Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo máy laser cnc khắc tranh nghệ thuật

Đề cỏ thể gia công các đường phức tạp hoặc gia công các điểm đúng chính xác các tọa đô, người ta sử dụng các mảy CNC điều khiển 2 trục bao gồm trục X vả trục Y: Nhờ các bộ điều khiên s

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

NGUYEN XUAN DAO

NGHIEN CU'U THIET KE CHE TAO MAY LASER CNC

BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC BACH KHOA HA NOI

NGUYEN VAN DAO

NGHIEN CU'U THIET KE CHE TAO MAY LASER CNC

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM:

Độc lập — Tự do— Hanh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHĨNH SỬA LUẬN V

THẠC SĨ

Ho và tên tác giả luận văn : Nguyễn Xuân Đạo

Để tài luận văn: Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy laser CNC khắc tranh

nghệ thuật

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điệu tử

Ma sé SV: CB160077

Tác giả, Người hướng dẫu khoa học và Hội đồng châm luận văn

xác nhận tác giá đã sửa chữa, bỗ sung luận văn theo biên bán họp Hội đẳng

ngày 05/10/2019 với các nội dung sau:

- Bé sung ban vẽ thiết kế, chế tạo

-_ Chỉnh sửa bổ cục thuyết mình

~_ Bổ sung các điểm mới, đánh giá sai số và phương pháp khắc phục

Hà Nội Ngày tháng năm 2019

CHỦ TỊCH HỘI ĐỎN:

| 2019

LOT CAM DOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiền cứu khoa học độc lập của riêng tôi

được hoàn thành đưới sự hướng đẫn và chỉ bão tân tỉnh của thây TS.Nguyễn Chí Hung Các dữ liệu sử dụng trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bỏ theo đứng,

quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tồi tự tim hiếu, phân tích một cach

trưng thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn ác kết quả này chưa từng được công,

bố trong bất kỳ nghiên cửu nảo khác, trừ những phản tham khảo đã được ghi rõ trong,

luận văn

Học viên

Nguyễn Xuân Đạo

Nguyen Nuan Dao Trang 1

Xim chân thành căm ơn các quý thầy cô trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giảng

day và giúp dỡ tôi trong quả trình học tập, nghiên cửu, trao déi các vấn đẻ khoa học còn vướng mắc

'Lôi xin gửi lới cảm ơn đến các thú trưởng, đồng nghiệp tại Trung tâm thiết kế

cơ khí — Công ty TNIHT MTV thông tin MI đã tận tình giúp đố, động viên tôi trong,

quả tình học lập, nghiên cứu khoa học

Cuối cùng, xin gửi lời cầm em đền những người thân trong gia đình, anh chi ban

bờ đã giúp đỡ lôi hoàn thành tốt khỏa học của mình

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 8 năm 2019,

Nguyễn Xuân Dạo

Danh mu ode tlt vidt te ccccccsssuseesseesssesersssnssvessesseniseenssseensssoee 3

CHLGNG 1: TONG QUAN VE MAY GLA CONG LASER CNC e1

1.1 Lịch sử phát triển máy gia công laser CNC - - 11 1.2 Dặc điểm cầu trúc của máy laser CNC ccceeeeirreerrereooT

1.3 TTệ thống truyền động điện và điều khiển của máy laser ƠNG 23

2.1.2 Tỉnh toán lựa chọn cam dẫn động các trụ

2.1.2.1 Tinh toán lựa chọn trục vít me — đai ắc đẫn déng truc X 34

| 2019

2.1.2.2 Tỉnh toán lựa chon trục vít me — đai ắc đẫn động trục Y 39 2.3 Lựa chọn động cơ truyền động cho các trục _——

2.4 Bộ điều khiển máy khắc laser ƠNC 5 2cecerrererrrrrereeuuÖT

Kết luận chương, 2 - - 55 CHUGONG 3: CALDAT KY THUAT CHO MAY KHAC LASER ƠNG 56

3.1 Cai dat phan mém GRBL vao board arduino nano - 56

3 1.1 Sử dụng IDE ardiine để nạp phần mềm GRBI, 56

3.1.2 Sit dung phan mém nap file hex dé nap phan mém GRBL - #7

3.2 Kết nổi board arduino nano với các phân tử diễn ¬—

3.3 Cài đặt các thông số cha máy vào phần mềm GRBI, 62

KET LUAN DE TAL VA KEEN NGHỊ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT 'TRUẺN., 82

IDE - Intergrated Development Environment

LASER Light Amplification by Stimulated limission of Radiation

MIT Massachusetts Institute of ‘fechnology

NC — Numerical Control

PWM — Pulse Width Modulation,

Nguyen Nuan Dao Trang 5

| 2019

Danh myc hink anh, hinh vé

11ình 1.1: Một máy CNC laser fiber công nghiệp

Hin 1.2: May CNC laser CO2

Hinh 1 3: May CNC laser YAG

Tinh 1 4: May laser CNC đang cắt giấy nghệ thuật

Hình 1.5: Hệ thông ray trượt tròn và cơn trượt

Tình 1.6: Con uợt có các bị thép lắm bên trong

Minh 1.7 vít me và đai ốc

Hinb 1.8: Vit me — dai ốc bi

Tình 1.9: Bộ truyền bánh răng — thanh răng

nh 1.10: Bộ truyền đai rang

Hình 1.11: Nguyên lý cầu tạo chưng của nguồn phát laser,

Tình 1 12: Động cơ bướ

Hình 1 13: Sơ đề kết nổi đẻ động cơ bước hoạt động

Hình 1.14: Driver động cơ bước L298

Tình 1.15: Drver động cơ buớc A4988

Hinh 1.16: Sơ đề kết nói co bản của động cơ serv

Tinh 1.17: Servo céng nghiép va driver

Tình 1.18: Bộ diễu khiển may laser CO2 CNC

Tình 21: Sơ đỗ động học máy khắc laser ƠNC

inh 2.2: Két cau trục X cửa máy khắc laser CNC

Hình 2.3: Con trượt và đai ốc lắp trén bich ga đầu phát laser

Tình 2.4: Thông số kích thước đại ốc T8

Tình 2.5: Cụm gá true X

1inh 2.6: Kết cầu dẫn động trục Y

Tình 2.7: Các kích thước của động co bude Nema 17 (L34)

Tình 2.8: Khứp nối trục vít me với trục động cơ bước

Tinh 2.9: Module TB6S60

Hình 2.10: Sơ dễ kết nói module TB6560

Tình 2.11: Đầu phái diode laser SOOmW

Hình 2.12: Mạch công suất trên đầu phát laser

Linh 2.13: So dé kết nổi bộ điểu khiển và các phân tứ điệ

Hình 2.14: Board diều khiển và các phản tử diện lắp ráp trên máy

Tình 315: Máy được lắp ráp hoàn chỉnh

Tình 3.1: Nạp chương trinh GRBL bang IDE arduino

Hình 3.2: Nap chương trình GRBL bằng Xloader

| 2019

Hinh 3.3: So dé két néi cée chan diéu khién ti board arduino nano

Tình 3.4: Kết nói công tắc hành trình chế độ Hường mỡ

Hinh 3.5: Kết nổi cảng tắc hành trình chê độ thường đóng

Linh 3.6: Kết nói công tắc hanh trinh sử dụng phương pháp giới hạn mềm

Tình 3.7: Giao diéu phan mém LaserGRBL

Tình 3.8: Cửa số cải đặt các thông số máy vào GRBL

Tình 4.1: Cửa số cài đặt chế độ gia công

Hình 4.2: Các thông số khắc

Tình 4.3: Giao diễn phan mềm I.aserGRBI, sau khi cải đặt thông

Tình 4.4: Theo đối quá trình hoạt động của máy trên phần mêm

Hình 4.5: Hinh khắc sau khi hoàn thành

Nguyen Nuan Dao Trang 7

Bang 1 Cài đặt vì bước cho driver A4988

Bảng 2: TIệ số raa sát f theo cặp vật liệu vít me — đai ốc

Bảng 3: Hệ số chiều cao dai ốc và chiều cao ren

Bằng 4: Giá Irị áp suất cho phúp theo vật liệu cặp ren víi

Bang 5 Thông số kỹ thuật bộ vít me - đai ắc trục X

1ảng 6' Thông số kỹ thuật bộ vítme đai ốc trục Y

Bang 7: Các thông số lựa chọn động cơ truyền động trục X và Y

Bảng 8: Thiết lập đông điện cho động cơ bước

Bang 9 Thiét lập đỏng điện khi động cơ đùng

Bang 10: Thiết lập chế dộ vĩ bước

Bang 11: Thiết lập giới hạn đồng

Bang 12: Tổng hop cải dat driver TB6560

Bang 13: Cac théng s6 may cai dit vao phin mém GRBL

Bang 14: Bắng mask đối với các Irục cần dão

Bảng 15: Bâng mask các thông báo khi máy hoạt đông

Nguyen Nuan Dao Trang 8

| 2019

LOIMG DAU

1 do lựa chọn dé tai

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhất là cuộc cách mạng công,

nghệ giai đoạn thứ 4 (Công nghiệp 4.0) thì hệ thống, máy xuóc đây chuyên sẵn xuất tự động là không thể thiếu trong các nhà mảy sắn xuất Trong đó, những máy công cụ điều khiến số là một phân quan trọng giúp cho quả trình gia công sản xuất được nhanh

và chinh xác, rông cao hiệu suối, lăng hiệu quả kinh tế Những máy công cụ điều

khiển số này có thê đễ đàng đầu tư bởi các nhà máy sản xuất lớn và vừa, thậm chí

những nhà máy quy mô nhồ cũng có thể sở hữu vi hiệu quả của nó là rất lớn

Dai tượng và phạm vỉ nghiên cứu

-_ Nghiên cứu về thiết kế, chế tạo máy laser ƠNC cỡ nhỏ có thể khắc tranh và

các hình được thiết kế trước

- _ Nghiên cứu trong phạm vi máy cỡ nhỏ, phục vụ nghiên cứu và đảo tao

- Ap dung được một số phần mềm AD/CAM, phần mẻm điền khiển để phục

| 2019

vụ khả năng khắc tranh, hình của máy

Phương pháp nghiên cứu

- _ Nghiên cửa cơ sở lý thuyết thiết kế máy laser CNC

- Tỉnh toán thiết kế xây dung kết câu máy

-_ Gia công các chỉ tiết vả lắp ráp máy

- Nghiên cửu Ihiết kế lựa chọn tích hợp các phân tữ điện vào máy và cài đặt

kỹ thuật các thông số điều khiến

~ Nghiên cứu một số phân mềm điều khiển máy và áp dụng thực nghiệm vận

hành máy,

-_ Phân tích và đánh giá kết quá

Trong quá trình thực hiện luận vẫn có thể vẫn còn nhiều thiểu xót nằm ngoài khả năng của tác giả Kính mong được các thấy cá, bạn bè đồng nghiệp góp ý

để có thể hoàn thiện đề tài một các tết nhất

Xin chân thành cảm œnl

Nguyễn Xuân Đạo

Nguyen Ruan Dao Trang 10

| 2019

CIUONG 1: TONG QUAN VE MAY GIA CONG LASER CNC

1.1 Lịch sử phát triển máy pia công laser CNC

Khi trước đây, gia công co khí hân như được thục hiện trên cáo máy gia công

cơ có độ chính xáo không cao và phụ thuộc rất nhiều vào kish nghiệm của người đứng, may gia công, hiệu quả kinh tẻ không cao Trong thời đại công nghiệp hỏa, hiện đại hóa, nhất là thời kỳ phát triển công nghiép 4.0 hiện nay thì các máy gia công điều khiển số CN trở lên phổ biển hơn Các máy công cụ điệu khiến x6 noi chung va may gia công laser CNC nói riêng đang góp phân thúc đây phát triên công nghiệp gia công

chê tạo của Việt Nam

Cuối những năm 1940, Học viện Công nghệ MLT (Massachusetts Institute of

Năm 1972, cáo tủ điều khiến NƠ dầu tiên sử dụng các cụm vi tính chế tạo hàng

loạt xuất hiện Do sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật mạch tích hợp 1C (Intergarted Cireuils) lam cho các tả điện điều khiển có kích thước ngày cảng nhỏ và tỉnh nắng

cảng mạnh mẽ hơn

Năm 1990, các giao diện số giữa điều khiển NC và hệ truyền đệng cãi thiện độ

chính xác và đặc tính điệu chỉnh của các trục điệu khiến NƠ và trục chính

Cho dén ngày nay, các chức năng tính toán trong hệ thông ƠNC ngày càng hoàn

thiện và đat tắc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các

2019

thực tế Đề cỏ thể gia công các đường phức tạp hoặc gia công các điểm đúng chính xác

các tọa đô, người ta sử dụng các mảy CNC điều khiển 2 trục bao gồm trục X vả trục Y:

Nhờ các bộ điều khiên só, các trục X và Y của máy được chuyên động một cách độc

lập và kết hợp với nhau tạo thành đường cần gia công

Hinh 1.1: Mét may CNC laser fiber công nghiệp

Tia laser được biết đến làn đầu tiên vào năm 1960 tại phòng thí nghiệm nghiên cứu Califomia bằng cách chiếu đèn flash công suát cao trên một thỏi ruby với các bè

mặt tráng bạc Từ đó, các tia laze được sử dụng ở khắp mọi nơi: từ các phòng thí

nghiệm nghiên cửu đề cắt vật liệu trong vật lý lượng tử cho đến các bệnh viên, siêu thị,

dùng trong thanh toản vả mạng điện thoại

Năm 1965, Trung tâm Nghién ctu Wester Electric Engineering san xuat may

cắt laser đầu tiên và được sử dụng dé khoét cac 16 trén kim cương Năm 1967, người

Anh đi tiên phong trong việc cắt kim loại bằng tỉa laser với khi hỗ trợ lả oxy Trong

năm 1970, công nghệ nảy đã được đưa vảo sản xuất đẻ cắt titan cho các ứng dụng

hang không vũ trụ Đồng thời laser CO2 được sử dụng đẻ cắt phi kim loại, chẳng hạn

như hàng dét may, bởi vì, vào thời điểm đó, laser CO2 là không đủ mạnh mẽ đề làm

nóng chảy kim loại

Nguyen Nuan Dao ‘Trang 12

2019

»

“

Hình 1.2: Máy CNC laser CO2

Khi gắn những nguồn phát laser mạnh lên máy ƠNC, ta có thẻ dùng đẻ cắt, khắc

trên các chỉ tiết bằng các loại vật liệu khác nhau như kim loại, nhựa, gồ

Hình 1.4: Máy laser CNC đang cắt giây nghệ thuật

1.2 Đặc điểm cấu trúc của máy laser CNC

Một máy laser CNC cơ bản bao gồm các bộ phận: Thân máy, hệ thong dan

hướng, hệ thống dẫn đông, đâu phóng laser, các đông cơ điểu khiển truc, bộ điểu

khiển, may vi tinh

1.2.1 Thân may

Thân máy tủy theo kích thước vá mục đích sử dụng mà cỏ những thiết kể khác

nhau Đối với những máy cỡ nhỏ có thể dùng nhôm định hình đề lắp ráp, đối với

những máy cỡ lớn sử dụng trong công nghiệp thưởng sử dụng khung thép hản cỏ kích

thước lớn và vũng chắc

1.2.2 Hệ thống dẫn hướng của máy

Hệ thống dẫn hưởng của máy bao gồm cỏ ray dẫn hưởng (băng dẫn hưởng) và

con trượt Hệ thông dân hướng cỏ nhiệm vụ đân hướng cho các chuyên động thẳng của

các trục X và Y

Ray dân hướng phải đảm bảo thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, phải được nhiệt luyện và xi mạ bê mặt đảm bảo độ cứng Các loại ray dẫn hướng được sử

dụng bao gồm ray vuông vả ray tròn Ray vuông thường được sử dụng trong các hệ

thống máy móc yêu câu độ chỉnh xác cao, tải năng, có giả thành cao, ray được lắp trực

tiếp lên thân máy hoặc các mặt bich Các máy phay, máy tiên CNC thường sử dụng

ray vuông do yêu cầu chịu tải trọng vả lực gia công, cần độ chỉnh xác gia công và độ

Nguyen Nuan Dao Trang 14

| 2019

cửng vững cao Loại thứ hai là ray tròn sử dụng trong các hề thông máy không chịu tải

trong nang, rẻ tiên hơn ray vuông Ray trượt tròn thường sử dụng hai gối kẹp trục ở hai

đầu ray, tuy nhiên cân chú ý đồ võng truc nếu sử dụng trong hệ thông cỏ tải trọng năng hoặc lực gia công lớn Một loại ray tròn khác là ray trượt tròn có đề, loại nảy có để đỡ doc trục ray nên có khả năng chúu tải trọng và lực gia công lớn hơn phương ản sử dụng

hai kẹp trục đầu ray

Hình 1.5: Hệ thong ray trượt tròn và con trượt

Con trượt sử dụng cho máy ƠNC cỏ hai loại là bạc trượt trơn vả con trượt lần

Bạc trượt trơn thường lảm bằng đồng đẻ khi trượt trên ray bằng thép có ma sát trượt

nhỏ Tuy nhiên bạc trượt trơn phải bảo dưỡng thường xuyên hơn, cân tra mỡ bỏ bôi

trơn nên hiện nay các hệ thông cơ khí chính xác ít sử dụng bạc trượt trơn trong hệ

thông đân hướng Loại con trượt thứ hai là con trượt lăn, nó cỏ các bỉ thép bên trong,

khi con trượt trượt trên ray, các bị thép sẽ ti va lan trên các ray Do sử dụng bị thép có

ma sat lăn nhỏ nên con trượt lăn hoạt đông êm ái, chỉnh xác, nhẹ nhảng hơn so với bạc

trượt trơn

Nguyen Nain Da Trang 15

Hình 1.6: Con trượt có các bị thép lăn bên trong

1.2.3 Hệ thống dẫn động các trục

Hệ thống dần động cỏ nhiệm vụ chính là truyền động từ động cơ điện thành

chuyển động tịnh tiền cho các trục của máy CNC Tủy theo nhiều mục địch sử dụng

khác nhau mả người thiết kẻ máy lựa chọn các phương pháp dần động khác nhau Một

số cơ cau dan động sử dụng trong máy công cu bao gom vit me — dai éc, vít me — đai

ốc bị, thanh răng bánh răng, đai răng

chỉnh xác cao

Nguyen Nain Da Trang 16

Hình 1.7: Trục vít me và đai ốc

Ưu điểm của trục vít me ~ đai ốc là kết câu đơn giản, nhỏ gọn, dễ chế tạo Nhược

điểm là ren mòn nhanh nêu không bảo dưỡng bồi trơn thường xuyên gây ra tiếng đông

lớn, hiệu suất thấp Trục vít me thường làm bằng thép C45, C50, A45 và A50 (thường

hóa hoặc tôi cãi thiên) và thép cacbon 10, thép hợp kim 65Mn, 40Cr, 40CrMn (t6i thé tích hoặc bẻ mặt), thép 38C:2MoAI, 18CrMnTi va 40CrV (tham ni-to) Dai ốc chế tạo

từ đồng thau La Zn23Al6FeMn2, La Zn38Mn2, đỏng thanh Br Al9Fe3, Br

AlI0Fe3Mn2 hoặc gang chong mon

1.2.3.2 Hệ dẫn động vít me — đai ốc bi

Hệ dân động vít me — đai ốc bị lả là loại vít me và đai ốc hoạt động có đạng tiếp xúc lăn đựa trên các bị thép bên trong đai ốc Vít me — đai ốc bị có độ chỉnh xác và giá thánh cao hơn so với vít me — đai ốc thường Nó thường được sử dụng trong các hệ thống cơ khi yêu cầu độ chính xác cao, do vây các máy công cụ điêu khiển số như máy phay, máy tiên CNC thường ưu tiên sử dụng hệ dân động đai óc — vít me bị

Nguyen Nuan Da Trang 17

Hình 1.8: Vít me — đai ốc bì

Biên dạng cặp ren vít với ma sát lần bao gồm rãnh tròn vả rãnh tam giác, pho biến nhất là rãnh tròn, bán kinh rãnh lớn hơn bản kinh con lăn 3-5%, góc tiếp xúc 45°

Rãnh tam giác khó chẻ tạo hơn rãnh tròn nhưng lại cỏ độ căng ban đầu Các con lăn

chuyển động quay vả tỉnh tiến đối với vit va dai dc, do đó đề luôn tồn tại các con lăn giữa các bê mặt ren của vít và đai óc thì trên các đầu đai ốc hoặc vit người ta nồi các

rãnh thu hồi

Một đặc điềm khi sử dụng cặp truyền động vít me — đai ốc bi là không nên tháo

hết đai ốc bị ra khỏi trục vịt me vì có thể lâm rơi các bị thép ra ngoài và việc lắp lại các

bị thép vào đai ốc bị lả rất khó khăn

1.2.3.3 Hệ dẫn động thanh răng - bánh rang

Thanh răng — bánh răng hoạt động theo nguyên lý biển đổi chuyên động quay của

động cơ thành chuyên động tịnh tiền đựa trên nguyên lý chuyển động ăn khớp mà không gây ra trượt, rung Bộ truyền thanh răng — bảnh răng có thẻ phân loại ra bao gêm loại răng thẳng vả loại răng nghiêng

Nguyen Nuan Da Trang 18

Hình 1.9: Bộ truyền bảnh răng — thanh răng,

Khi banh ring quay một vỏng làm cho thanh răng chuyển đông một khoảng TmZ, trong đỏ m là mô-đun của thanh răng theo phương chuyên động của thanh răng

hay mỏ-đun của bảnh răng trong mặt phẳng vuông góc với trục quay của bánh răng, Z

lả số răng của bánh răng Dựa vào nguyên lỷ trên, cỏ thẻ điều khiến khoảng cách

chuyển đồng thẳng dưa vào sỏ vòng quay của bánh răng

Cặp bánh răng — thanh răng có ưu điểm kich thước nhỏ gọn, truyền được tải lớn,

tỷ số truyền không thay đổi do không cỏ hiện tượng trượt, hiệu suất cao có thể đạt đến

0.98 và có tuôi thọ cao Tuy nhiên Nó cũng có nhược điểm là chế tạo tương đối phức

tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, có tiếng ôn khi vận tóc lớn, thanh răng dải chế tạo khó

khăn và phức tạp

Tủy vảo độ rắn, thép làm cặp bánh răng — thanh răng chia ra lâm 2 loại:

-_ Đôrắn HB <350: Bảnh răng được thường hỏa hoặc tôi cải thiện

- D6ran HB > 350: Téi the tich, t6i tân số cao, thâm eacbon, thâm nitơ

1.2.3.4 Hệ dẫn động đai răng,

Bồ truyền đai răng lâm việc nhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răng của bảnh

dai, lam việc với vận tốc tôi đa 8Om/⁄§ vả tỷ số truyền „„„y = 30

Nguyen Nuan Da Trang 19

Đại rằng dược chế tạo từ cao su trộn với nhựa nanit hộc đủc từ cao su

poliuretan Lớp chịu tất là dây thép, sợi thủy tỉnh hoặc sợi poliamit

1.2.4, Đầu nhơng laser

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) cé nghia la

“khuếch đại ảnh sáng bằng phát xa kích thích” Cĩ nhiều loại laser khác nhan, cĩ thể ở dạng hỗn hợp khi, vi dụ He-Ne, hay dang chất lơng, song cĩ độ bức xạ lớn nhất vẫn lả

tỉa laser tạo bởi cáo linh kiện bán dẫn như địode laser

Laser 06 trong rat nhiêu ứng dụng, như làm mit đọc dia quang CD/DVD, may

in laser, máy quét mã vạch, cơng cụ trình tự DA, internet cáp quang, truyền đữ liệu trong khơng gian vii tru, may cất, máy hàn, máy phẫu thuật laser, tây mụn ruồi, nhằm bằng laser, Trong, quên dội laser được dùng dễ dánh đấu do khoảng cách và tốc dộ của mục tiêu Trong giải trí laser được sử đựng trong các sân khâu như hịa âm ánh sáng

Nguyen Nuan Dao Trang 20

Hình 1.11: Nguyên lý cầu tạo chung của nguồn phát laser Nguyên ly cau tao chung của một máy laser gồm cỏ

1 — Buông công hưởng chứa hoạt chất laser (vùng bị kích thích)

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

3 — Gương phản xạ (toản phần)

4 ~ Gương bán mạ

5 —Tia laser

Tinh chat ctia laser phu thuéc vao hoat chat laser nén ngudi ta can cit vao loai

hoat chat dé phan loai laser:

- Laser chat ran: Có khoảng 200 chất rắn cỏ khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser Một sô loại laser chất rắn thông dụng

* YAG-Neodym: hoat chat la Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cong thém 2-5% neodymi, có bước sỏng 1060 nm thuộc phổ hỏng ngoại gan Co thé

phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tân số 1000-10000Hz

* Hong ngoe (Rubi): hoạt chất là tinh thé Alluminium có gắn những ion crom,

có bước sóng 694,3 nm thuộc vũng đỏ của ánh sảng trắng

e Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen cỏ bước sóng 890 nm

thuộc phổ hồng ngoại gân

Nguyen Nuan Da Trang 21

| 2019

- Laser chat khi:

* TleNe: hoat chat 14 Khi heli va neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sang 46 trong ving nhin thay, công suat nhé, tir mét đến vai chuc mW

Trong y học được sứ dụng làm laser nội mạch, kich thich mach mau

«- Arigon: hoại chất là khí mgon, bước sóng 488 và 514,5 rưn

«CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phố hỗng ngoại xa, công suất phát xạ có thé tdi megawatt (MW) Trong y học tng dung lam dao mỏ

- Laser cht ling: Méi trường hoạt chất là chất lỏng, thông đựng nhất là laser

mau

Tỉnh chất của laser:

- Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là clrin song song do đó có

khả năng chiếu xa hảng nghìn km mà không bị phần tán

- Tinh đơn sắc rất cao: chim sáng chỉ có một màu (bay một bước sóng) duy nhất, Do vậy chủm laser không bị tàn xạ khi đi qua mặt phân cách của hai

môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất ma khang

nguồn sảng nảo có -_ Tĩnh đồng bộ của các photen trong chủm tỉa laser: Có khả năng phát xung

cực ngắn: cỡ míli giầy (ms), nano giây pico giây, cho phép tập trung năng,

lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

T.aser có thể được cầu lạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sông liên tục hay bức xa xung, Điều này dẫn dến những khác bưệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho

những ứng dụng khác nhau:

-_ Chế độ phát liên tục: Irong chẻ độ phát liên tục, công suất của một laser

tương đối không đối so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ electron can

thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bom nẵng lượng

đều đặn

-_ Chế độ phải xung: Trong chế đệ phát xung, công suất lảser luân thay đối so

với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" vả "ngắt" cho phép lấp

Nguyen Nuan Dao Trang 32

| 2019

trung năng lượng cao nhất cỏ thể trong một thời gian ngắn nhất cỏ thể Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng dủ đễ cùng cấp môt nhiệt lượng cẩn thiết, chúng cỏ thể lắm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bẻ mặt mẫu vat trong thời gian rất ngắn Tuy nhiều, nêu cùng năng lượng như vậy nhưng

tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thỉ nhiệt lượng sẽ có thời gian

để xuyên sảu vào trong mẫu vật do đỏ phần vật chất bị bếc hơi sẽ it hơn

1.3 Hệ thống truyền động diện và diều khiển của máy laser CNC

Tắt cả các máy gia công CNC nói chung và máy gia công laser CNC nói riêng

déu sit dung các động cơ điều khiến số để điều khiến các trục của máy, các loại đồng,

co diéu khiển số phổ biến như động cơ bước (stepper) hoặc động co servo Nếu chỉ sử

đụng động en bước mà không sit dung hệ thông đa phản hỗi vị trị, vận tốc khi cáo trục

hoạt động thì gọi là điều khiển hở Nếu sử đụng động cơ serve hoặc có sử dụng hệ thống đo phản hỏi thì được gọi là hệ thống diễu khiển vòng kín

Tuy thee céng năng của mỗi máy ƠNC và số truc cân điều khiển, các tỉnh ning

khác mà có những hệ điều hành khác nhau cho các máy CNC khác nhau được cải đặt

trong bộ nhớ ROM của bộ điều khiển Di kèm đó có rất nhiều các phân mềm giao điện

sử dụng trên máy tỉnh dùng dễ thiết kế CAD, biên dịch và nạp chương trình gia công,

vào mày, theo đối quá trình máy hoạt động,

1.3.1 Động cơ truyền động cho máy laser CNC

1.3.1.1 Dệng cơ bước

Động cơ bước là một loại đông cơ diện có nguyên lý và ủng dung khác biệt với

da số cáo động cơ điện thông thưởng, Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dừng,

đề biển đi các tín hiệu điều khiển dưới đang cáo xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển dộng của réto có khả năng cô dịnh rôto vào các vị trí cân thiết Vẻ cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ dòng bộ giảm lốc công, suit hd

Nguyen Nuan Dao Trang 23

Hình 1.12: Đông cơ bước

Đông cơ bước không quay theo cơ ché thông thường, chủng quay theo từng

bước nên có độ chỉnh xác rát cao vẻ mặt điêu khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ

chuyên mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiên vảo stato theo thứ tự và một tân số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với sỏ lần chuyên mạch, cũng như

chiều quay vả tốc đô quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyên đổi và tần số chuyển đổi

Đông cơ bước được chia làm hai loại là đông cơ bước đơn cực (6 đây) và động

cơ bước lưỡng cực (4 dây), ngày nay thường hay sử dụng đông cơ bước lưỡng cực, phủ hợp với các driver

Để sử dụng được động cơ bước cản phải có driver phù hợp với động cơ bước

đó, driver cần chịu được dòng điện tôi đa mà động cơ bước sử dụng, đáp ứng được tốc

độ chuyên mạch dạng xung dén hang KHz Di cùng đỏ, một số driver động cơ bước

còn bô sung cac ché độ hoạt động cho động co bước như điều khiển ở chế độ Full-

step, Half-step,Micro-step

nợ

guyền Xuân Đạo Trang 24

Dong cơ bước

Hình 1.13: Sơ đồ kết nói để động cơ bước hoạt động

Có hai dạng driver động cơ bước chủ yêu, đó là dạng mạch cảu H hoặc sử dung

1C chuyên dụng điều khiển đồng cơ bước Dạng driver mạch cầu H thực chất bao gồm

4 đầu vào nổi tín hiệu điều khiển từ ví điều khiến và 4 đầu ra nổi với 4 cực của động

cơ bước vả khuếch đại tín hiệu tir vi dieu khiên thành tín hiệu có điện áp cao cap cho động cơ bước Mét so driver dang cau H pho bien như L293D, L298 Muén sit dung

các chế độ nửa bước (half-step) hoac vi bude (micro-step) trén driver cau H ta can lap

trình tin hiệu đầu ra của vi điều khiển theo dang xung tương ứng

Hình 1.14: Driver động cơ bước L298

Dạng driver động cơ bước thứ hai sử dụng IC chuyên dụng điều khiển động cơ

bước như TB6560 hoặc TB6600, A4988, DRV8825 Day la nhimg driver can những

tín hiệu đầu vào là STEP (Cấp xung cho động cơ bước), DIR (Quy dinh chiều quay

cho động cơ bước) vả ENB (Cho phép động cơ bước hoạt động)

Nguyen Nuan Da Trang 25

Hình 1.15: Driver động cơ bước A4988

Một điều đặc biệt của driver động cơ dạng IC chuyên dụng là có tích hợp các

chế độ điều khiển vi bước cho động cơ bước, ta chỉ cân điều chỉnh số vỏng quay, tốc

độ, gia te dựa vào cung cấp xung cho driver Ví dụ để đặt chức năng vi bude cho

driver A4988 ta cân nói các chân MSI, MS2 vả MS3 vào VCC (Chân logic +5V) và

sử dụng động cơ 200 bước/vòng theo bằng sau:

Bảng 1: Cài đặt ví bước cho driver A4988

MSI | MSS | MS3 | Vibướ |BudeVòng

noi nồi noi =

Đông cơ servo thực chất là động cơ DC có chỏi than hoặc động cơ AC (một pha

Nguyen Nuan Da Trang 26

| 2019

hoặc ba pha) có gắn thêm encoder Động cơ servo được thiết kể cho những hệ thống

hải tiếp vòng kim Tín hiệu ra của động cơ được nổi với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị tri sẽ được hỏi tiếp về mạch điều khiển nảy Nếu cỏ bắt kỳ

ly do nào ngăn câu chuyển động quay của động cơ, cơ câu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín

hiệu ra chưa đạt dược vị trí mong muốn Mạch diễu khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho

động cơ đạt được điểm chính xác

“(Feedback tir | Nguồn điện động cơ

encoder) Déng co

servo

Bé diéu khién|

Tĩnh I.16: Sơ đỗ kết nổi co ban của động cũ servo

Dé dong co servo heat déng cản có bộ driver tương ứng với dộng cơ servo đó Driver nhận nguồn điện một chiều cung cấp cho driver (đối với các servo công nghiệp

thường là 34VDC) và nguồn điệu nuôi động cơ tủy theo động co DC servo hay AC

servo Nếu là động cơ DC servo thì cần nguồn diện cung cấp cho dộng cơ là nguồn mệt chiều với điện áp định mức tương ứng với động cơ Nếu là AC servo thỉ nguồn điện cung cấp cho dộng cơ là nguồn điện xoay chiều, nguồn một plua hoặc ba pha tủy

thuộc vào động cơ

Nguyen Ruan Dao Trang 27

Hình 1.17: Servo công nghiệp và driver

1.3.2 Hệ thống điều khiển máy laser CNC

Một hệ thông điều khiển máy laser CNC bao gồm có phân cứng (mạch điện tử), phần mềm điều khiên, giao diện trên máy vi tinh Phần cứng thực chat lả một board

mạch điều khiển bao gồm vị điều khiển có kết nối với máy tính vả các phần tử điện tử

tích hợp trên mạch phục vụ điều khiển động cơ các trục X và Y, diéu khién cường độ

hoặt tắU/mở laser, kết nổi các công tắc hảnh trình

Hình 1.18: Bộ điều khiển may laser CO2 CNC

Phân mềm điều khiển được nạp vào bộ nhớ ROM của bộ điều khiển, nd có nhiém vụ tiếp nhận và xử lý G-code, sau đó tính toán nội suy điều khiên các trục X và

Y của máy, điều khiển cường đô laser (hoặc tốc độ trục chính đổi với máy phay) Cân

phải cải đất các thông số hoạt động của mảy như số bước/mm khi sử dụng động cơ

bước cho các trục, tốc độ và gia tốc tôi đa, cải đặt giới hạn hành trình của máy, cường,

Nguyen Nuan Dao Trang 28

khiển hoạt dộng của máy, dồng thời nó cũng theo đối qua trình hoạt dộng của máy, cập

nhật các quá trình gia công vả báo lỗi Một số phân mém giao diện có tích hợp sẵn cả chương trình hỗ trợ CAM gia cổng hình ảnh và nạp trực Hiếp G-code vào bộ điều khiển

Nguyen Nuan Dao Trang 29

| 2019

Kết luận chương 1

Khi thiết kế máy khắc laser CNC nói riêng và các máy gia công CNC khác nói

chung, ta can tim hiểu rõ tông quan cấu trúc cơ ban của máy CNC đó, Tìm hiểu rõ các thành phần cơ bán, các chỉ tiết cầu thành máy nlưự hệ dẫn hưởng, bộ truyền dộng, cụm gia công (trục chính hoặc đâu khắc laser) Đi kèm đó cân thiết kẻ, lụa chọn, tích hợp

bộ điều khiển và phần mềm điểu khiển phủ hợp với máy, Tua chọn các động cơ và hệ

thông đo phủ hợp yêu câu để máy hoạt động én định nhất Xây dựng kết cầu máy đám tảo vững chắc, độ chính xác gïa công phủ hợp với yêu cần công nghề, giá thành hợp

lý, dễ dàng sử dụng và bảo dưỡng

Đảng thời, cản thường xuyên nắm bắt cáo công nghệ mới trên thẻ giới để tiếp

thu va côi tiến nâng cao chất lượng, giầm giá thánh sẵn phẩm

Nguyen Nuan Dao Trang 30

| 2019

CHƯƠNG 2: TĨNH TỘN, LỰA CHỌN LINH KHỆN CIIO MÁY KHẮC

LASER CNC

3.1 Tính tốn lựa chọn linh kiện cơ khí máy khắc laser CNC

Kết cầu cơ khí của máy khắc CNC bao gồm các cụm cầu tiết đân hướng vả din động cơ khi, Dễ máy cĩ thể làm việc tốt nhất cần phãt tỉnh tồn, lụa chợn các chỉ tiết phủ hợp yếu câu, đủ đệ bản, cĩ giá thành rẻ, để dàng lắp ráp và bảo dưỡng,

Các yêu cầu kỹ thuật của máy khắc laser CNC:

-_ Vật liệu khắc: Giấy, gỗ ép, da min,

-_ Kích thước vùng gia cơng: 200mm x 240mm

-_ Tốo độtối đu các trục chạy khơng tải: 50mra/s

-_ Gia tốc tăng tốc các trục: 50mn/s”,

- May cĩ khả năng kết nĩi, giao tiếp với máy tính, nạp chương trình gia cơng,

và theo dõi thơng qua giao điện trên máy tính

-_ Kích thước tối da tổng thể máy: 500mm x 600mm x 350m

- Đầu khắc laser cĩ thể thay đổi cường độ để khắc ảnh đen trắng theo

GiayScale -_ Các đile đữ liệu cĩ thể sử dụng: File ảnh dang IPG, JPEG, BMP, PNG, hoặc các File gia cơng đã biên dịch sang dạng file ne (G-code)

-_ Cỏ khả năng thay đối các thơng số bộ điều khiến khi thay đổi kết cấu, linh kiện của máy như động cơ, bộ dẫn động, tốc dộ, gia tốc, kích thude ving gia

cơng

Lựa chọn sơ đỗ dộng học cho máy như Hình 2.1

Buyên Xuân Dạo Trang 31

2.1.1 Lựa chọn cụm chỉ tiết dẫn hướng các trac

Hệ thông dẫn hướng của máy khắc laser CNC có nhiệm vụ đâm bão dân hướng, cho các chuyến đông thẳng của trục X và trục Y Hệ thông đẫn hướng cơ bản bao gồm ray dẫn hướng và con trượt Trong các hệ thống máy gia công điều khiển số ƠNC cẩn

độ chính xác cao, hoạt dộng ẽm, nhẹ người ta thưởng sử dụng con trượt cỏ các bi thép

bên trong đề chuyên dạng chuyên động từ ma sắt trượt sang thành ma sát lăn

Do may khắc laser CNC có két cấu nhẹ, không phét sinh lực gia công cắt gọt

trong quá trình máy hoạt động nên có thể sử dựng ray din dang ray trượt tròn và con

trượi có bí thép,

Trong kết câu máy khắc laser CNC của để tài, tác giả lựa chọn ray dan dang trên Ø8.0 bằng thép không gĩ, được nhiệt luyện tôi cao tần đảm bảo độ cứng bê ruặt đạt HRC58-60 M&i ray dẫn được có định bằng bai giả kẹp đặt ở hai đầu ray, giả kẹp được lắp chặt vào các khung máy bang vit

Nguyen Nuan Dao Trang 32

2019

Như trên Hinh 2.2 hệ dẫn hưởng trục X bao gồm hai ray dẫn tròn được gắn cô

định vào khung máy bằng bổn giả kẹp Hai con trượt lăn được lắp lên bích gá đâu phát

laser như Hình 2.3 Bich gả đâu phát laser sẽ chuyên động thẳng theo ray dần, do ma sát giữa con trượt và ray dân là ma sát lăn nên chuyên động sẽ nhẹ nhàng vã êm ái, lực

dần động sẽ nhẹ hơn khi sử dung con trượt dạng ma sát trượt

Hình 2.2: Kết câu trục X của máy khắc laser CNC

Tương tự, hai trục đẫn hướng trục Y được cổ định vào khung máy nhờ bỏn giá

kẹp Bổn con trượt lăn lắp vào đẻ khung của trục X và trượt thẳng trên ray dần hướng

Nguyen Nuan Da Trang 33

Do kết câu các trục của mảy khắc laser CNC đơn giản nên trong phạm vi de tai,

tác giả lưa chọn kết cầu vít me — đai ốc trượt để dân động cho các trục Tuy độ chính

xác không cao bằng kết câu vít me — đai ốc bị nhưng vít me — đai óc trượt có giả thành

rẻ, dễ dàng lắp ráp nên vẫn cỏ thẻ sử dụng trong một số máy nhất định Do trọng lượng

các khâu chuyên động khá nhe, khoảng cách địch chuyên không lớn (trong phạm vị đẻ

tai), không phát sinh lực gia công trong khi máy hoạt động nên ket cau vit me — dai de

trượt vẫn có thể đáp ứng được

Do lựa chọn sẵn chị tiết trên thị trường hiện có, tác giả đề tài lựa chọn vit me có profile ren hinh thang cân cỏ vật liệu thép C45 tôi, đai ốc bằng đồng thanh không

thiếc Khi sử dụng máy cần dùng mỡ bỏ (hoặc các chất bôi trơn khác cho chỉ tiết cơ

khí) bôi trơn trục vít me để có thể hoạt động êm ải và bảo về tốt cho trục khỏi bi mai

mỏn

2.1.2.1 Tính toán lựa chọn trục vít me — đai ốc dẫn động trục X

Vit me — đai ốc đân động trục X có nhiệm vụ biển chuyên động quay từ đông

cơ trục X thành chuyên động tỉnh tiền của đai dc, trục vít me trục X được gắn chặt trên

Ï!_.ớ

guyền Xuân Đạo Trang 34

| 2019

hai 6 dé truc vit me (6 l&n) Khi trục vit me quay, dai ốc kéo theo bích gá dau phát laser sẽ chuyển động tính tiên đọc trục vil me Pai de duge gin vao bich gá dâu phải laser thông qua giả bắt đai ốc bằng nhôm như Hinh 2.3

Do vit me dai éc trugt dan dong trục X tạo ra lực dọc trục lớn nhất khi bích gá đầu phát laser bắt đầu chuyển đông do khi đỏ cáo con trượt chịu ma sát nghỉ lớn hon

ma sát lăn lủe con trượt đang chạy đọc ray đẫn hướng Vậy nên ta lẫy lực đọc trục lớn nhật bằng lực kéo bich ga đầu phát laser tại thời điểm nó bắt đầu chuyên động tức lục

ma sát nghỉ tại thời điểm đó, bích gá đầu phát laser chuyển động khi lực kéo của trục

vil me lon hon hoặc bằng lực mua sái nghỉ Hệ số má sát nghỉ giữa thép với thép khi

khé va sach Ja 0,74-0,8 trong khi hệ số ma sát trượt là 0,42-0,62, hệ sẽ ma sát lẫn rất

thập, chỉ khoảng 0.001 nên ta bỏ qua trường hợp ma sát khi con trượt chạy trên ray

Do cặp vật liệu vitme đai óc làthép đẳng thanh không thiếc nên ta có hệ số

ma sal [tra thee bang sau

Bang 2: 118 sé ma sat f theo cặp vật liệu vit me — đai Ốc

Cấp vật liệu ren vít r

Thép | Dẻng thanh thiếc - photpho _ 01

Thép | Dễng thanh không thiếc 012

Thép | Gang chong mon 0.13

Buyên Xuân Dạo Trang 35

| 2019

Vậy hệ sé ma sat là £ = 0,12 Từ hệ số ma sát f ta tinh duoc géc ma sat tong

duong p! theo céng thie

Trong đó: œ = 30° là góc ở đỉnh của ren hình thang cân

Hệ số chiếu cao dai ốc 1E, và hệ số chiêu cao ren 1W, được tra theo bảng sau:

Bảng 3: Hệ số chiếu cao dai öc và chiều cao ren

Đi Ốc nguyên 12-35 Rơn hình thang 05

Đai ốc rời hoặc hai nữa 25-35 Renhinhrồng cưa | 0,75

Ren tam pide 0,541

Do sử dụng bộ truyền cỏ đai ốc nguyên vả ren hình thang nén chọn hệ số chiều

cao đại ốc XP = 1,3 vả hệ số chiều cao ren W„, = 0,5

Giả trị áp suất cho phép [p] tra theo bảng sau

Bang 4: Giá trị áp suất cho phép theo vật liệu cặp renvit đai ốc

Vật liệu cặp ren vít - đại c Ip] Mpa Thép tôi - đồng thanh 12-13 Thép không tôi - dồng thanh 8-10

Thép tôi - gang chồng ma sát 7-9

Théo không tôi - gang chống ma sat 6-7

Thép không tôi - gang GX18, GX21 5

Do truc vil me lam bằng thép Lôi và đai ốc làm bằng đồng thanh nên chou ap

suất cho phép của cấp vất liệu là |p| — 12 MPa

Nguyen Nuan Dao Trang 36

có cáo thông số sau

- Duong kinh ngoài của vít ở = Hưn

-_ Dường kính trong của vít dị = 6mm

-_ Đường kinh tung binh eda vit d, = 7mm

- Bude ren vit p, = 2mm

- Sémdirenvitz, =4

- Bude xoan vit pz, = p,Z, = 2.4 = 8mm

Góc nâng ren vít theo công thức:

Do y > p’ nén vit khéng cé kha năng tụ hãm, tuy nhiên do các cụm chuyển

động trên trục X và Y chỉ chuyển động theo phương ngang mà không có trọng lực tác

dụng nên cũng không cần khả năng hãm của trục vít — đai Ốc Tuy nhiên Lá vận có thể hãm được các cụm chuyển động bằng cách hãm bằng động cơ

Chiêu cao làm việc của hiên đang ren:

Chọn đại óc bang déng thanh có kích rước như Hình 2.4:

Nguyen Ruan Dao Trang 37