GIỚI THIỆU MÁY KHẮC LASER
ĐẶT VẤN ĐỀ
Khoa học công nghệ đang phát triển nhanh chóng, trong khi thế giới vừa trải qua một cuộc khủng hoảng kinh tế nghiêm trọng ảnh hưởng đến nền công nghiệp toàn cầu Việc ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất để tạo ra sản phẩm có năng suất cao, chất lượng tốt và giá thành thấp trở nên cấp thiết, đặc biệt cho các nước đang phát triển Thị trường ngày càng đa dạng về chủng loại và mẫu mã hàng hóa, đòi hỏi giải pháp máy CNC phù hợp Tại Việt Nam, máy CNC đã được sử dụng trong các xí nghiệp dân sự và quốc phòng, nhưng vẫn chưa phổ biến Gần đây, phong trào chế tạo máy CNC (Homemake CNC) đang thu hút sự quan tâm của sinh viên và kỹ sư, mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế cần khắc phục.
Công nghệ khắc Laser tạo màu trên kim loại là phương pháp nung nóng và biến dạng kim loại để tạo ra các vết khắc sâu, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau Thông tin và ký tự được khắc bằng công nghệ này có độ tương phản cao, dễ đọc, bền bỉ và ít bị mòn hay hư hỏng qua thời gian.
Để nâng cao kiến thức về máy CNC và công nghệ khắc Laser, cũng như giúp sinh viên hiểu rõ hơn về máy CNC và máy khắc Laser, đề tài “Thiết kế mô hình máy khắc Laser tự động và tạo màu kim loại” đã được ra đời.
Sự hiện đại của ngành công nghiệp toàn cầu đã làm gia tăng nhu cầu gia công cắt Laser Hệ thống cắt và khắc Laser đang dần thay thế các phương pháp cắt thủ công truyền thống Máy Laser có khả năng gia công trên hầu hết các loại vật liệu, từ kim loại đến phi kim, góp phần quan trọng vào hoạt động sản xuất của con người.
ƯU KHUYẾT ĐIỂM VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG
- Gia công trên mọi vật liệu khác nhau: kim loại, phi kim, nhựa, đồng, nhoâm, inox, caét giaáy…
- Có khả năng làm việc trong không khí, chân không, chất lỏng Nhờ vậy mà có nhiều ứng dụng đặc biệt không loại công nghệ nào làm được
- Khả năng tự động hóa cao, gia công đạt độ chính xác tuyệt đối, cắt được các bề mặt dày mỏng khác nhau, chi tiết cầu kỳ phức tạp
- Chất lượng thành phẩm luôn được đảm bảo, đúng đến từng chi tiết nhỏ nhaát
- Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi, do đó chế độ gia công êm hơn các gia công khác
- 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: Khaéc laser treân goã.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Dựa trên các vấn đề và ứng dụng của máy khắc Laser đã nêu, nhóm chúng em quyết định thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc Laser phục vụ cho học tập, nghiên cứu và báo cáo luận văn tốt nghiệp Chúng em cùng với giáo viên hướng dẫn đã xác định các mục tiêu cho đề tài này.
- Tỡm hieồu veà coõng ngheọ CNC
- Tìm hiểu về công nghệ khắc Laser tạo màu trên bề mặt kim loại
- Tỡm hieồu phaàn meàm gia coõng 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
- CHệễNG 6: HEÄ THOÁNG ẹIEÀU KHIEÅN
- CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC LASER.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
COÂNG NGHEÄ CNC
2.1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY CNC
Ý tưởng điều khiển máy CNC bằng các lệnh nhớ đã xuất hiện từ thế kỷ XIV và đã trải qua quá trình phát triển và hoàn thiện cho đến nay, với nhiều mốc lịch sử quan trọng.
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)
Vào năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp (IC) được ra đời với độ tin cậy cao hơn Đến năm 1972, hệ thống điều khiển số (NC) đầu tiên đã được lắp đặt với máy tính nhỏ.
Năm 1979, hình thành khớp nối liên hoàn CAD/CAM – CNC.
Hiện nay, máy công cụ CNC (điều khiển số bằng máy tính) đã được cải tiến với tính năng vượt trội, cho phép gia công chi tiết hoàn chỉnh trên một máy với số lần gá đặt tối thiểu Đặc biệt, chúng có khả năng gia công các chi tiết với bề mặt phức tạp.
2.1.2 KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN SỐ
Khi gia công trên máy công cụ thông thường, người thợ thực hiện các bước gia công chi tiết bằng tay, bao gồm việc điều khiển số vòng quay, lượng chạy dao và kiểm tra vị trí dụng cụ cắt để đạt được kích thước mong muốn trên bản vẽ.
Trên máy điều khiển số, quá trình gia công diễn ra tự động thông qua việc nhập chương trình gia công dưới dạng chuỗi lệnh điều khiển vào hệ thống Hệ thống này có khả năng thực hiện và kiểm tra các lệnh nhờ vào hệ thống đo lượng dịch chuyển của bàn trượt Theo Hiệp hội Công nghiệp điện tử (EIA) của Mỹ, điều khiển số NC được định nghĩa là một hệ thống mà các hoạt động được điều khiển bởi dữ liệu số được nhập trực tiếp từ một nguồn nào đó, và hệ thống này phải tự động biên dịch ít nhất một phần dữ liệu.
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
Các dạng điều khiển số :
Khi gia công các chi tiết, bề mặt tạo hình khác nhau yêu cầu các chuyển động khác nhau giữa dao và chi tiết Quỹ đạo của các chuyển động này được xác định thông qua các chỉ dẫn điều khiển chính xác Tùy thuộc vào dạng chuyển động của điểm đầu, điểm cuối và đường dịch chuyển, có các dạng điều khiển khác nhau, bao gồm 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
Máy công cụ CNC có cấu tạo tương tự như máy công cụ truyền thống, nhưng điểm khác biệt chính là các thiết bị trong quá trình gia công được điều khiển bởi máy tính.
Heọ thoỏng CNC goàm 6 phaàn:
Chửụng trỡnh gia coõng (part program)
Thiết bị đọc chương trình (program input device)
Hệ điều khiển máy (MCU)
Hệ thống truyền động (drive system)
Máy công cụ (machine tool)
Hệ thống phản hồi (feedback system)
Hình 2.2: Cấu trúc máy CNC
Hướng chuyển động của máy được xác định theo hệ tọa độ tham chiếu, với phôi gia công chiếu vào các trục tọa độ song song với phương chuyển động cơ bản Các chuyển động cần thiết cho từng thành phần như bàn máy và đầu mang dao được tính toán và kiểm soát bằng máy tính Do đó, mỗi phương gia công cần có hệ thống đo lường độc lập để xác định vị trí tương ứng và phản hồi thông tin cho bộ điều khiển.
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 thoáng
Máy NC Máy CNC Đầu vào: Đòi hỏi phải điều chổnh baống tay theo bản vẽ, gá phôi và dao cắt tương ứng Đầu vào:
Chửụng trỡnh NC được đưa tới bộ ủieàu khieồn thoõng qua băng đục lỗ Đầu vào:
Các chương trình NC có thể được nhập qua bàn phím, đĩa từ hoặc cáp truyền Bộ điều khiển lưu trữ các chương trình NC trong bộ nhớ của đĩa cứng.
Người thợ đặt các thoâng soá gia coâng (soá vòng quay, chiều sâu caét…) baèng tay ẹieàu khieồn NC:
Bộ điều khiển NC xử lý các thông tin về đường chạy dao và lượng dư rồi truyền các tín hiệu đến máy ẹieàu khieồn CNC:
Các chức năng điều khiển trong bộ điều khiển CNC được thực hiện bởi máy vi tính và phần mềm tương ứng Bộ nhớ trong lưu trữ chương trình, chương trình con, dữ liệu máy, dao cắt, bù dao và các chu trình gia công Ngoài ra, phần mềm giám sát sai số cũng được tích hợp trong bộ điều khiển.
Người thợ phải đo và kiểm tra kích thước baống duùng cuù caàm tay và nếu cần thiết phải lặp lại quá trình gia coâng ẹieàu khieồn kớch thước:
Máy NC duy trì sự ổn định kích thước trong quá trình gia công nhờ vào thông tin phản hồi liên tục từ hệ thống đo, sử dụng các động cơ servo để điều khiển kích thước một cách chính xác.
Máy CNC duy trì sự ổn định kích thước trong quá trình gia công nhờ vào thông tin phản hồi liên tục từ hệ thống đo lường và các động cơ servo được điều khiển bằng số vòng quay Các servo này không chỉ giám sát mà còn điều khiển kích thước ngay trong suốt quá trình gia công.
Những ưu điểm của máy công cụ CNC so với máy công cụ truyền thoáng:
Giảm thời gian xác lập máy
Thời gian xác lập máy CNC có thể giảm đáng kể, chủ yếu phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành và thực tiễn tại xưởng cơ khí Mặc dù thời gian này không phải là yếu tố quan trọng trong sản xuất, nhưng nó vẫn là một phần của chi phí tổng thể Để tối thiểu hóa thời gian xác lập máy, cần có sự khảo sát và nghiên cứu từ quản đốc xưởng, nhà lập trình và công nhân vận hành.
Thiết kế máy CNC giúp giảm thiểu thời gian xác lập máy, nhờ vào sự định vị theo module, chuẩn hóa dụng cụ cắt, và các tính năng tiên tiến như thay dao tự động Những yếu tố này làm cho quá trình thiết 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 đáng kể.
Số lượng chi tiết gia công trong một lần xác lập máy rất quan trọng để giảm chi phí và thời gian xác lập Khi nhiều chi tiết được gia công cùng lúc, chi phí xác lập sẽ trở nên không đáng kể Ngoài ra, việc nhóm các nguyên công khác nhau theo từng xác lập máy cũng giúp giảm thiểu chi phí Dù thời gian xác lập có thể dài hơn, nhưng vẫn có thể được xem xét so với thời gian cần thiết cho các máy công cụ cổ điển.
Giảm thời gian chuẩn bị
COÂNG NGHEÄ LASER
2.2.1 GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ LASER
Theo tài liệu tham khảo [2]
LASER là nguồn năng lượng mới trong ngành gia công vật liệu, đặc biệt là kim loại, với các phương pháp như gia công bằng chùm tia Plasma, tia lửa điện, chùm tia điện tử và chùm tia laser Trong số đó, gia công bằng chùm tia laser được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ hiện đại Laser phát ra sóng điện từ trong vùng cực tím, ánh sáng nhìn thấy và tia hồng ngoại, với đặc trưng là mức độ đơn sắc và độ tập trung cao Điều này tạo ra mật độ nguồn nhiệt rất cao và tập trung tại vùng gia công.
Từ những năm 1960, nghiên cứu về ứng dụng laser trong công nghệ gia công kim loại và vật liệu khác đã bắt đầu Laser công suất nhỏ được sử dụng cho hàn, cắt và một số công nghệ gia công khác, đặc biệt là với kim loại có độ dày nhỏ Laser, mặc dù là nguồn năng lượng mới, đã nhanh chóng trở thành một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp.
Công nghệ 60 đã chứng minh nhiều ưu điểm vượt trội, dẫn đến việc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như khoa học công nghệ, y tế, kỹ thuật quân sự, thông tin liên lạc và kỹ thuật ảnh.
Laser stands for "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation," which refers to the process of amplifying light through stimulation.
Theo Thuyết nguyên tử của Bo, sự bức xạ quang phổ xảy ra khi các điện tử chuyển động giữa các mức năng lượng khác nhau Mỗi lần chuyển đổi mức năng lượng, nguyên tử sẽ phát ra một lượng tử năng lượng.
Trong đó: h - Haèng soá Plaêng 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
Để tạo ra một môi trường có khả năng khuếch đại ánh sáng, mật độ nguyên tử ở mức năng lượng cao cần phải lớn hơn mật độ ở mức năng lượng thấp, dẫn đến sự đảo lộn về mật độ nguyên tử trên các mức năng lượng Một trong những phương pháp để đạt được điều này là bơm quang học Trong Laser khí, hiệu ứng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử được sử dụng để tạo ra nghịch đảo độ tích lũy, trong khi Laser phân tử áp 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
2.2.3 CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA NGUỒN PHÁT LASER
Nguồn phát Laser được cấu tạo bởi 3 phần chính :
Môi trường quang học, được coi là "trái tim của Laser", đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra sóng điện từ và sóng ánh sáng Các chất được sử dụng trong môi trường hoạt tính của Laser rất đa dạng.
- 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 như Ge và Si cần một nguồn kích thích để cung cấp năng lượng cho môi trường hoạt tính, giúp tạo ra vùng nghịch đảo các hạt ở mức năng lượng cao Các nguồn kích thích phổ biến bao gồm ánh sáng từ đèn kết hợp với gương phản chiếu, dòng điện tần số cao, cũng như dòng điện một chiều hoặc tần số thấp.
Có nhiều phương pháp phân loại Laser, trong đó dựa vào vật liệu cấu tạo môi trường hoạt tính, Laser được chia thành ba loại chính: Laser rắn, Laser lỏng và Laser khí.
Laser dạng rắn được hình thành từ sự bức xạ của các chất có tính chất đặc biệt, kết hợp với những nguyên tố hoạt tính dưới tác động của ánh sáng.
Laser dạng rắn: hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3 với 0,0 %
Laser hồng ngọc được ưa chuộng hơn các loại khác nhờ vào yêu cầu năng lượng kích thích thấp Đây là loại Laser đầu tiên được chế tạo từ Rubi hồng ngọc, với thành phần chính là Oxyd nhôm chứa 0,05% Cr Loại Laser này có khả năng dẫn nhiệt và bền nhiệt tốt, cho phép hoạt động ở tần số cao Tiếp theo là Laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim (Nd), cũng thuộc loại Laser thể rắn và có nguyên lý hoạt động tương tự.
Nd có độ đồng nhất cao, đảm bảo góc phân kỳ nhỏ, cho phép bức xạ đều và có giá thành rẻ Nó dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học và nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu Quá trình làm việc theo sơ đồ 4 mức năng lượng giúp laser ổn định hơn theo nhiệt độ Tuy nhiên, nhược điểm là tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất khi làm việc liên tục Hai loại laser này đang được cải thiện liên tục, cho phép gia công lỗ có đường kính từ 10 đến 500 mm với chiều dày vật liệu từ 1 đến 3 mm.
Laser thể khí có các loại :
Laser thể khí có bước sóng dao động rộng, từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho phép lựa chọn loại laser phù hợp với nhiều vật liệu gia công như kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải và gỗ, mang lại 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 CO 2 có thể đạt hệ số hữu ích 𝜇