Luận văn thiết kế mô hình máy khắc laser

Vì vậy, việc áp dụng thành tựu khoa học công nghệ vào sản xuất, sử dụng máy móc, thiết bị có năng suất cao, khả năng công nghệ đa dạng, áp dụng linh hoạt trong các hệ thống sản xuất khác

 NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY

KHẮC LASER

GVHD: LÊ NGUYÊN TRÌNH SVTH: TRƯƠNG HỒNG PHÚC NGUYỄN THANH TÂM

MSSV: DH11300984 DH11301096

LỚP: D13_CDT01

THÁNG 07 / 2018

Trong suốt thời gian học tập tại Trường Đại Học Công Nghệ Sài Gòn, chúng em luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình của quý Thầy, Cô trong Khoa

Cơ Khí để có những kiến thức làm và hoàn thành được Luận Văn Tốt Nghiệp

Nhất là thời gian làm Luận Văn Tốt Nghiệp vừa qua, mặc dù thời gian không nhiều, nhưng với sự hỗ trợ và hướng dẫn tận tình của Thầy Lê Nguyên Trình cho thấy được sự quan tâm và mong muốn chúng em áp dụng tốt những kỹ năng thực tế, sắp xếp những kiến thức trong thời gian học tập đã qua

Nhân dịp này chúng em thành thật chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu nhà trường cùng toàn thể quý Thầy, Cô trong Khoa Cơ Khí, đã tạo điều kiện tốt cho chúng em hoàn thành tốt đề tài Luận Văn Tốt Nghiệp này

Đặc biệt chúng em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến Thầy Lê Nguyên Trình, đã không ngại những khó khăn luôn đồng hành hỗ trợ thiết bị, thông tin, kiến thức và kinh nghiệm mà Thầy tích lũy được để chia sẻ từ giai đoạn đầu đến khi hoàn thành Luận Văn

Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn !

Tp.Hồ Chí Minh, Ngày……Tháng……Năm 2017

Sinh Viên Trương Hồng Phúc Nguyễn Thanh Tâm

Như chúng ta đã biết, ngành chế tạo máy là một trong những ngành

công nghiệp chủ yếu sản xuất ra máy móc và các công cụ, thiết bị quan trọng khác; là một trong số chỉ tiêu đánh giá sự tiến bộ khoa học kỹ thuật của một

quốc gia Đảng và Nhà nước ta cũng đã khẳng định ngành cơ khí chế tạo máy là một trong những ngành công nghiệp mũi nhọn trong quá trình công

nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Nâng cao hiệu quả sản xuất, hàm lượng công nghệ, khoa học trong mỗi sản phẩm là con đường chính để phát triển kinh tế đất nước trong những năm tới đây cũng như trong tương lai Vì vậy, việc áp dụng thành tựu khoa học công nghệ vào sản xuất, sử dụng máy móc, thiết bị có năng suất cao, khả năng công nghệ đa dạng, áp dụng linh hoạt trong các hệ thống sản xuất khác nhau cũng như áp dụng những phương pháp điều khiển hiện đại trong các dây chuyền tự động hóa là vấn đề quan trọng, cấp bách hiện nay để nước ta hướng đến một nền công nghiệp sản xuất tiên tiến, mức độ tự động hóa cao, cơ khí hóa cao, để trở thành nước công nghiệp phát triển theo hướng bền vững

Máy CNC (Computerized Numeric Control) ra đời là một trong những thành tựu khoa học, kỹ thuật của nhân loại và nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất Máy CNC đã góp phần không nhỏ vào việc giải quyết nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất Nó được ứng dụng rộng rãi từ hệ thống sản xuất hàng khối cho đến sản xuất đơn chiếc và các hệ thống sản xuất linh hoạt

Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam, việc nghiên cứu, chế tạo và áp dụng vào sản xuất các máy này gặp rất nhiều hạn chế Đa phần chỉ ở các doanh nghiệp chế tạo khuôn mẫu với quy mô sản xuất lớn và các trường Đại học, Cao Đẳng kỹ thuật mới sử dụng đến máy CNC

Máy khắc Laser tự động là một dạng của máy CNC, do đó chúng em cho ra đời máy khắc Laser tự động trong thời điểm này là hoàn toàn hợp lý Nó không những giúp em tìm tòi nghiên cứu, am hiểu và dần dần làm chủ kiến thức lĩnh vực này trong tương lai mà còn giúp sinh viên chuyên ngành cơ điện tử và các ngành có liên quan trong các trường Đại học, Cao đẳng có điều

kiện học tập, nghiên cứu và phát triển nó ngày càng hoàn thiện hơn Đây

chính là lý do em chọn đề tài Tốt nghiệp này

CHƯƠNG 01: TỔNG QUAN MÁY KHẮC LASER 1

1.1 GIỚI THIỆU MÁY KHẮC LASER 1

1.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1.2 ƯU KHUYẾT ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG 2

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI: 4

CHƯƠNG 02: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 CÔNG NGHỆ CNC 5

2.1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC 5

2.1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ 6

2.1.3 ĐẶC ĐIỂM VỀ CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG MÁY CNC 7

2.1.3.1 CẤU TRÚC MÁY CNC 7

2.1.3.2 CHỨC NĂNG MÁY CNC 8

2.1.3.3 ĐẶC ĐIỂM MÁY CNC 9

2.1.3.4 CÁC KIỂU MÁY CÔNG CỤ CNC 12

2.2 CÔNG NGHỆ LASER 13

2.2.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LASER 13

2.2.2 CẤU TẠO NGUỒN PHÁT LASER 15

2.2.3 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA NGUỒN PHÁT LASER 15

2.2.4 PHÂN LOẠI LASER 16

2.2.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA LASER 18

2.2.6 ỨNG DỤNG CỦA LASER 22

2.3 CÔNG NGHỆ NHUỘM MÀU THÉP 26

2.3.1 NGUYÊN LÝ NHUỘM MÀU THÉP 26

2.3.2 PHƯƠNG PHÁP NHUỘM MÀU THÉP BẰNG NHIỆT ĐỘ 26

2.3.3 ỨNG DỤNG NHUỘM MÀU THÉP BẰNG NHIỆT ĐỘ 28

CHƯƠNG 03: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 29

3.1 PHÂN TÍCH KẾT CẤU CƠ KHÍ 29

3.1.1 BỘ TRUYỀN ĐAI 29

3.1.2 BỘ TRUYỀN VÍT ME – ĐAI ỐC 32

3.1.3 HỆ THỐNG GƯƠNG PHẢN XẠ 34

3.2.2 ĐỘNG CƠ SERVO 37

3.3 PHÂN TÍCH MỘT SỐ LOẠI MÁY LASER 39

3.4 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 43

3.4.1 ĐIỀU KHIỂN BẰNG VI ĐIỀU KHIỂN 43

3.4.2 ĐIỀU KHIỂN BẰNG PLC 44

3.4.3 ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH 46

3.5 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 48

3.5.1 LỰA CHỌN KẾT CẤU CƠ KHÍ 48

3.5.2 LỰA CHỌN PHẦN ĐỘNG LỰC 49

3.5.3 LỰA CHỌN NGUỒN PHÁT LASER 49

3.5.4 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH 50

CHƯƠNG 04: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ 52

4.1 GIỚI THIỆU BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ME ĐAI ỐC BI 52

4.2 TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ME ĐAI ỐC BI 53

4.2.1 TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ME ĐAI ỐC BI TRỤC X 53

4.2.2 TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ME ĐAI ỐC BI TRỤC Y 56

4.2.3 TÍNH CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG VÍT-ME ĐAI ỐC BI TRỤC Z 58

CHƯƠNG 05: TÍNH TOÁN PHẦN ĐỘNG LỰC 61

5.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE 61

5.1.1 CẤU TẠO ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE 61

5.1.2 ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE 62

5.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE 64

5.2.1 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE TRỤC X 64

5.2.2 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE TRỤC Y 65

5.2.3 TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHASE TRỤC Z 66

CHƯƠNG 06: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 67

6.1 MẠCH ĐIỀU KHIỂN 67

6.1.1 MẠCH GIAO TIẾP MACH3 CNC LPT 67

6.1.2 BOARD ARDUINO UNO R3 70

6.1.3 CẢM BIẾN SIÊU ÂM 73

6.1.4 DRIVER STEP MOTOR TB6560 76

6.2 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 78

6.2.1.2 CÁCH XUẤT G-CODE TỪ MASTERCAM X5 79

6.2.2 PHẦN MỀM MACH3 82

6.2.2.1 CẤU HÌNH MÁY TÍNH ĐỂ CHẠY PHẦN MỀM MACH3 83

6.2.2.2 KHẢ NĂNG ĐIỀU KHIỂN CỦA PHẦN MỀM MACH3 84

CHƯƠNG 07: KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER 86

7.1 THÍ NGHIỆM TẠO MÀU TRÊN THÉP BẰNG NHIỆT ĐỘ 86

7.2 MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER 88

7.2.1 ĐẶC ĐIỂM MÁY KHẮC LASER 88

7.2.2 CHỨC NĂNG MÁY KHẮC LASER 88

7.3 SẢN PHẨM GIA CÔNG THÍ NGHIỆM 89

7.3.1 GIA CÔNG TRÊN VẬT LIỆU PHI KIM 89

7.3.2 GIA CÔNG TRÊN VẬT LIỆU KIM LOẠI 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 95

DANH MỤC HÌNH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY KHẮC LASER

Hình 1.1: Khắc laser trên ốp lưng điện thoại 2

Hình 1.2: Khắc laser trên vỏ hộp quẹt 3

Hình 1.3: Khắc laser trên gỗ 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1: Dạng điều khiển theo điểm và dạng điều khiển theo đường 6

Hình 2.2: Cấu trúc máy CNC 7

Hình 2.3: Máy công cụ CNC 12

Hình 2.4: Sơ đồ mô tả quá trình hấp thụ và bức xạ 14

Hình 2.5: Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của nguồn laser 15

Hình 2.6: Khoảng thời gian bức xạ của một số loại laser 19

Hình 2.7: Sơ đồ phân bố các loại sóng bức xạ của một số laser 20

Hình 2.8: Sơ đồ mật độ tập trung các nguồn nhiệt 20

Hình 2.9: Ứng dụng của laser vào đầu DVD 22

Hình 2.10: Một số ứng dụng hàn laser trong công nghệ hàn 23

Hình 2.11: Máy đo khoảng cách bằng laser 24

Hình 2.12: Ứng dụng trong y học 25

Hình 2.13: Bề mặt thép chuyển màu với các nhiệt độ khác nhau 26

Hình 2.14: Bảng màu bề mặt thép theo nhiệt độ 27

Hình 2.15: Ốc bảy màu 28

Hình 2.16: Dùng nhiệt gia công cổ pô 28

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ. Hình 3.1: Sơ đồ truyền động đai 29

Hình 3.2: Các dạng đai 30

Hình 3.3: Ứng dụng bộ truyền đai răng vào máy khắc laser 31

Hình 3.4: Các biên dạng ren trong bộ truyền vít me-đai ốc trượt 32

Hình 3.5: Bộ truyền vít me-đai ốc lăn 32

Hình 3.6: Ứng dụng vào máy phay cnc 33

Hình 3.7: Công nghệ quét chùm tia galvo 34

Hình 3.8: Cấu tạo động cơ bước điển hình 35

Hình 3.9: Ứng dụng động cơ bước vào CNC mini 37

Hình 3.10: Động cơ servo 38

Hình 3.11: Máy khắc laser CO2 39

Hình 3.12: Máy khắc laser Fiber 40

Hình 3.13: Đầu phát laser tinh thể 15W 42

Hình 3.16: Mô hình thiết kế 50

Hình 3.17:Sơ đồ khối máy khắc laser 51

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ. Hình 4.1: Bộ truyền vít-me đai ốc bi 52

Hình 4.2: Bản thông số vít-me RCP2-SA5-12-350 55

Hình 4.3: Trục vít-me đai ốc bi RCP2-SA5-12-350 55

Hình 4.4: Bảng thông số vít-me CKR33 57

Hình 4.5: Trục vít-me đai ốc bi CKR3310A-400L-JFS 58

Hình 4.6: Bản thông số vít-me RCP2-SA5-6-50 60

Hình 4.7: Trục vít-me đai ốc bi RCP2-SA5-6-50 60

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN PHẦN ĐỘNG LỰC. Hình 5.1: Cấu tạo động cơ bước 2 phase 62

Hình 5.2: Các bước điều khiển động cơ bước 2 phase 62

CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN. Hình 6.1: Mạch BOB MACH3 CNC LPT 68

Hình 6.2: Các kết nối BOB MACH3 CNC 69

Hình 6.3: Arduino UNO R3 70

Hình 6.4: Vi điều khiển Atmega328 71

Hình 6.5: Các cổng vào/ra trên Arduino Board 72

Hình 6.6: Cảm biến siêu âm SR04 74

Hình 6.7: Kết nối cảm biến siêu âm với Arduino 75

Hình 6.8: Sơ đồ khối chức năng Module TB6560 76

Hình 6.9: Sơ đồ ghép nối mạch điều khiển TB6560 77

Hình 6.10: Đường chạy dao gia công Contour 79

Hình 6.11: Cách chọn loại dao gia công 81

Hình 6.12: Chạy mô phỏng gia công chi tiết 81

Hình 6.13: Xuất file G-Code 82

Hình 6.14: Hệ thống điều khiển máy CNC 83

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER. Hình 7.1: Dùng bếp ga để nhuộm màu 86

Hình 7.2: Dùng đèn khò để nhuộm màu 87

Hình 7.3: Mô hình máy khắc laser 88

Hình 7.4: Khắc trên gỗ 89

Hình 7.5: Khắc vào ốp lưng điện thoại 89

Hình 7.6: Khắc trên bề mặt thép hợp kim 90

Hình 7.7: Bảng màu đạt được 91

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bảng 2.1: So sánh chức năng cơ bản giữa máy công cụ truyền thống, máy công cụ NC và máy công cụ CNC 8 Bảng 2.2 Các thông số đặc trưng của một số loại laser 18

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ.

Bảng 3.1 Ưu điểm của truyền động vít me-đai ốc bi 48 Bảng 3.2 Bảng so sánh động cơ Bước và động cơ Servo 49

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ.

Bảng 4.1: Cơ tính một số mác thép chế tạo chi tiết máy có ren 53 Bảng 4.2: Hệ số an toàn [𝑆𝑐ℎ ] khi lực xiết không được kiểm tra 53

CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.

Bảng 6.1: Một số phương pháp liên kết đối tượng 80

CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER.

Bảng 7.1: Các thông số kỹ thuật trên phần mềm Mach3 92

CHƯƠNG 01

TỔNG QUAN MÁY KHẮC LASER

1.1 GIỚI THIỆU MÁY KHẮC LASER

1.1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, thế giới cũng vừa trải qua cuộc khủng hoảng kinh tế trầm trọng đã gây ảnh hưởng không nhỏ đến nền công nghiệp toàn cầu Chính vì thế, việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, giá thành thấp ngày càng trở nên cấp thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển Thị trường ngày càng xuất hiện nhiều chủng loại và mẫu mã hàng hóa, thay đổi thường xuyên Để giải quyết những yêu cầu về sự đa dạng này thì giải pháp máy CNC là phù hợp

Ở Việt Nam, máy CNC đã được đưa vào sử dụng ở các xí nghiệp dân sự và quốc phòng nhưng chưa phổ biến Gần đây, phong trào chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang được nhiều Ta sinh viên cũng như kỹ sư quan tâm Tuy nhiên vẫn còn gặp rất nhiều hạn chế

Cùng với, công nghệ khắc Laser tạo màu trên kim loại là phương pháp nung nóng và làm biến dạng kim loại để tạo vết khắc sâu tùy vào mục đích sử dụng Các thông tin, ký tự được khắc bằng công nghệ Laser thường có độ tương phản cao, dễ đọc, bền, ít bị mòn và hư hỏng qua nhiều năm sử dụng

Do đó, để cập nhật được kiến thức về máy CNC và công nghệ khắc Laser đồng thời giúp cho các sinh viên hiểu nhiều hơn về máy CNC nói

chung, máy khắc Laser nói riêng Đó chính là lý do ra đời của đề tài “Thiết kế

mô hình máy khắc Laser tự động và tạo màu kim loại”

Sự hiện đại của ngành công nghiệp trên thế giới dẫn đến nhu cầu gia công cắt Laser càng phổ biến hơn Hệ thống cắt, khắc Laser thay thế hầu hết những phương pháp cắt thủ công Máy Laser có thể gia công cắt Laser được trên hầu hết các loại vật liệu từ kim loại đến phi kim Đặc biệt, giúp ích cho hoạt động sản xuất con người

1.1.2 ƯU KHUYẾT ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG

- Giá thành rất cao

- Bảo trì khá phức tạp, gia công bằng tia Laser khá nguy hiểm, gây khó khăn trong quá trình gia công

- Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

- Khắc mã vạch, mã 2D, logo, số lô, số seri, thông tin sản phẩm, trang

trí,

- Khắc trên các kim loại có khả năng tạo màu

Hình 1.1: Khắc laser trên ốp lưng điện thoại

Hình 1.2: Khắc laser trên vỏ hộp quẹt

Hình 1.3: Khắc laser trên gỗ

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI:

Từ những vấn đề và những ứng dụng về máy khắc Laser đã nêu ra như trên, chúng em quyết định lên phương án thiết kế chế tạo mô hình máy khắc Laser để phục vụ cho việc học tập, nghiên cứu và bài báo cáo luận văn tốt nghiêp Nhóm chúng em và cùng với giáo viên hướng dẫn đã đặt ra các mục tiêu của đề tài này như sau:

- Tìm hiểu về công nghệ CNC

- Tìm hiểu về công nghệ khắc Laser tạo màu trên bề mặt kim loại

- Tìm hiểu phần mềm gia công CNC: MACH3 CNC, MASTERCAM X5

- Xây dựng mô hình máy khắc Laser gia công các sản phẩm: vỏ hộp

quẹt, vỏ điện thoại, đồ trang trí bằng gỗ,…

 Bố cục đề tài được chia làm 7 phần như sau:

- CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÁY KHẮC LASER

- CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

- CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ

- CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN PHẦN ĐỘNG LỰC

- CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

- CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER

CHƯƠNG 02

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 CÔNG NGHỆ CNC

2.1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC

Theo tài liệu tham khảo [1] trang 5 Ý tưởng về điều khiển máy bằng các lệnh nhớ ở các máy CNC đã xuất hiện từ thế kỷ XIV, nó được phát triển và hoàn thiện dần cho đến ngày nay, với một số mốc lịch sử như sau:

Năm 1808 Toseph và M.Jacquard đã dùng bìa tôn lỗ để điều khiển các máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin)

Năm 1930 Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MIT (Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân

Năm 1946 tiến sĩ John W.Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ

Năm 1954 Bendix đã mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử

Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT

Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng

Năm 1960, kỹ thuật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung Rowle, đèn điện tử

Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer)

Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn Năm 1972, hệ điều khiển NC (numerical control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ

Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM – CNC

Ngày nay, các máy công cụ CNC (computer numerical control – trung tâm điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính) đã hoàn thiện hơn với tính năng vượt trội có thể gia công hoàn chỉnh chi tiết trên một máy gia công có số lần gá đặt ít nhất Đặc biệt, chúng có thể gia công các chi tiết có bề mặt phức tạp

2.1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ

Khi gia công trên máy công cụ thông thường, các bước gia công chi tiết

do người thợ thực hiện bằng tay như: điều khiển số vòng quay, lượng chạy dao, kiểm tra vị trí dụng cụ cắt để đạt được kích thước cần gia công trên bản vẽ

Ngược lại, trên máy điều khiển số thì quá trình gia công thực hiện một cách tự động Trước khi gia công người ta phải đưa vào hệ thống điều khiển một chương trình gia công dưới dạng một chuỗi các câu lệnh điều khiển Hệ thống điều khiển số có khả năng thực hiện các lệnh điều khiển này và kiểm tra chúng nhờ một hệ thống đo lượng dịch chuyển bàn trượt của máy

Điều khiển số NC được Hiệp hội Công nghiệp điện tử (EIA) của Mỹ định nghĩa: “Một hệ thống trong đó các hoạt động được điều khiển bởi dữ liệu số được đưa trực tiếp vào từ một điểm nào đó Hệ thống đó phải tự động biên dịch tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này”

Dữ liệu cần thiết để tạo ra một chi tiết gọi là một chương trình chi tiết (part program)

Máy công cụ điều khiển theo chương trình số gọi là máy công cụ NC và máy công cụ CNC

Khi gia cơng các chi tiết khác nhau thì các bề mặt tạo hình khác nhau địi hỏi sự chuyển động khác nhau giữa dao và chi tiết Quỹ đạo của các chuyển động này được xác định chính xác thơng qua các chỉ dẫn điều khiển Tùy dạng chuyển động của điểm đầu, điểm cuối và đường dịch chuyển mà ta cĩ các dạng điều khiển khác nhau Các dạng điều khiển đĩ được phân ra thành: điều khiển điểm, điều khiển đoạn hay đường thẳng và điều khiển biên dạng phi tuyến

Hình 2.1: Dạng điều khiển theo điểm và dạng điều khiển theo đường

2.1.3 ĐẶC ĐIỂM VỀ CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG MÁY CNC

2.1.3.1 CẤU TRÚC MÁY CNC

Cấu tạo máy công cụ CNC về cơ bản giống máy công cụ truyền thống Sự khác nhau ở chỗ các thiết bị liên quan tới quá trình gia công được điều khiển bởi máy tính

Hệ thống CNC gồm 6 phần:

Hình 2.2: Cấu trúc máy CNC

Hướng chuyển động các thiết bị của máy được xác định theo hệ tọa độ tham chiếu, chiếu phôi cần gia công vào các trục tọa độ nằm song song với phương chuyển động cơ bản Các chuyển động cần thiết đối với từng thành phần của kết cấu (bàn máy, đầu mang dao…) được tính toán, điều khiển và kiểm tra bằng một máy tính Vì lý do này mà mỗi phương gia công cần có một hệ thống đo lường độc lập để xác định các vị trí tương ứng của toàn hệ thống dịch chuyển và phản hồi thông tin này lại cho bộ điều khiển

2.1.3.2 CHỨC NĂNG MÁY CNC

Dưới đây là bảng 2.1 :

Bảng 2.1: So sánh chức năng cơ bản giữa máy công cụ truyền thống, máy công cụ NC và máy công cụ CNC

Máy công cụ truyền

thống

Đầu vào:

Đòi hỏi phải điều

chỉnh bằng tay theo

bản vẽ, gá phôi và

dao cắt tương ứng

Đầu vào:

Chương trình NC được đưa tới bộ điều khiển thông qua băng đục lỗ

Đầu vào:

Các chương trình NC có thể được nhập vào bằng bàn phím, đĩa từ hoặc cáp truyền Bộ điều khiển lưu trữ chương trình NC trong bộ nhớ trên đĩa cứng

Điều khiển bằng tay:

Người thợ đặt các

thông số gia công (số

vòng quay, chiều sâu

cắt…) bằng tay

Điều khiển NC:

Bộ điều khiển NC xử lý các thông tin về đường chạy dao và lượng dư rồi truyền các tín hiệu đến máy

Điều khiển CNC:

Các chức năng điều khiển do máy vi tính tích hợp trong bộ điều khiển CNC và phần mềm tương ứng đảm nhận Bộ nhớ trong được dùng để chứa các chương trình, chương trình con, dữ liệu máy, dao cắt và bù dao, các chu trình gia công Phần mềm giám sát sai số cũng được tích hợp trong bộ điều khiển

Điều khiển kích

thước:

Người thợ phải đo và

kiểm tra kích thước

bằng dụng cụ cầm

tay và nếu cần thiết

phải lặp lại quá trình

gia công

Điều khiển kích thước:

Máy NC đảm bảo sự ổn định kích thước trong quá trình gia công bằng những thông tin phản hồi liên tục từ hệ thống đo là các động cơ servo

Điều khiển kích thước:

Máy CNC đảm bảo sự ổn định kích thước trong quá trình gia công bằng những thông tin phản hồi liên tục từ hệ thống đo và các động cơ servo được điều khiển bằng số vòng quay Các servo đo lường giám sát và điều khiển kích thước ngay trong quá trình gia công

2.1.3.3 ĐẶC ĐIỂM MÁY CNC

Những ưu điểm của máy công cụ CNC so với máy công cụ truyền thống:

 Giảm thời gian xác lập máy

Trong nhiều trường hợp, thời gian xác lập máy CNC có thể giảm, đôi khi rất đáng kể Điều quan trọng cần biết là sự xác lập máy chủ yếu bằng tay, phụ thuộc phần lớn tay nghề của người vận hành CNC, định vị, và thực tiễn tại xưởng cơ khí Thời gian xác lập máy không thực sự quan trọng trong sản xuất nhưng cần thiết, là một phần trong chi phí tổng thể Để duy trì thời gian xác lập máy ở mức tối thiểu, cần có các khảo sát và nghiên cứu của quản đốc xưởng, nhà lập trình và công nhân vận hành

Do thiết kế của máy CNC, thời gian xác lập máy không phải vấn đề chính Sự định vị theo module, chuẩn hóa dụng cụ cắt, đồ gá chuyên dùng, thay dao tự động, và các tính năng tiên tiến khác, đều làm cho thời gian xác lập máy trở nên hiệu quả hơn so với máy công cụ cổ điển Với kiến thức về sản xuất hiện đại, năng suất lao động có thể tăng rõ rệt

Số lượng chi tiết gia công trong một lần xác lập máy cũng rất quan trọng, chủ yếu để giảm chi phí và thời gian xác lập máy Nếu nhiều chi tiết được gia công trong một lần xác lập máy, chi phí xác lập chi tiết sẽ hầu như không đáng kể Sự giảm tương tự cũng có thể đạt được bằng cách chia nhóm các nguyên công khác nhau theo từng xác lập máy Thậm chí nếu thời gian xác lập dài hơn, vẫn có thể được xét đến khi so với thời gian cần thiết để xác lập các máy công cụ cổ điển

Khi chương trình gia công chi tiết được viết và được chứng minh, ta có thể sử dụng lại trong tương lai Dù thời gian chuẩn cho lần gia công đầu tiên thường dài hơn nhưng hoàn toàn không đáng kể trong lần gia công thứ hai Kể cả nếu thay đổi kỹ thuật của chi tiết đòi hỏi chỉnh sửa chương trình cũng chỉ cần thời gian ngắn, do đó giảm thời gian chuẩn bị

Thời gian chuẩn bị dài, cần thiết để thiết kế và chế tạo đồ gá cho máy cổ điển, thường giảm rõ rệt bằng cách chuẩn bị chương trình (phần mềm) gia công chi tiết và sử dụng đồ gá đơn giản

 Độ chính xác và tính lặp lại

Tính lặp lại và độ chính xác cao của các máy CNC hiện đại là lợi ích cơ bản đối với người dùng Dù chương trình được lưu trên đĩa, trong bộ nhớ máy tính hay trên băng từ (phương pháp ban đầu), chương trình đó vẫn không thay đổi Chương trình bất kỳ đều có thể chỉnh sửa theo ý muốn, nhưng một khi đã được chứng minh, thường không cần thay đổi Chương trình có thể tái sử dụng với số lần tùy ý mà không bị mất dữ liệu Trong thực tế, chương trình cho phép các yếu tố có thể thay đổi, chẳng hạn sự mịn dao, nhiệt độ vận hành, luôn luôn có thể lưu một cách an toàn, nói chung chỉ cần sự can thiệp rất ít của người lập trình hoặc vận hành CNC Độ chính xác cao của máy CNC và tính lặp lại của chúng cho phép chế tạo các chi tiết chất lượng cao rất ổn định theo thời gian

Máy tiện CNC và trung tâm gia công có khả năng tạo biên dạng các hình phức tạp Nhiều người dùng CNC mua máy chỉ để có khả năng gia công các chi tiết phức tạp Các ví dụ là sự áp dụng CNC trong công nghiệp hàng không và xe hơi Việc sử dụng lập trình máy tính hầu như là bắt buộc đối với thế hệ dụng cụ cắt chuyển động trong không gian ba chiều

Các hình dạng phức tạp, chẳng hạn khuôn mẫu, có thể được gia công mà không cần tăng chi phí để chế tạo dưỡng mẫu hoặc đồ gá phức tạp Các chi tiết có độ bóng như gương có thể đạt được chỉ bằng động tác nhấn nút công tắc Sự lưu các chương trình đơn giản hơn nhiều so với việc bảo quản các đường mẫu, mô hình bằng gỗ, và các đồ gá mài dao cắt

 Đơn giản hoá dụng cụ và định vị chi tiết

Ta có thể loại bỏ các dụng cụ cắt phi tiêu chuẩn và các dao cắt “tự chế” dùng cho máy cổ điển bằng cách sử dụng các dụng cụ cắt tiêu chuẩn được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điều khiển số Các dụng cụ cắt nhiều bước, chẳng hạn mũi khoan dẫn hướng, mũi khoan bậc, dụng cụ cắt kết hợp, dao doa biên dạng…, đều được thay bằng các dụng cụ cắt tiêu chuẩn Các dụng cụ này thường rẻ hơn và dễ thay thế hơn so với các dụng cụ cắt đặc biệt và phi tiêu chuẩn Các biện pháp cắt giảm chi phí buộc các nhà dụng cụ cắt

phải giảm số sản phẩm dự trữ, tăng thời gian cung ứng cho khách hàng Dụng cụ cắt tiêu chuẩn thường được cung cấp nhanh hơn loại phi tiêu chuẩn

Đồ gá và định vị chi tiết trên máy CNC chỉ có một mục đích là giữ cho chi tiết cứng vững và cùng vị trí cho tất cả các chi tiết trong một loạt gia công Đồ gá được thiết kế để gia công chi tiết trên máy CNC thường rất đơn giản, không cần các lỗ dẫn hướng, lỗ hoặc thanh định vị

 Thời gian cắt gọt và năng suất

Thời gian cắt trên máy CNC, thường được gọi là thời gian chu kỳ, luôn luôn ổn định Khác với gia công thông thường, trong đó tay nghề, kinh nghiệm và sự mệt mỏi của công nhân thường ảnh hưởng đến chất lượng gia công, sự gia công CNC do máy tính điều khiển Công việc bằng tay rất ít, có lẽ chỉ gồm xác lập máy, cấp phôi và lấy chi tiết Đối với các loạt gia công lớn (gồm nhiều chi tiết cùng loại), chi phí về thời gian không sản xuất được chia đều cho nhiều chi tiết, do đó chi phí này hầu như không đáng kể Lợi ích cơ bản của thời gian cắt ổn định chủ yếu xuất phát từ các nguyên công lặp lại nhiều lần, trong đó lịch trình sản xuất và sự phân chia các chi tiết cho từng máy công cụ có thể được thực hiện rất chính xác

Lý do chính để các công ty đặt mua máy CNC là kinh tế, đây là đầu tư nghiêm túc, và tính cạnh tranh luôn thường trực trong đầu các nhà quản lý Công nghệ điều khiển số là phương tiện tuyệt vời để đạt được sự cải thiện rõ rệt về năng suất lao động và tăng chất lượng chung của các chi tiết gia công Tương tự các phương tiện khác, CNC cần được sử dụng một cách hợp lý với các kiến thức khoa học Khi công nghệ CNC được sử dụng ngày càng rộng rãi, CNC không còn ưu thế riêng của vài công ty lớn Công ty hướng về phía trước là công ty biết cách sử dụng công nghệ này một cách hiệu quả và ứng dụng trong sự cạnh tranh của nền kinh tế toàn cầu

Để đạt được mục đích tăng rõ rệt năng suất lao động, điều quan trọng là người dùng phải hiểu các nguyên lý cơ bản của công nghệ CNC Các nguyên lý này bao quát nhiều lĩnh vực, chẳng hạn mạch điện tử, sơ đồ bậc thang phức tạp, logic máy tính, điều khiển tự động, thiết kế máy, nguyên lý cắt gọt,…

2.1.3.4 CÁC KIỂU MÁY CÔNG CỤ CNC

Hiện nay có nhiều kiểu máy CNC, số lượng chủng loại máy CNC tăng nhanh cùng với sự phát triển của công nghệ tự động hóa, rất khó liệt kê tất cả các ứng dụng của chúng Các nhóm máy CNC bao gồm:

 Máy tiện và trung tâm tiện

 Máy gia công tia lửa điện

 Máy dập cắt

 Máy cắt bằng ngọn lửa

2.2 CÔNG NGHỆ LASER

2.2.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LASER

Theo tài liệu tham khảo [2]

LASER - nguồn năng lượng mới trong ngành gia công các loại vật liệu: Ngày nay, gia công kim loại bằng các chùm tia có nguồn nhiệt tập trung đã được sử dụng khá phổ biến Có thể liệt kê các phương pháp đó là : gia công bằng các chùm tia Plasma, gia công bằng tia lửa điện, gia công bằng chùm tia điện tử, gia công bằng chùm tia laser Trong đó gia công bằng chùm tia laser được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hiện đại Laser là nguồn sóng điện từ trường của bức xạ trong vùng cực tím (tử ngoại), trong vùng ánh sáng nhìn thấy được và vùng tia hồng ngoại Đặc trưng của các nguồn năng lượng này là mức độ đơn sắc và độ tập trung cao Chính vì thế mà mật độ nguồn nhiệt tại vùng gia công rất tập trung và rất cao

Từ những năm 1960 người ta đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng laser trong công nghệ gia công kim loại và các vật liệu khác Laser công suất nhỏ được ứng dụng cho hàn, cắt và một số công nghệ gia công khác với kim loại có chiều dày bé Laser - Nguồn năng lượng tuy mới xuất hiện vào những năm

60 nhưng có nhiều ưu việt nên đã được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học công nghệ, trong y tế, trong kỹ thuật quân sự, thông tin liên lạc, kỹ thuật ảnh,

Laser - Tiếng Anh có nghĩa là : Light amplification by the Stimulated Emission of Radiaction (Có nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng cảm ứng) Thực chất của quá trình đó có thể lý giải như sau :

Theo Thuyết về nguyên tử của Bo thì sự bức xạ của các vạch quang phổ là do các điện tử chuyển động từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác Mỗi lần thay đổi mức năng lượng các nguyên tử sẽ bức xạ một lượng tử năng lượng:

𝜺 = 𝒉 𝒗

Trong đó:

h - Hằng số Plăng

v - Tần số ánh sáng

Hình 2.4: Sơ đồ mô tả quá trình hấp thụ và bức xạ

W k - Mức năng lượng ở quỹ đạo k; W i - Mức năng lượng ở quỹ đạo i

Bước chuyển điện tử từ i về k ứng với sự hấp thụ năng lượng

Bước chuyển điện tử từ k về i ứng với sự bức xạ

The Albert Einstein thì bước chuyển từ K về i gồm 2 loại :

Bước chuyển tự phát Loại này có công suất bức xạ nhỏ không có tác dụng trong các máy phát lượng tử

Bước chuyển cảm ứng : Bước chuyển này chịu ảnh hưởng của bức xạ bên ngoài có tần số 𝑣 ki

Người ta đã chứng minh được rằng muốn có một môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng thì mật độ nguyên tử ở mức năng lượng cao phải lớn hơn mật độ nguyên tử ở mức năng lượng thấp Lúc đó, sẽ có sự đảo lộn về mật độ nguyên tử trên các mức năng lượng (tạo nghịch đảo độ tích luỹ) Người ta sử dụng một trong phương pháp tạo ra khả năng đó là phương pháp bơm quang học Trong Laser khí người ta sử dụng hiệu ứng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử để tạo nghịch đảo độ tích lũy Trong Laser phân tử người ta sử dụng phương pháp phân rã phân tử

2.2.2 CẤU TẠO NGUỒN PHÁT LASER

Hình 2.5: Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của nguồn laser

1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích)

3) Gương phản xạ toàn phần

4) Gương bán mạ

5) Tia laser

2.2.3 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA NGUỒN PHÁT LASER

- Môi trường hoạt tính

- Nguồn kích thích

- Phần quang học

Môi trường quang học là bộ phận quan trọng - “trái tim của Laser”có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng Môi trường hoạt tính của Laser có thể dùng các chất :

- Khí và hỗn hợp khí (Ne, He, CO2, )

- Tinh thể (Rubi-hồng ngọc, ), thuỷ tinh hợp chất

- Chất lỏng : các dung dịch sơn, chất hữu cơ, vô cơ,

- Chất bán dẫn (Ge, Si, )

Để cung cấp cho môi trường hoạt tính một năng lượng cần thiết để tạo nên vùng nghịch đảo các hạt ở các mức năng lượng cao người ta dùng nguồn kích thích Nguốn kích thích thường dùng là: nguồn ánh sáng đèn với hệ thống gương phản chiếu; dòng điện tần số cao; cũng có thể dòng điện một chiều hay dòng điện có tần số thấp

2.2.4 PHÂN LOẠI LASER

Có nhiều phương pháp để phân loại Laser Dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính người ta chia Laser thành 3 loại : Laser rắn, Laser lỏng và Laser khí

 Laser rắn :

Laser dạng rắn được tạo thành từ việc bức xạ của một số chất có tính chất đặc biệt với một số nguyên tố có hoạt tính đặc biệt chịu sự tác dụng của bức xạ ánh sáng

Laser dạng rắn: hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3 với 0,0 %

Cr2O3; Kính, Y3Al5O12, CaWO4

Laser hồng ngọc được sử dụng rộng rãi hơn các loại khác vì nó yêu cầu năng lượng kích thích thấp hơn các loại kia Đây là loại Laser đầu tiên được chế tạo từ Rubi hồng ngọc, tức là từ Oxyd nhôm với 0,05 % Cr Loại Laser này có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt tốt, cho phép làm việc với tần số cao Tiếp sau là Laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim ( Nd) Đây cũng là loại Laser thể rắn, nguyên lý hoạt động của chúng tương tự nhau Laser thuỷ tinh

Nd có độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ (góc mở) nhỏ và cho phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu Quá trình làm việc của loại laser này theo sơ đồ 4 mức năng

lượng nên hầu như không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, các thông số của laser

vì thế sẽ ổn định hơn Nhược điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục Vì thế, hai loại laser trên đang được cải thiện và hoàn chỉnh liên tục Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đường kính từ 10 500 mm với chiều dày của vật liệu từ 1 3 mm

 Laser thể khí có các loại :

- Laser CO2 - N2

- Laser N2, Ar

đến hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn được loại laser phù hợp với

từng loại vật liệu gia công: kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ, Hệ số hữu ích cao

Ví dụ : Laser thuỷ tinh - Nd đạt hệ số hữu ích 𝜇 = 0,1 1 % (có thể đạt 2

3%)

Laser CO2 có thể đạt hệ số hữu ích 𝜇 <= 25 %

Công suất bức xạ đến 100KW

Có thể làm việc ở chế độ liên tục hay chế độ xung, vận hành đơn giản Hệ số hữu ích CO2 có thể cạnh tranh trong các công việc cắt xén vải, giấy, giấy carton, da, gỗ, cắt những tấm mỏng từ kim loại cứng

 Laser chất lỏng

Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

 Laser không cần nguồn cung cấp điện :

“Laser khí động học” hay “Laser phản lực”: Người ta tạo ra

vùng nghịch đảo bằng phương pháp giãn nở khí đột ngột

Laser hoá học dùng năng lượng sinh ra do các phản ứng hoá

học để tạo ra vùng nghịch đảo các mức năng lượng

Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất

lớn và bước sóng ngắn có thể đạt vài Ao (<10-7 cm)

Bảng 2.2 Các thông số đặc trưng của một số loại laser

Môi

trường

hoạt tính

Bước sóng Tần số Thời gian một xung

Khoảng thời gian cho phép làm việc

xung Hàn khoan lỗ hộp kim cứng

Liên tục

chất bán dẫn

2.2.5 ĐẶC ĐIỂM CỦA LASER

- Công suất (Cường độ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với nguồn năng lượng điện tử có cùng nguồn

Trong đó: ∆𝜆 – Chiều rộng quang phổ; 𝜇 – Mật độ đơn sắc

Laser Rubin-Hồng Ngọc : 𝜆 = 0,69 𝜇𝑚

Với D = 1 cm (đường kính chùm tia bức xa)ï thì góc phân kỳ:

𝜃0,5 = 0,85 10−4 𝑟𝑎𝑑 ≈ 14′′

- Tính đồng loạt cao:

Thời gian kết hợp đối với tia sáng thường là : 10-8 s

Thời gian kết hợp đối với tia laser thường là : 10-2 – 10-1 s

- Kích thước của chùm tia nhỏ, có tập trung và có tính hội tụ cao

- Tần số ổn định

- Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 giây

Hình 2.6: Khoảng thời gian bức xạ của một số loại laser

- Bước sóng ngắn và có dãy sóng bức xạ lớn từ tia cực tím đến hồng ngoại nên khả năng ứng dụng rộng, chiều dài bước sóng trong khoảng (0,1-70 𝜇𝑚) Trong thực tế, người ta quan tâm nguồn có chiều dài bước sóng trong khoảng 0,4 – 10,6 𝜇𝑚 Vì trong khoảng này nguồn laser đã đạt được một số thông số yêu cầu: nguồn nhiệt lượng, công suất xung và công suất khi máy phát làm việc liên tục có ý nghĩa cho qua trình gia công kim loại

Hình 2.7: Sơ đồ phân bố các loại sóng bức xạ của một số laser

 Mật độ nguồn nhiệt lớn (107…108 W/cm2), có thể đạt 1010…1014 W/cm2

Hình 2.8: Sơ đồ mật độ tập trung các nguồn nhiệt

1 Nguồn nhiệt của tia lửa điện

2 Nguồn nhiện của tia laser có xung tuần hoàn (q=1010 – 1014 W/cm2)

3 Nguồn nhiệt của tia laser có xung tuần hoàn (107…108 W/cm2)

4 Nguồn nhiệt của chùm tia điện tử đường kính điểm nóng chảy(mm)

5 Nguồn nhiệt của hồ quang hàn

6 Nguồn nhiệt của hồ quang plasma

Người ta tính rằng nếu tập trung nguồn nhiệt này lên một diện

tích hẹp thì chỉ trong khoảng thời gian nửa phần triệu giây nhiệt độ có

thể đạt 8000 oC Với khả năng này người ta đang nghiên cứu sử dụng

chùm tia laser để gia công: khoan, khoét, hàn, cắt các loại vật liệu

cứng và siêu cứng

Ngoài ra laser còn nhiều ứng dụng quan trọng khác trong lĩnh

vực quân sự, trong y khoa, trong kỹ thuật ảnh, trong thông tin liên lạc,

 Các chế độ hoạt động:

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau

- Chế độ phát liên tục:

đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

- Chế độ phát xung:

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật Do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

- Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

- Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

- Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

Công suất ( cường độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với nguồn năng lượng điện từ có cùng nguồn

2.2.6 ỨNG DỤNG CỦA LASER.

Theo tài liệu tham khảo [5] Vào thời điểm được phát minh năm 1960, laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại như: phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên Ví dụ, sự đồng pha của tia laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanômét đối với laser dùng ánh sáng Tính chất này cho phép laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD Cũng là điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng laser Ví dụ, một laser Nd:YAG, sau quá trình nhân đôi tần số, phóng ra tia sáng xanh tại bước sóng 523 nm với công suất 10 W có khả năng, trên lý thuyết, đạt đến cường độ sáng hàng triệu W trên một cm vuông Trong thực tế, thì sự tập trung hoàn toàn của tia laser trong giới hạn nhiễu xạ là rất khó

Hình 2.9: Ứng dụng của laser vào đầu DVD

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kỳ rất nhỏ (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng Một tia laser được tạo từ laser He-

Ne, nếu chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng, sẽ tạo nên một hình tròn đường kính khoảng 1 dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt là với laser bán dẫn, có kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân kỳ cao Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia chuẩn trực bằng các thấu kính hội tụ Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực bằng các thiết bị quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất nhiều tia laser Định luật nhiễu xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các thiết bị dẫn sóng như sợi thủy tinh Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính

Hình 2.10: Một số ứng dụng hàn laser trong công nghệ hàn

Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bơm Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng(300.000km/s) Lấy kết quả chia 2 được cự ly cần đo

Hình 2.11: Máy đo khoảng cách bằng laser

Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian Máy bay chiến đấu bay

ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, sương mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều

Bơm có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu

La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo vị trí máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao

Tia laser đo khoảng cách từ vệ tinh và Mặt Trăng đến Trái Đất, đo đạc toàn cầu Ngoài ra, chùm tia laser còn làm náo nhiệt không khí lễ hội

Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến Được chia làm hai loại: Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hoá Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau,

không tạo ô nhiễm nên nó là loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương

Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ

1 giây Đầu những năm 90, Mỹ có thể tạo ra tia laser năng lượng 5000KW Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ của các cường quốc trên thế giới

Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học và laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống

Hình 2.12: Ứng dụng trong y học

2.3 CÔNG NGHỆ NHUỘM MÀU THÉP

2.3.1 NGUYÊN LÝ NHUỘM MÀU THÉP

Là kỹ thuật tạo màng 𝛾-Fe2O3 và Fe3O4

Mục đích : Chống gỉ và tạo màu cho đẹp

Tùy theo độ dày của màng oxi hóa mà màu nhuộm sẽ khác nhau:

- Nếu độ dày dưới 520 Angstrom thì sẽ có màu đỏ vàng

- 580 Angstrom thì sẽ có màu đỏ đậm

- 630 Angstrom thì sẽ có màu cam

- 680 Angstrom thì sẽ có màu tím

- 720 Angstrom thì sẽ có màu xanh

- Trên 720 Angstrom thì sẽ có màu đen

2.3.2 PHƯƠNG PHÁP NHUỘM MÀU THÉP BẰNG NHIỆT ĐỘ

Hình 2.13: Bề mặt thép chuyển màu với các nhiệt độ khác nhau

Hình 2.14: Bảng màu bề mặt thép theo nhiệt độ

2.3.3 ỨNG DỤNG NHUỘM MÀU THÉP BẰNG NHIỆT ĐỘ

Công nghệ nhuộm màu thép thường có độ tương phản cao, dễ đọc, bền, ít bị mòn và hư hỏng qua nhiều năm sử dụng nên thường được sử dụng để ghi nhãn sản phẩm, làm đồ trang trí, có giá trị thẩm mĩ cao

Hình 2.15: Ốc bảy màu

Hình 2.16: Dùng nhiệt gia công cổ pô

CHƯƠNG 03

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THUYẾT KẾ

3.1 PHÂN TÍCH KẾT CẤU CƠ KHÍ

3.1.1 BỘ TRUYỀN ĐAI

Theo tài liệu [3], trang 121:

 Nguyên lý làm việc:

Bộ truyền đai làm việc theo nguyên lý ma sát Bộ truyền đai bao gồm hai bánh đai: bánh dẫn 1, bánh bị dẫn 2 được lắp lên hai trục và dây đai 3 bao quanh các bánh đai (Hình 3.1) Tải trọng được truyền đi nhờ vào lực ma sát sinh ra giữa dây đai và các bánh đai Muốn tạo ra lực ma sát này, cần phải căng đai với lực căng ban đầu F0

Hình 3.1: Sơ đồ truyền động đai

 Phân loại bộ truyền đai

Theo tiết diện ngang dây đai, ta phân ra: đai dẹp (hình 3.2a); đai hình thang (hình 3.2b); đai hình lược(hình 3.2c); đai tròn (hình 3.2d) Ngoài ra, còn sử dụng đai răng, truyền tải trọng nhờ vào sự ăn khớp giữa các răng trên đai và bánh đai Trong thực tế, có thể sử dụng đai hình lục giác

Hình 3.2 : Các dạng đai

a) Đai dẹt b) Đai thang c) Đai hình lược d) Đai trịn

Bộ truyền đai là một trong những bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi

So với các bộ truyền cơ khí khác, bộ truyền đai có các ưu điểm sau:

- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau (>15m)

- Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, do đó có thể truyền chuyển động với vận tốc lớn

- Tránh cho các cơ cấu không có sự dao động lớn sinh ra do tải trọng thay đổi nhờ vào tính chất đàn hồi của đai

- Đề phòng sự quá tải của động cơ nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải

- Kết cấu và vận hành đơn giản (do không cần bôi trơn), giá thành hạ

- Kích thước bộ truyền lớn (kích thước lớn hơn khoảng 5 lần so với bộ truyền bánh răng, nếu truyền cùng công suất)

- Tỷ số truyền khi làm việc thay đổi do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng)

- Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lớn (lớn hơn 2÷3 lần so với bộ truyền bánh răng) do ta phải căng đai với lực căng ban đầu F0.

- Tuổi thọ thấp (từ 1000÷5000 giờ)

 Phạm vi ứng dụng bộ truyền đai

Bộ truyền đai thường được sử dụng khi khoảng cách giữa hai trục tương đối lớn Công suất truyền không vượt quá 50kW và thường đặt ở trục có số vòng quay cao Tỉ số truyền đai dẹp u < 5, có bộ căng đai < 10, đai thang <10, đai hình lược <15, đai răng <20÷30 Vận tốc lớn nhất vmax đai dẹt 40m/s, đai dẹt vật liệu tổng hợp 80÷10m/s, đai thang O, A, B, C là 25m/s, đai thang D, E đến 30m/s, đai thang hẹp 40m/s, đai hình lược 50m/s, đai răng 80m/s

Bộ truyền đai thang được sử dụng rộng rãi nhất, đai dẹt ngày càng ít sử dụng (hiện nay sử dụng đai dẹp làm bằng vật liệu tổng hợp vì có thể làm việc với vận tốc cao) Đai tròn sử dụng trong các bộ truyền có công suất thấp Đai răng và đai hình lược ngày càng được sử dụng nhiều

Hình 3.3: Ứng dụng bộ truyền đai răng vào máy khắc laser