trạng thái rắn, loại máy này tạo ra một chùm tia laser (hay còn gọi là hạt laser) khuyếch đại trong sợi thủy tinh đặc biệt được cung cấp năng lượng bằng một điốt bơm Có bước sóng 1,064 micromet, máy laser Fiber tạo ra chùm tia với đường kính tiêu cự cực nhỏ từ đó giúp tăng mật độ xử lý gấp 100 lần so với máy laser CO2 với cùng một công suất sử dụng Máy khắc Laser Fiber phù hợp với công đoạn xử lý khắc dấu theo

18

các phương pháp như annealing, phương pháp khắc sâu và khắc tạo độ tương phản trên nhựa Các ưu điểm nổi bật nhất của máy laser Fiber chính là không phải bảo trì nguồn laser, thời gian sử dụng máy thấp nhất là 25.000 giờ

Các vật liệu thích hợp xử lý với nguồn laser Fiber là kim loại, sơn tĩnh điện, kim loại mạ, nhựa

Máy Laser CO2 và máy Laser Fiber để gia công được trên các bề mặt tròn như ống trụ người ta thường lắp thêm một trục quay để gá đặt phôi gia công Việc này sẽ giải quyết được vấn đề gia công mặt cong nhưng sẽ không cho ra được độ chính xác cao cho các chi tiết và việc gắn thêm trục riêng ở ngoài sẽ tạo

ra sự thay đổi về mặt kết cấu của máy nếu hệ máy đã được đóng kín

- Máy Laser Nd:YAG, Nd:YVO (Nguồn laser tinh thể)

Máy laser tinh thể cũng là dạng laser trạng thái rắn và cũng được ứng dụng để khắc đánh dấu trên vật liệu bằng cách bơm trực tiếp bằng các đi ốt Các loại nguồn laser phổ biến nhất của dạng này chủ yếu là YAG và Nd Sử dụng cùng bước song với máy laser Fiber là 1.064 micromet, nguồn laser tinh thể cũng phù hợp để khắc ký mã trên kim loại và nhựa Điểm khác nhau chính là giá thành sử dụng, máy laser nguồn laser tinh thể thường có chi phí cao hơn do sử dụng các bộ phận cấu thành ống bơm điot đắt tiền hơn nhiều nhưng tuổi thọ của các máy laser dạng này thường thấp hơn máy Fiber chỉ hoạt động tối đa đến 15.000 giờ và phải được thay thế sau đó

Máy thích hợp ứng dụng trên các vật liệu như: kim loại, sơn tĩnh điện, gốm

sứ, kim loại xi mạ

Máy khắc laser YAG và máy khắc laser thể rắn là những công nghệ cũ trước đây, hiện giờ đã lạc hậu Nó có kích thước và trọng lượng lớn, tiêu thụ nhiều điện năng Ngày nay, chúng đã được thay thế bằng máy CO2, UV, FIBER

và GREEN (3D)

➢ Một loại máy khắc Laser phổ biến trong việc sử dụng cho mục dích học tập, nghiên cứu và làm quen với máy khắc Laser đó là Laser Diode với giá thành phải chăng, kích thước nhỏ gọn, sử dụng được cho việc khắc số lượng lớn trên

19

các loại vật liệu phi kim Vì vậy nhóm chúng em sử dụng Laser Diode trong việc nghiên cứu đề tài “Máy khắc Laser có kiểu trục xoay”

2.2 Hệ thống chấp hành

2.2.1 Đầu khắc Laser diode

Diode laser là một thiết bị bán dẫn tương tự điốt ánh sáng (LED) Điốt dùng mối nối PN phát ra ánh sáng kết hợp tất cả sóng cùng tần số và pha Lý do lựa chọn đầu khắc Diode Laser do có giá thành rẻ cùng với kích thước nhỏ gọn

dễ sử dụng phù hợp với mô hình của nhóm

Diode laser có bước sóng khác nhau và dao động từ 405nm – 808nm Thường sẽ sử dụng ở bước sóng 450nm (Laser xanh) Ánh sáng kết hợp được tạo ra sẽ đi qua một quá trình khuếch đại ánh sáng hoặc còn gọi là kích thích bức

xạ Viết tắt là LASER

Vì mối nối PN sử dụng để sản xuất ánh sáng laser nên có tên là laser diode

Công nghệ khắc laser diode là công nghệ phổ thông nhất Với giá thành rẻ, tốc

độ chậm, phổ biến dành cho các loại máy khắc laser mini, máy khắc CNC mini

Hình 2.4: Đầu khắc LASER Diode

20

Hình 2.5 :Mạch điều khiển đầu khắc LASER Diode

Các thông số kỹ thuật:

- Bước sóng laser: 445nm (màu xanh tím)

- Công suất đầu khắc laser: 500mW – 5500mW

- Chế độ điều khiển: ACC liên tục dòng ổn định

a) Nguyên lý hoạt động của Laser Diode

Diode laser sẽ hoạt động dựa theo 3 bước chính sau đây:

▪ Bước 1: Hấp thụ năng lượng

Diode laser gồm một điểm nối PN là nơi có lỗ trống và chứa electron Khi có điện áp nhất định vào mối nối PN Các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang mức năng lượng cao hơn

Lỗ trống được hình thành tại vị trí ban đầu của electron bị kích thích Các electron ở trạng thái năng lượng cao khi lắp vào lỗ trống sẽ cần thời gian nhỏ Gọi là thời gian tái tổ hợp hoặc thời gian sống ở trạng thái năng lượng cao Thời gian tái hợp là khoảng 1 nano giây với hầu hết các diode laser

▪ Bước 2: Tự phát xạ

Sau thời gian kích thích ở trạng thái năng lượng cao, electron lấp vào các lỗ trống Lúc này electron chuyển từ năng lượng cao xuống mức thấp hơn

21

Năng lượng chênh lệch tạo thành các bức xạ điện tử hay thành photon Đây

là nguyên lý để tạo ánh sáng trong công nghệ khắc laser diode Năng lượng này phát ra bởi sự chênh lệch giữa 2 mức năng lượng

▪ Bước 3: Khắc laser diode bằng khuếch đại phát xạ

Để ánh sáng mạnh cần nhiều photon hơn Bởi vì các photon phát ra từ quá trình tự phát xạ rất ít Do đó gương phản chiếu 1 phần được lắp đặt 2 bên diode Các photon sẽ bị gương phản xạ lại nơi mang PN đến khi chuyển về mức năng lượng cao

Photon phản xạ kích thích electron đang ở mức năng lượng cao khác Từ đó giải phóng càng nhiều photon cùng pha với photon ban đầu và khuếch đại lên ở đầu ra Khi cường độ vượt quá ngưỡng sẽ thoát ra khỏi gương phản xạ 1 phần Tạo nên ánh sáng đơn sắc

Hình 2.6: Cách hoạt động của diode laser

b) Ưu điểm khi sử dụng khắc Laser Diode

Ưu điểm chính khi khắc laser diode là khả năng tạo ra nguồn laser nhỏ, nặng không quá 200g Chính vì vậy có thể dễ dàng áp dụng các máy in 3D hay máy CNC biến thành máy khắc laser Ưu điểm tuyệt vời của diode laser là chỉ cần nguồn cấp 12VDC, 7- 8A để hoạt động Do đó nó trở thành công cụ khắc tuyệt vời cho người đam mê sáng tạo Người muốn bắt đầu sự nghiệp với lĩnh vực điêu khắc quà tặng

Laser diode có bước sóng dài để khắc các vật liệu phi kim hiệu quả Còn được gọi là laser sợi quang

Hình 2.7: Động cơ bước (Step motor)

- Sử dụng rất nhiều cho máy in 3D, khắc laser, cơ cấu máy, robot

- Động cơ bước chất lượng

23

Cấu tạo và thông số kích thước

Hình 2.8: Các bộ phận cấu tạo nên động cơ bước

Hình 2.9: Kích thước kỹ thuật động cơ bước

24

2.2.3 Đồ gá

Mâm cặp là đồ gá thông dụng phổ biến cho các vật liệu gia công hình trụ tròn Tùy theo đối tượng gia công mâm cặp được cấu tạo có loại hai, ba, bốn chấu Mâm cặp hai chấu, ba chấu thường là tự định tâm Trừ trường hợp đặc biệt, còn thông thường mâm cặp bốn chấu không có tính định tâm

Vì mâm cặp quay cùng chi tiết, có khi với tốc độ rất cao, nên người ta thường chọn kết cấu của mâm cặp có dạng tròn xoay, đối xứng, đảm bảo lắp ghép chắc chắn với trục chính, có cơ cấu kẹp vững vàng và tính định tâm ổn định để đạt yêu cầu về cân bằng động

Mâm cặp 4 chấu được sử dụng nhiều trong các mô hình máy tiện CNC, máy khắc laser mini, máy cắt Plasma Được làm bằng vật liệu chất lượng cao, chống mài mòn, mạnh mẽ và bền Thiết kế 4 hàm, kích thước nhỏ gọn, dễ sử dụng Nó có một phạm vi kẹp lớn Mâm cặp 4 hàm chất lượng cao đã được ứng dụng rộng rãi Chủ yếu được sử dụng cho máy tiện kim loại mini

Hình 2.10: Mâm cặp 4 chấu

Thông số kỹ thuật

- Chất liệu: Hợp kim kẽm

25

- Wright: 180g / 6.3oz

- Loại mâm cặp: Mâm cặp 4 hàm

- Đường kính ngoài: 12-65mm / 0,5-2,6 inch

- Đường kính trong: 1,8-56mm / 0,1-2,2 inch

Mâm cặp 4 chấu sẽ được điều khiển thông qua động cơ bước

2.3 Hệ thống điện, điện tử

2.3.1 Nguồn điện

Nguồn adapter 12V 5A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều 12Volt được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 110/220VAC thành nguồn một chiều 12VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động Nguồn adapter 12V 5A sử dụng cấp nguồn cho camera, hdd box và nhiều thiết bị, linh kiện điện tử khác…

Hình 2.11: Nguồn tổ ong

Thông số kỹ thuật

- Điện áp đầu vào: AC100-240V 50 / 60HZ

- Công suất: 50W

- Điện áp đầu ra: DC12V

- Dòng đầu ra tối đa: 5A

26

qua điều khiển PWM biến tần bằng tay hoặc ta điều khiển gián tiếp thông qua phần mềm điều khiển bằng chân kết nối TTL Module này cũng dùng để cung cấp điện áp hoạt động cho đầu khắc Laser với đầu vào 12V/24V đồng thời kiêm luôn bảo vệ mạch nếu xảy ra quá tải điện áp

Hình 2.12: Module điều khiển Laser

Các tính năng:

Điện áp đầu vào: Tương Thích với 12V và 24V DC đầu vào Có thể điều chỉnh dòng điện: Bên ngoài 5V PWM Điện áp tín hiệu, tín hiệu chu kỳ nhiệm vụ xác định dòng điện đầu ra, 0-3.5A tương ứng với một chu kỳ nhiệm vụ từ 0-100%

Tín hiệu PWM: biến tần 100HZ-30KHZ

27

Bảo vệ quá nhiệt: Điều chỉnh nhiệt độ hiện tại, khi Lõi nhiệt độ đầu khắc đạt khoảng 135 ℃, nó sẽ tự động giảm dòng điện ra Ngăn ngừa mạch từ bị cháy

do quá mức nhiệt độ

Bảo vệ quá dòng: Bất Thường quá dòng xảy ra, và dòng điện trong mạch

là nhanh chóng giảm đến một mức độ an toàn, qua đó bảo vệ mạch điện và tải trọng

2.3.3 Mạch Arduino CNC Shield V4

Mạch điều khiển trung tâm được xem như là trái tim của mỗi loại máy móc

sử dụng hệ thống điều khiển điện tử, Nhóm lựa chọn sử dụng mạch Arduino CNC Shield V4 làm mạch điều khiển trung tâm vì mạch có thể điều khiển cùng một lúc nhiều động cơ bước đồng thời có thể gắn thêm công tắc hành trình cho các trục di chuyển

Arduino cơ bản là một nền tảng tạo mẫu mở về điện tử (open-source electronics prototyping platform) được tạo thành từ phần cứng lẫn phần mềm

Về mặt kĩ thuật có thể coi Arduino là 1 bộ điều khiển logic có thể lập trình được Đơn giản hơn, Arduino là một thiết bị có thể tương tác với ngoại cảnh thông qua các cảm biến và hành vi được lập trình sẵn Với thiết bị này, việc lắp ráp và điều khiển các thiết bị điện tử sẽ dễ dàng hơn bao giờ hết Một điều không hề dễ dàng cho những ai đam mê công nghệ và điều khiển học nhưng là người không có nhiều thời gian để tìm hiểu sâu hơn về về kĩ thuật lập trình và cơ điện tử

Hiện tại có rất nhiều loại vi điều khiển và đa số được lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ hoặc Assembly nên rất khó khăn cho những người có ít kiến thức sâu về điện tử và lập trình Do vậy Arduino được phát triển nhằm đơn giản hóa việc thiết kế, lắp ráp linh kiện điện tử cũng như lập trình trên vi xử lí và mọi người có thể tiếp cận dễ dàng hơn với thiết bị điện tử mà không cần nhiều về kiến thức điện tử và thời gian Sau đây là nhưng thế mạnh của Arduino so với các nền tảng vi điều khiển khác:

• Chạy được trên đa dạng nền tảng

• Ngôn ngữ lập trình đơn giản dễ hiểu

28

• Mã nguồn mở: Arduino được phát triển dựa trên nguồn mở nên phần mềm chạy trên Arduino được chia sẻ dễ dàng và tích hợp vào các nền tảng khác nhau

• Mở rộng phần cứng: Arduino được thiết kế và sử dụng theo dạng module nên việc mở rộng phần cứng cũng dễ dàng hơn

• Đơn giản và nhanh: Rất dễ dàng lắp ráp, lập trình và sử dụng thiết bị

Arduino được chọn làm bộ não xử lý của rất nhiều thiết bị từ đơn giản đến phức tạp Trong số đó có một vài ứng dụng thực sự chứng tỏ khả năng vượt trội của Arduino do chúng có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ rất phức tạp Sau đây là danh sách một số ứng dụng nổi bật của Arduino như trong công nghệ in 3D, robot dò đường theo hướng có nguồn nhiệt, tạo một thiết bị nhấp nháy theo

âm thanh và đèn laser hay là một thiết bị báo cho khách hàng biết khi nào bánh

mì ra lò

Mạch Arduino CNC Shield V4 được thiết kế dựa trên sự kết hợp giữa vi điều khiển Arduino Nano và module A4988, DRV8825, được sử dụng chuyên dùng cho các hệ máy CNC mini, khắc laser mini, máy in 3D …

Hình 2.13: Mạch Arduino CNC Shield V4

Thông số kỹ thuật

- Điện áp: 7-12VDC thông qua jack DC 5.5mm

- Điện áp 5V qua các chân hỗ trợ

- Hỗ trợ: 3 trục (X, Z, Y)

- Tương thích với Driver điều khiển động cơ bước: A4988 hoặc DRV8825

29

- Dòng tải động cơ: 2A (A4988) hoặc 2.5A (DRV8825)

- Được thiết kế với các chân cắm mở rộng, có thể kết nối với các module khác như module công tắc hành trình

- Hỗ trợ kết nối I2C tương thích với các module LCD khác

- Tương thích với Arduino Nano R3

- Phần mềm hồ trợ: GRBL

Sơ đồ chân kết nối

Hình 2.14 : Sơ đồ chân Arduino Shield CNC

2.4 Hệ thống điều khiển

2.4.1 Phần mềm điều khiển GRBL

GRBL là một phần mềm mã nguồn mở hoặc chương trình có thể kích hoạt điều khiển các chuyển động của máy khắc Laser, máy CNC Chúng ta có thể cài đặt dễ dàng cài đặt chương trình GRBL cho Arduino shield CNC và vì thế chúng ta có thể có ngay một bộ điều khiển với giá thành rẻ và hiệu suất cao

30

GRBL sử dụng G-code làm tín hiệu vào, và tín hiệu ra dùng để điều khiển chuyển động thông qua Arduino Đây là một chương trình Arduino cần cài đặt giúp nó có thể điều khiển động cơ bước của máy khắc Laser Nói một cách khác thì vai trò của chương trình GRBL là chuyển đổi G-code thành chuyển động của động cơ

Hình 2.15: Minh họa về điều khiển GRBL

Khi đã tải lên GRBL cho Arduino thì chúng sẽ biết đọc được G-code và làm cách nào để điều khiển máy khắc Laser dựa theo nó Tuy nhiên, để gửi G-code cho Arduino chúng ta cần phải có một chương trình điều khiển để Arduino biết phải làm gì Trong trường hợp này chúng ta sẽ sử dụng Univarsal G-code Sender Khi sử dụng phần mềm UGS sẽ hỗ trợ trong việc thiết lập thông số cho các động cơ bước một cách dễ dàng như chọn chiều quay cho động cơ, thông số

vi bước, tốc độ, công tắc hành trình các trục UGS cũng hỗ trợ người sử dụng trong việc tính toán các thông số cần thiết để thiết lập máy khắc Laser hoạt động một cách hiệu quả và chính xác

Nhờ vào chương trình GRBL và Arduino, chúng ta có thể dễ dàng cài đặt

và vận hành máy khắc Laser hoặc máy CNC thông qua G-code

2.4.2 Phần mềm tạo G-code LightBurn

Khắc, gia công các loại vật liệu thông qua việc sử dụng chùm ánh sáng laser hội tụ nghe có vẻ đơn giản dễ dàng, nhưng việc điều khiển laser theo một cách có kiểm soát đòi hỏi phải có sự hướng dẫn từ phần mềm điều khiển chuyên

31

dụng Đối với các bản thiết kế khắc laser, bạn cần phải làm việc với các tệp vectơ Chúng xác định đường, điểm và hình dạng để máy cắt laser tuân theo Phần mềm cắt laser phù hợp cho tất cả các ý tưởng của bạn qua đó tạo ra thành phẩm

Hiện nay những loại máy khắc laser đều được kết nối trực tiếp với các vi mạch và được máy tính điều khiển Các phần mềm máy tính chuyên dụng sẽ giúp người sử dụng điều khiển trực tiếp hệ thống máy khắc laser làm việc theo một lập trình có sẵn Từ đây, bạn có thể khắc hoa văn, họa tiết, hình ảnh, chữ, theo mọi yêu cầu của khách hàng Toàn bộ các file thiết kế đều được tạo dựng trên các phần mềm đồ họa nổi tiếng như: Photoshop, corel, autocad, …

Hình 2.16: Giao diện Phần mềm LIGHTBURN

Phần mềm điều khiển Lightburn là phần mềm bố trí, chỉnh sửa và điều khiển cho máy cắt laser của bạn Lightburn hỗ trợ hầu hết các bộ điều khiển dựa trên Ruida, Trocen, TopWisdom và GCode Các bộ điều khiển GCode được hỗ trợ, bao gồm Grbl, Smoothieware, Grbl-LPC và Marlin LightBurn là một phần mềm hiệu chỉnh và điều khiển trong một bộ chương trình Nó cho phép bạn nhập hầu hết tất cả các định dạng hình ảnh vector và đồ họa bitmap phổ biến Nhập tác phẩm nghệ thuật ở nhiều định dạng hình ảnh và đồ họa vector phổ biến (bao gồm AI, PDF, SVG, DXF, PLT, PNG, JPG, GIF, BMP) Sắp xếp,