Luạn văn Máy khắc lazer

Các kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài sẽ giúp em nắm bắt được các kiến thức cơ bản của công nghệ khắc laser cũng như tạo điều kiện để có thể phát triển ứng dụn

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Công Bằng đã hướng dẫn tận tình và cho em những kinh nghiệm, kiến thức quý báu trong quá trình thực hiện đề tài Những kiến thức này không chỉ giúp em hoàn thành luận văn mà còn là hành trang theo em bước vào cuộc sống sau này

Em xin cảm ơn các bạn cùng nhóm làm luận văn do thầy Phạm Công Bằng hướng dẫn, xin cám ơn các bạn cùng làm việc, nghiên cứu tại phòng 202 C1 Các bạn

đã góp ý, giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình làm luận văn

Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến tất cả quý thầy cô giảng dạy ở Khoa Cơ Khí – Trường Đại học Bách Khoa TP HCM Quý thầy cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Hiện nay công nghệ laser dần trở nên phổ biến, được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp, đời sống và khoa học Trong đó, ứng dụng khắc laser là một trong những ứng dụng phổ biến hơn cả, nhờ sự độc đáo và đa dạng về sản phẩm của nó Ở nước ta, hầu hết các máy khắc laser đều được nhập về, chứ chưa được chú tâm nghiên cứu, phát triển và sản xuất rộng rãi Với mục đích nghiên cứu công nghệ khắc hình bằng laser và ứng dụng vào bàn máy CNC 2D hiện có, nên em quyết định thực hiện đề tài luận văn này Các kết quả đạt được từ quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài sẽ giúp em nắm bắt được các kiến thức cơ bản của công nghệ khắc laser cũng như tạo điều kiện để có thể phát triển ứng dụng vào thực tế

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU ix

Chương 1: Tổng quan 1

1.1 Giới thiệu về khắc laser 1

1.1.1 Tia laser và các ứng dụng 1

1.1.2 Các công nghệ khắc laser 2

1.2 Phát triển ứng dụng khắc laser 4

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài 5

1.3.1 Mục tiêu đề tài 5

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài 6

1.3.3 Phạm vi đề tài 6

1.4 Tổ chức luận văn 7

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D 8

2.1 Tổng quan về bàn máy CNC 2D 8

2.2 Mô hình cơ khí 9

2.2.1 Cụm khung 9

2.2.2 Cụm thanh trượt - con trượt 10

2.2.3 Cụm động cơ 10

2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng 11

2.2.5 Cụm pulley bị động 11

2.2.6 Cụm cơ cấu chấp hành 12

2.3 Phân tích động học bàn máy CNC 2D 12

2.3.1 Phân tích động học thuận 13

2.3.2 Phân tích động học ngược 14

2.4 Hệ thống điện 14

2.4.1 Hệ thống điện động cơ và mạch công suất 15

2.4.2 Hệ thống điện của bộ phận công tác và cảm biến 16

2.5 Bộ điều khiển 17

2.5.1 Giới thiệu về card điều khiển 17

2.5.2 Sử dụng card PCI- 8164 điều khiển bàn máy 18

2.6 Kết luận 21

Chương 3: Xây dựng ứng dụng xử lý ảnh 22

3.1 Tìm hiểu về ảnh kỹ thuật số 22

3.1.1 Ảnh kỹ thuật số 22

3.1.2 Hệ tọa độ trong ảnh số 24

3.2 Quá trình xử lý ảnh xám 25

3.2.1 Cải thiện, nâng cao chất lượng ảnh sử dụng toán tử điểm 25

3.2.2 Lọc ảnh xám 28

3.3 Ứng dụng xử lý ảnh bằng thư viện EmguCV 29

3.3.1 Giới thiệu thư viện EmguCV 29

3.3.2 Ứng dụng các chức năng của thư viện EmguCV vào đề tài luận văn 29

3.4 Xây dựng ứng dụng xử lý ảnh 30

3.4.1 Xây dựng giải thuật 30

3.4.2 Viết chương trình ứng dụng xử lý ảnh 32

3.4.3 Đánh giá kết quả của ứng dụng xử lý ảnh 33

3.4.4 Cải tiến ứng dụng xử lý ảnh 35

3.4.5 Xây dựng dữ liệu cho ứng dụng khắc 41

3.5 Kết luận 42

Chương 4: Xây dựng chương trình điều khiển cho ứng dụng khắc 43

4.1 Xây dựng chương trình điều khiển 43

4.1.1 Xây dựng giải thuật 43

4.1.2 Viết chương trình điều khiển cho ứng dụng khắc 46

4.2 Thực nghiệm xác định các thông số khắc 47

4.2.1 Các thông số ảnh hưởng tới chất lượng ảnh khắc 47

4.2.2 Thực nghiệm xác định các thông số khắc 48

4.3 Kết luận 49

Chương 5: Tổng kết và định hướng phát triển cho đề tài 50

5.1 Tổng kết đề tài 50

5.2 Định hướng phát triển cho đề tài 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Tia laser [1] ……… 1

Hình 1.2: Một số ứng dụng của tia laser [2] ……… 1

Hình 1.3: Tạo vết khắc lõm trên kim loại [3] ……… 2

Hình 1.4: Tôi trên kim loại [3] ……… 3

Hình 1.5: Tạo dạng bọt nổi trên nhựa [3] ……… 3

Hình 1.6: Đốt cháy làm đổi màu nhựa [3] ……… 3

Hình 1.7: Mô hình ban đầu của thiết bị CNC 2D [4] ……… 4

Hình 1.8: Khắc chữ bằng tia laser [5] … ……… 4

Hình 1.9: Khắc ảnh bằng laser [6] ……… 5

Hình 1.10: Đầu phát laser Box ……… 6

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bàn máy CNC 2D ……… 8

Hình 2.2: Sơ đồ lắp cụm khung ……… 9

Hình 2.3: Cụm thanh trượt- con trượt ……… 10

Hình 2.4: Sơ đồ lắp cụm động cơ ……… 10

Hình 2.5: Sơ đồ lắp cụm pulley dẫn hướng ……… 11

Hình 2.6: Sơ đồ lắp cụng pulley bị động ……… 12

Hình 2.7: Sơ đồ lắp cụm cơ cấu chấp hành ……… 12

Hình 2.8: Sơ đồ phân tích động học bàn máy ……… 13

Hình 2.9: Driver CD420-0040-0031AA-000 [7] … ……… 15

Hình 2.10: Sơ đồ mạch điện của đầu công tác và cảm biến ……… 17

Hình 2.11: Các cụm chức năng của card PCI- 8164 ……… 18

Hình 2.12: Giải thuật di chuyển từ điểm tới điểm ……… 20

Hình 2.13: Giao diện chương trình điều khiển bàn máy ……… 20

Hình 2.14: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D ……… 21

Hình 3.1: Không gian màu RGB ……… 22

Hình 3.2: Ảnh xám ……… 23

Hình 3.3: Ảnh nhị phân ……… 24

Hình 3.4: Hệ tọa độ trong ảnh ……… 24

Hình 3.5: Thay đổi độ sáng của ảnh ……… 25

Hình 3.6: Thay đổi độ tương phản của ảnh ……… 26

Hình 3.7: Biểu đồ histogram ……… 26

Hình 3.8: Thuật toán cân bằng histogram ……… 27

Hình 3.9: Cân bằng histogram ……… 28

Hình 3.10: Phương pháp lọc ngưỡng ảnh xám ……… 28

Hình 3.11: Lọc ảnh xám bằng cách phân ngưỡng ……… 29

Hình 3.12: Lưu đồ quá trình xử lý ảnh ……… 31

Hình 3.13: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh ……… 32

Hình 3.14: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 1 ……… 33

Hình 3.15: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 2 ……… 33

Hình 3.16: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 3 ……… 34

Hình 3.17: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 4 ……… 34

Hình 3.18: Ảnh halftone [8] … ……… 35

Hình 3.19: Biểu đồ phân bố sai số cho bốn điểm ảnh lân cận [8] ……… 36

Hình 3.20: Lưu đồ giải thuật Floy – Steinberg trên 1 điểm ảnh ……… 36

Hình 3.21: Giao diện ứng dụng xử lý ảnh version 2 ……… 38

Hình 3.22: Kết quả xử lý ảnh - ảnh 5 ……… 38

Hình 3.23: So sánh kết quả lọc ảnh của hai phương pháp - ảnh vật ……… 39

Hình 3.24: So sánh kết quả lọc ảnh của hai phương pháp - ảnh người ……… 39

Hình 3.25: Ảnh hưởng của DPI tới chất lượng của ảnh ……… 40

Hình 3.26: Thông báo khi nhập DPI không phù hợp ……… 41

Hình 3.27: Giá trị các điểm ảnh của ảnh halftone ……… 41

Hình 3.28: Lưu đồ tạo dữ liệu khắc ……… 42

Hình 4.1: File Data.txt chứa dữ liệu khắc ……… 43

Hình 4.2: Nội dung file Info.txt ……… 44

Hình 4.3: Định vị tấm gỗ khắc ……… 44

Hình 4.4: Lưu đồ giải thuật khắc ……… 45

Hình 4.5: Giao diện của chương trình điều khiển ……… 46

Hình 4.6: Kết quả khắc – ảnh 1 ……… 48

Hình 4.7: Kết quả khắc – ảnh 2 ……… 48

Hình 4.8: Kết quả khắc – ảnh 3 ……… 49

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Nhiệm vụ các cụm chức năng driver CD420-0040-0031AA-000 [7] … 16

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation trong tiếng Anh, và có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích" Các photon sinh ra trong quá trình thay đổi mức năng lượng của các electron trong nguyên tử, được khuếch đại để tạo thành tia laser (hình 1.1)

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.2 liệt kê các ứng dụng thường thấy của tia laser như: máy in laser, máy khắc laser, máy cắt kim loại; mắt đọc đĩa DVD; máy đo khoảng cách, thiết bị hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian… Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

1.1.2 Các công nghệ khắc laser

Dựa trên cách điều khiển tia laser, công nghệ khắc có thể chia thành 2 loại:

 Công nghệ khắc laser quét chùm tia (scanning): thiết bị nhỏ gọn, khắc rất nhanh, sắc nét, dễ tự động hóa, chủ yếu dùng trong công nghiệp

 Công nghệ khắc laser chạy bàn (flatbed): thiết bị cồng kềnh, khắc chậm hơn, sắc nét, chủ yếu dùng trong dân dụng, chế tác, mô hình, quà tặng

Dựa trên bản chất tia laser có thể chia thành 2 nhóm thiết bị khắc laser cơ bản:

 Laser Nd: YAG, Fiber: đánh dấu, khắc laser trên kim loại và nhựa cứng

 Laser CO2: đánh dấu, khắc, cắt trên phi kim loại

Hiện nay có nhiều công nghệ khắc laser được hình thành và phát triển Hình 1.3 đến hình 1.6 thể hiện một số công nghệ trong khắc laser

Hình 1.3: Tạo vết khắc lõm trên kim loại [3]

Nguyên lý của công nghệ tạo vết khắc lõm trên kim loại (hình 1.3) là sử dụng tia laser có công suất cao làm nóng chảy một bộ phận bề mặt kim loại, sau đó thổi luồng khí có áp suất cao vào để thổi bay bộ phận bị nóng chảy

Tôi trên kim loại (hình 1.4) cũng sử dụng laser có công suất cao để đốt nóng bề mặt vật liệu Sau đó sử dụng các chất làm mát để tôi bộ phận bị đốt nóng Vùng bị tôi

sẽ có màu khác với màu ban đầu nên tạo ra vết khắc trên kim loại

Chương 1: Tổng quan

Hình 1.4: Tôi trên kim loại [3]

Công nghệ tạo dạng bọt nổi (hình 1.5) ứng dụng nguyên lý giãn nở thể tích của vật liệu khi bị đốt nóng Các vật liệu được sử dụng không có khả năng phục hồi lại thể tích ban đầu sau khi làm nguội

Hình 1.5: Tạo dạng bọt nổi trên nhựa [3]

Công nghệ đốt cháy (hình 1.6) là dùng tia laser đốt cháy một bộ phận bề mặt vật liệu Vùng bị đốt cháy sẽ có màu đen, tạo thành vết khắc trên vật liệu Vật liệu được sử dụng là các vật liệu dễ cháy như gỗ, nhựa Công nghệ đốt cháy được sử dụng chủ yếu trên các vật liệu phi kim do yêu cầu tính công nghệ không cao

Hình 1.6: Đốt cháy làm đổi màu nhựa [3]

Chương 1: Tổng quan

1.2 Phát triển ứng dụng khắc laser

Đề tài được nghiên cứu là xây dựng ứng dụng khắc laser dựa trên bàn máy CNC 2D sẵn có của bộ môn Cơ Điện Tử, khoa Cơ khí, trường đại học Bách khoa Hồ Chí Minh Thiết bị được thiết kế và chế tạo bởi sinh viên Lê Đình Trường Sơn (hình 1.7) Thiết bị là một loại máy CNC 2 bậc tự do, dạng trục độc lập và truyền động bằng đai Bàn máy được điều khiển bằng card PCI-8164 Đầu công tác có thể dễ dàng tháo lắp

và thay đổi, nên có nhiều hướng phát triển ứng dụng cho thiết bị này Cho đến nay, thiết bị đã được nghiên cứu và phát triển các ứng dụng như vẽ chữ, hút vật tròn và tạo hình, ứng dụng camera…

Hình 1.7: Mô hình ban đầu của thiết bị CNC2D [4]

Ứng dụng khắc laser cũng đã được nghiên cứu bởi sinh viên Phan Nguyễn Minh Văn, với đề tài khắc chữ bằng tia laser trên vật liệu gỗ và sử dụng camera định vị tọa

độ, sản phẩm được thể hiện ở hình 1.8

Hình 1.8: Khắc chữ bằng tia laser [5]

 Giải thuật chỉ cho phép đi theo biên dạng bên ngoài, chưa “tô” được ảnh

Hiện nay, thị trường trong nước đang có nhu cầu khá cao về những mặt hàng liên quan tới ứng dụng khắc laser, đặc biệt trong lĩnh vực trang trí Việc khắc chân dung, logo đội bóng lên các vật liệu như gỗ, mica hay kim loại trở nên dễ dàng và nhanh chóng nhờ vào công nghệ khắc laser Sản phẩm khắc bằng laser được ưa chuộng nhờ chất lượng nét khắc, sự đa dạng về vật liệu khắc và tính độc đáo lạ mắt của sản phẩm Hình 1.9 giới thiệu một số sản phẩm khắc bằng laser trên vật liệu gỗ

Hình 1.9: Ảnh khắc bằng laser [6]

Trên cơ sở nhu cầu thị trường và bàn máy CNC 2D sẵn có, đề tài này phát triển khắc laser theo hướng khắc hình trên vật liệu gỗ, nhằm mục đích hoàn thiện hơn ứng dụng khắc dụng khắc laser, phát huy khả năng của bàn máy CNC 2D

1.3 Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài

1.3.1 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu đề tài là xây dựng thuật toán, lập trình giao diện trên máy tính, viết chương trình điều khiển bàn máy CNC 2D thực hiện khắc hình trên vật liệu gỗ

Chương 1: Tổng quan

Chương trình xử lý ảnh sẽ xử lý ảnh của người dùng muốn khắc để tạo ra các thông số, dữ liệu cần thiết và chính xác cho chương trình khắc Chương trình chạy bàn máy sẽ đọc dữ liệu để thực hiện chương trình khắc Mục tiêu của chương trình là phải chạy đúng theo dữ liệu được tạo Ứng dụng phải đáp ứng nhu cầu đơn giản, trực quan,

thuận tiện cho người sử dụng

1.3.2 Nhiệm vụ đề tài

Để thực hiện mục tiêu đưa ra, đề tài cần phải giải quyết các nhiệm vụ sau:

 Tìm hiểu bàn máy CNC 2D hiện có:

 Về kết cấu cơ khí, phân tích động học…

 Về sơ đồ đấu dây mạch điện, động cơ, driver, card điều khiển

 Lập trình và xây dựng chương trình chạy bàn máy

Chương 1: Tổng quan

 Đề tài sử dụng đầu phát laser Box (hình 1.10), tia sáng xanh dương, có công suất 2W

 Vật liệu khắc là các mẫu gỗ có kích thước 70×60×5 mm

 Ảnh đầu vào là ảnh màu thuộc các định dạng JPG, PNG, GIF

 Chương 3: tìm hiểu về xử lý ảnh, xây dựng chương trình xử lý ảnh, tạo dữ liệu ảnh khắc

 Chương 4: xây dựng giải thuật khắc, viết chương trình điều khiển bàn máy và đi khảo sát bộ thông số của laser

 Chương 5: tổng kết và định hướng phát triển cho đề tài

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

CHƯƠNG 2

TÌM HIỂU MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC 2D

Để xây dựng và phát triển ứng dụng khắc hình bằng tia laser, trước hết cần phải nắm rõ được bản chất và tính năng của bàn máy CNC 2D Chương này sẽ trình bày phần tìm hiểu tổng quan về bàn máy CNC 2D dẫn động bằng đai, bao gồm mô hình cơ khí, hệ thống điện, bộ điều khiển và lập trình điều khiển bàn máy

2.1 Tổng quan về bàn máy CNC 2D

Bàn máy CNC 2D dẫn động bằng dây đai được thiết kế theo mô hình H-bot (hệ thống 2-DOF dẫn động bằng một dây đai duy nhất) Tên gọi H-bot bắt nguồn từ hình dáng bên ngoài của bàn máy này giống hình chữ H Hình 2.1 là sơ đồ nguyên lý của bàn máy

7

8

9

10 11

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bàn máy CNC 2D Bàn máy gồm có 2 động cơ (10) là M1, M2 điều khiển vị trí của đầu công tác (2) thông qua hệ thống truyền động là dây đai (6), các pulley (5, 7, 11), các thanh trượt

1- Con trượt ngang 2- Vùng làm việc 3- Thanh trượt ngang 4- Pulley bị động 5- Đai răng 6- Pulley dẫn hướng 7- Con trượt dọc 8- Thanh trượt dọc 9- Động cơ

10- Pulley chủ động 11- Đầu phát laser

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

(4, 9) và các con trượt (3, 8) Đặc trưng của bàn máy là vị trí đầu công tác được điều khiển nhờ sự kết hợp đồng thời chuyển động của hai động cơ thông qua chỉ một dây đai đơn Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống này là:

 Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản, dễ tháo lắp, dễ triển khai

 Giá thành rẻ

 Phạm vi làm việc rộng và dễ dàng thay đổi

 Đơn giản trong việc tính sức bền cơ cấu

 Nhược điểm:

 Truyền động bằng đai nên khả năng chịu tải kém, chịu sai số do giãn đai

 Cơ cấu còn mới trên thị trường, nên còn nhiều hạn chế về mặt thiết kế và điều khiển

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Cụm khung được làm bằng các thanh nhôm định hình, bao gồm hai thanh nhôm dọc (1) và hai thanh ngang (5) được ghép với nhau bở các miếng ke góc (3) thông qua mối ghép bulong Sơ đồ lắp cụm khung được thể hiện trên hình 2.2

2.2.2 Cụm thanh trượt - con trượt

Hình 2.3: Cụm thanh trượt - con trượt Cụm thanh trượt - con trượt bao gồm một cặp thanh trượt - con trượt ngang (1, 2)

để tạo chuyển động theo phương X, hai cặp thanh trượt - con trượt dọc (3, 4) để tạo chuyển động theo phương Y (hình 2.3) Kết hợp hai chuyển động theo các phương X,

Y suy ra được chuyển động của đầu công tác trong mặt phẳng OXY

2.2.3 Cụm động cơ

Hình 2.4: Sơ đồ lắp cụm động cơ

1 Con trượt ngang

2 Thanh trượt ngang

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Cụm động cơ gồm có động cơ (1) được lắp cố định vào hai giá đỡ bằng nhôm (2, 5) Hai giá đỡ được cố định vị trí thông qua các ống trụ đỡ (4) Trên trục của động cơ

có gắn pulley dẫn động (3) Mô hình cụm động cơ được thể hiện trên hình 2.4

2.2.4 Cụm pulley dẫn hướng

2 Pulley dẫn hướng 5 Tấm đỡ chữ T

3 Trụ đỡ trong 6 Đầu gá cảm biến trục dọc

Hình 2.5: Sơ đồ lắp cụm pulley dẫn hướng Cụm pulley dẫn hướng gồm có các pulley trơn (2) được gắn trên tấm nhôm (5) Tấm nhôm này còn có nhiệm vụ liên kết con trượt dọc và thanh trượt ngang Các ổ bi (1) được lắp bên trong pulley đóng vai trò giảm ma sát cho pulley khi hoạt động Ngoài ra còn có các đầu gá (4, 6) để gắn các cảm biến hành trình Mô hình cụm pulley được thể hiện trên hình 2.5

2.2.5 Cụm pulley bị động

Cụm pulley bị động được gắn cố định vào cụm khung, bao gồm một pulley răng (2) được gá đồng trục với ống trụ đỡ (4) nhằm điều chỉnh độ cao của đai so với các vị trí khác Các ổ bi (1) được lắp bên trong pulley để giảm ma sát khi hoạt động Mô hình cụm pulley bị động được thể hiện qua hình 2.6

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Hình 2.6: Sơ đồ lắp cụng pulley bị động 2.2.6 Cụm cơ cấu chấp hành

Hình 2.7: Sơ đồ lắp cụm cơ cấu chấp hành Hình 2.7 thể hiện mô hình cụm cơ cấu chấp hành, bao gồm tấm kẹp đai (2) được lắp chặt với đế (3) bằng các bulong (1) để cố định hai đầu dây đai tạo thành vòng đai kín Đế chính là con trượt ngang, vì vậy cơ cấu chấp hành có thể di chuyển khi bàn máy hoạt động Trên bề mặt của đế được khoan nhiều lỗ ren để lắp các đầu công tác Trong đề tài này, đầu công tác chính là đầu phát laser

2.3 Phân tích động học bàn máy CNC 2D

Hệ trục tọa độ OXY và chiều quay của hai trục động cơ được quy ước như trên hình 2.8 Trong đó α, β lần lượt là góc quay của hai động cơ M1, M2 Bán kính pulley chủ động là R

4 Lỗ ren

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Hình 2.8: Sơ đồ phân tích động học bàn máy 2.3.1 Phân tích động học thuận

Phân tích động học thuận là quá trình tìm vị trí của cơ cấu chấp hành khi biết trước góc quay của hai động cơ Giả sử dây đai không co giãn trong quá trình hoạt động của bàn máy, xét độ biến thiên vị trí ∆X, ∆Y trong hai trường hợp sau:

 Động cơ M1 quay, động cơ M2 đứng yên (α ≠ 0, β = 0)

Khi động cơ M1 quay một góc α còn động cơ M2 đứng yên, chiều dài đoạn dây ABDE thay đổi một lượng bằng R.α, hay:

∆AB + ∆BD + ∆DE = R.α

Do chiều dài đoạn BD không đổi, và tính đối xứng của bàn máy (∆AB = ∆DE) nên sự biến thiên độ dài theo trục OY là:

Cũng trong trường hợp này, chiều dài của đoạn dây ACDE thay đổi một lượng bằng R.α, tức là:

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

 Động cơ M1 đứng yên, động cơ M2 quay (α = 0, β ≠ 0)

Tương tự như trường hợp α ≠ 0, β = 0; nhưng do hai động cơ đối xứng nhau nên trong trường hợp này khi β > 0 thì cụm công tác đi theo chiều âm của trục OY, tức là:

{

2.4 Hệ thống điện

Hệ thống điện của bàn máy CNC 2D bao gồm hệ thống điện cấp cho hai động cơ

AC Servo, mạch công suất, các cảm biến và bộ phận công tác

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

2.4.1 Hệ thống điện động cơ và mạch công suất

Bàn máy sử dụng động cơ AC Servo SMH 60S-0040-30AAK-3LKH của hãng Kinco Automation Limited [7] Một số thông số kỹ thuật của động cơ:

Hình 2.9: Driver CD420-0040-0031AA-000 [7]

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Bảng 2.1 Nhiệm vụ các cụm chức năng của driver CD420-0040-0031AA-000 [7]

Cột B

2 ngõ vào tương tự

4 ngõ ra 100mA Các ngõ phanh hãm động cơ

Cụm X2

Nguồn động cơ Nguồn phanh động cơ Cụm đèn Led Hiển thị trạng thái hoạt động/lỗi

Cụm nút nhấn Thiết lập các thông số

Cụm encoder out Xuất tín hiện lên card điều khiển

Cụm encoder in Nhận tín hiệu từ động cơ

Một số thông số kỹ thuật đáng chú ý của Driver CD420-0040-0031AA-000:

 Công suất 400W

 Điện áp 200VAC, dòng tải 3.1 A

 Encoder Incremental

 7 ngõ vào số, 5 ngõ ra số

 Chuẩn giao tiếp RS 232

 3 chế độ điều khiển: Position, Speed, Torque

2.4.2 Hệ thống điện của bộ phận công tác và cảm biến

Bốn cảm biến hành trình (X+, X-, Y+, Y-) được gắn ở các vị trí giới hạn của hành trình Tín hiệu trả về của các cảm biến ở mức cao nhưng card điều khiển nhận tín hiệu mức thấp nên phải thông qua bốn bộ rơle chuyển đổi tín hiệu Tín hiệu điều khiển đầu công tác từ card không đủ để đáp ứng (giới hạn dòng), nên cũng cần phải thông qua bộ rơle Hình 2.10 mô tả sơ đồ mạch điện đầu công tác và các cảm biến

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

On/Off Laser

2.5.1 Giới thiệu về card điều khiển

Card điều khiển được sử dụng là card PCI 8164 của hãng Adlink Technology Incorporation Các cụm chức năng của card được thể hiện trên hình 2.11 Card giao tiếp với máy tính thông qua cổng PCI trên mainboard Cụm CN1 cấp nguồn cho card

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

PCI Cụm CN2 giao tiếp với các thiết bị ngoại vi bao gồm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ driver và các cảm biến, xuất tín hiệu điều khiển động cơ, đầu công tác và cấp nguồn (5VDC, 24VDC) cho các thiết bị ngoại vi Cụm CN3 nhận xung vào card điều khiển, cụm này nhận các tín hiệu giống tín hiệu từ encoder và chỉ nhận được 2 bộ tín hiệu như vậy Cụm CN4 xuất tín hiệu start/stop cho cùng lúc nhiều trục hoặc nhiều card

Hình 2.11: Các cụm chức năng của card PCI- 8164

Đề tài chủ yếu sử dụng cụm CN2, nên quan tâm những chân quan trọng như:

 Chân cấp xung Out+/Out-

 Chân khởi động động cơ SVON

 Chân điều khiển động cơ Dir+/Dir-

 Chân kết nối động cơ EA, EB, EZ

 Chân giới hạn hành trình PEL, MEL

 Chân cấp nguồn VPP, E_24, GND

2.5.2 Sử dụng card PCI- 8164 điều khiển bàn máy

Trong đề tài này, ứng dụng tập trung vào việc điều khiển bàn máy di chuyển từ điểm tới điểm Card PCI 8164 cung cấp hàm nội suy đường thẳng:

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

_8164_start_tr_move_xy(short CardNo, double DistX, double DistY, double StrVel, double MaxVel, double Tacc, double Tdec)

Trong đó, cần chú ý các thông số:

 DistX: số xung cấp cho động cơ M1 (xung)

 DistY: số xung cấp cho động cơ M2 (xung)

 StrVel: vận tốc bắt đầu (xung/s)

 MaxVel: vận tốc tối đa (xung/s)

 Tacc: thời gian tăng tốc (s)

 Tdec: thời gian giảm tốc (s)

Động cơ AC Servo sử dụng trong đề tài có hai kênh encoder A và B, mỗi kênh có

2500 xung, thực hiện ngắt cạnh lên và ngắt cạnh xuống, nên góc quay nhỏ nhất mà động cơ có thể thực hiện là:

Từ phương trình động học ngược (2.6), kết quả (2.7), giá trị bán kính pulley chủ động R=19,5mm, có thể tính được số xung DistX và DistY cần cấp cho hai động cơ khi biết độ dịch chuyển như sau:

{

 { (2.8) Như vậy, để điều khiển bộ phận công tác di chuyển từ điểm tới điểm, trước hết cần phải tính toán được số xung cần cấp cho các động cơ Giá trị của các xung sẽ được hàm nội suy đường thẳng sử dụng nhằm đồng bộ các động cơ và điều khiển đầu công tác duy chuyển Giải thuật điều khiển đầu công tác di chuyển từ điểm tới điểm được thể hiện qua hình 2.12

Ngoài ra, do ứng dụng phải nội suy các đoạn thẳng rất nhỏ trong thời gian ngắn, nên cần thời gian tăng (giảm) tốc nhỏ Card PCI 8164 cung cấp hàm:

_8164_fix_speed_range(short AxisNo, double OverVel)

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

Bắt đầu

Tọa độ hoặc khoảng cách giữa hai điểm A,B.

Tìm góc quay α, β

Tính toán số xung cần cấp cho 2 động cơ

Cấp xung cho động cơ

Bắt đầu

Hình 2.12: Giải thuật di chuyển từ điểm tới điểm

Hình 2.13: Giao diện chương trình điều khiển bàn máy Lưu ý rằng OverVel là vận tốc có giá trị lớn hơn vận tốc tối đa mong muốn (MaxVel) Chức năng của lệnh là nâng cao tốc độ tối đa để giảm thời gian tăng tốc đến

Chương 2: Tìm hiểu mô hình bàn máy CNC 2D

một giá trị mong muốn Tốc độ OverVel sẽ không ảnh hưởng tới giá trị vận tốc thực (MaxVel) Hàm _8164_fix_speed_range() được đặt trước hàm nội suy đường thẳng khi cần nội suy đoạn ngắn

Trong đề tài này, chương trình điều khiển được viết bằng phần mềm C# Chương trình điều khiển có chức năng kiểm soát hoạt động của bàn máy, điều khiển đầu laser

di chuyển đến tọa độ mong muốn và chạy chương trình khắc (sẽ được đề cập chi tiết ở chương 4) Giao diện của chương trình điều khiển được thể hiện trên hình 2.13

2.6 Kết luận

Đầu phát Laser

Hình 2.14: Mô hình tổng thể bàn máy CNC 2D Chương hai đã hoàn thành việc tìm hiểu bàn máy CNC 2D về mô hình cơ khí, hệ thống điện, bộ điều khiển, tính toán phương trình động học và điều khiển cơ bản bàn máy Mô hình tổng thể của bàn máy CNC 2D được thể hiện ở hình 2.14 Ngoài ra, chương hai cũng đã xây dựng chương trình điều khiển bàn máy, đồng thời giới thiệu lệnh _8164_fix_speed_range(), nhằm phục vụ cho giải thuật khắc hình sẽ được giới thiệu ở chương 4 Chương tiếp theo sẽ giới thiệu về quá trình xử lý ảnh đầu vào, tạo dữ liệu cho ứng dụng khắc