Thiết kế và chế tạo Máy khắc gỗ

Các làng nghề điêu khắc gỗ vẫn được duy trì và hầu hết sử dụng phương pháp điêu khắc bằng tay, điều này đòi hỏi tay nghề cao, sự tỉ mỉ của các nghệ nhân.. Nguyên lý của phương pháp này l

phía, cuối cùng em đã hoàn thành được luận văn tốt nghiệp của mình.

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy Đoàn Thế Thảo, người

đã trực tiếp hướng dẫn, dành nhiều thời gian chỉ bảo tận tình, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý báu cho em, giúp em hoàn thành luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, những người đã luôn bên cạnh động viên, giúp đỡ em trong thời gian em học tập cũng như trong giai đoạn thực hiện luận văn

Cuối cùng, với lời biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy/Cô trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã giành nhiều thời gian, công sức và tâm huyết để truyền đạt những kiến thức quá báu cho em trong suốt quá trình

trong đời sống hàng ngày Công nghệ khắc gỗ đang phát triển rất mạnh mẹ với nhiều máy móc, kỹ thuật tiên tiến Trong số đó, khắc gỗ bằng tia laser là một công nghệ đang rất phổ biến Đề tài này sẽ trình bày quá trình tìm hiểu, thiết kế và điều khiển máy khắc gỗ bằng laser dạng bàn máy 2D, có thể khắc được chữ, logo lên gỗ và một số vật liệu khác Máy khắc có thể ứng dụng được vào thực tế với việc khắc móc khóa, quà lưu niệm…

2

3

4

5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Yêu cầu thực tiễn.

Ngày nay, các sản phẩm bằng gỗ đang ngày được ưa chuộng bởi vẻ đẹp và sự sang trọng của nó Các sản phẩm bằng

gỗ cũng vô cùng phong phú, đa dạng như bàn ghế, giường gỗ, tủ

gỗ, các món quà lưu niệm bằng gỗ cũng vô cùng dễ thương.Trước nhu cầu ngày càng lớn như vậy, máy khắc gỗ ra đời

đã tiết kiệm được rất nhiều thời gian, công sức, giảm giá thành sản phẩm Những sản phẩm được tạo ra đạt độ chính xác và tin cậy cao, đa dạng hơn về mẫu mã, kích thước Vì vậy, việc chế tạo máy khắc gỗ là vô cùng cần thiết

Một số sản phẩm bằng gỗ:

6

Hình 1.1.1.1 Quà lưu niệm từ gỗ.

7

Hình 1.1.1.2 Tượng gỗ.

1.2 Tình hình máy khắc gỗ hiện nay.

Hiện nay, trên thì trường có rất nhiều loại máy khắc gỗ, đa dạng về mẫu mã, chủng loại, kích thước Tùy theo nhu cầu sử dụng mà người ta chọn các loại máy khắc gỗ cho phù hợp

8

Hình 1.2.1.1 Máy khắc gỗ CNC ST1325B – MG.

Máy sử dụng để chế tạo các biển hiệu, nhãn mác, mô hình điêu khắc, sản phẩm nghệ thuật từ gỗ

 Một số đặc điểm tính năng của máy :

• Tốc độ làm việc cao Tốc độ di chuyển cao nhất của các trục lên tới 30m/phút

• Bàn điều chỉnh dao tự động

• Được bố trí thiết bị hút bụi chân không chuyên nghiệp

• Vận hành ổn định, độ chính xác cao, tiếng ồn nhỏ

• Có thể là việc tự động, năng suất cao

• Hệ thống điều khiển công nghiệp chuyên nghiệp, với chức năng hoàn thiện, tính năng ổn định, tính tương thích phần mềm mạnh mẽ

9

• Ngoài ra, trên thị trường cũng có nhiều loại máy khắc bằng laser.

 Máy khắc laser mini Neje

Hình 1.2.1.2 Máy khắc laser mini Neje

Hình 1.2.1.3 Máy laser JL-K1390

• Ứng dụng:

 Ngành công nghiệp quảng cáo: cắt nhựa, cắt khắc kính, pha lê

 Tiểu thủ công nghiệp: Chạm khắc hoa văn và văn bản lên gỗ, tre, ngà voi, xương, da, đá cẩm thạch và các vật liệu khác

11

 Bao bì và in ấn công nghiệp: khắc in tấm cao su, tấm nhựa, tấm đôi, dao cắt cắt board.

 Ngành may mặc và da: Cắt, khắc hoa văn trên quần áo, đồ nội thất, găng tay, túi xách, giày dép, mũ, da, da tổng hợp, da, vải, lông thú

 Các ngành công nghiệp khác: cắt khắc đá cẩm thạch, đá granit và vật liệu xây dựng, cắt giấy, thiệp chúc mừng và hàng thủ công giấy khác

• Vật liệu khắc: gỗ thông.

1.4 Tổ chức luận văn tốt nghiệp.

• Chương 1: Tổng quan

• Chương 2: Phân tích và lựa chọn phương án

• Chương 3: Tính toán, thiết kế cơ khí

• Chương 4: Thiết kế mạch điện

• Chương 5: Thiết lập thông số và điều khiển

• Chương 6: Tổng kết

• Tài liệu tham khảo

13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn phương pháp gia công.

Hiện nay, các sản phẩm được khắc từ gỗ đang ngày càng được yêu thích Bởi vậy, các phương pháp khắc gỗ cũng ngày càng được cải tiến nhằm tạo ra các sản phẩm đẹp, đa dạng về mẫu mã để phục vụ yêu cầu của khách hàng

2.1.1 Gia công bằng phương pháp cắt gọt

Đây là một phương pháp truyền thống trong lĩnh vực khắc

gỗ Các làng nghề điêu khắc gỗ vẫn được duy trì và hầu hết sử dụng phương pháp điêu khắc bằng tay, điều này đòi hỏi tay nghề cao, sự tỉ mỉ của các nghệ nhân Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì điêu khắc gỗ cũng không ngừng được cải tiến Nhiều máy cắt, khắc gỗ ra đời Điển hình là các máy CNC, máy điêu khắc gỗ Những máy này có công suất lớn, độ chính xác cao, tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức để hoàn thành sản phẩm Tuy nhiên, giá thành máy cùng với chi phí bảo dưỡng, sửa chữa cao nên máy chủ yếu được sử dụng trong các công ty,

xí nghiệp quy mô lớn, không thích hợp với các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ

Hình 2.1.1.1 Một số tác phẩm điêu khắc gỗ.

2.1.2 Gia công bằng bút lửa

Nguyên lý của phương pháp này là sử dụng nguồn điện làm nóng một đầu kim loại, sau đó dùng đầu kim loại nóng đó để khắc lên gỗ

Hình 2.1.2.1 Khắc gỗ bằng bút lửa.

Về cơ bản thì phương pháp này khá đơn giản, so với các loại máy khắc gỗ khác thì chi phí đầu tư cho phương pháp này thấp hơn, dụng cụ có thể tự chế tạo Tuy nhiên, phương pháp này lại đòi hỏi sự tỉ mỉ, tinh tế của người khắc Việc điều chỉnh nhiệt

độ của đầu khắc để điều chỉnh độ đậm nhạt của bức tranh cũng hết sức khó khăn

2.1.3 Gia công bằng tia laser

Phương pháp này khá giống với phương pháp gia công bằng bút lửa Đó là sử dụng nhiệt để đốt cháy vật liệu cần khắc Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều ưu điểm vượt trội đó là tốc

độ khắc cao, độ chính xác được cải thiện và không sinh lực trong quá trình làm việc

Hình 2.1.3.1 Khắc gỗ bằng tia laser.

 Lựa chọn phương án: sau khi phân tích, so sánh các phương án thì em quyết định chọn phương án sử dụng phương pháp gia công bằng tia laser

2.2 Lựa chọn cơ cấu máy.

2.2.1 Cơ cấu tay máy

Hình 2.2.1.1 Tay máy khắc gỗ.

Phương pháp này có ưu điểm là khá linh hoạt bởi cơ cấu tay máy có nhiều bậc tự do Tuy nhiên, tốc độ hoạt động lại không cao, việc điều khiển chính xác quỹ đạo của tay máy cũng gặp nhiêu khó khăn

2.2.2 Cơ cấu bàn máy

Hình 2.2.2.1 Máy khắc laser sử dụng cơ cấu bàn máy.

Cơ cấu này đang được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều loại máy cắt khắc laser, bởi kết cấu đơn giản, dễ chế tạo Cùng với độ

là tốc độ làm việc khá cao và việc điều khiển cũng không quá phức tạp

 Lựa chọn phương án: Sử dụng bàn máy 2D

2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động.

Sau khi lựa chọn cơ cấu bàn máy 2D thì em tiếp tục lựa chọn phương án truyền động cho bàn máy

2.3.1 Phương án dùng vít me đai ốc thường

Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X, Y, Z), từ đó làm cho bộ phận đó

chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động.

Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2

mm, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của

bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao Ví dụ nếu dùng động cơ bước với bước góc 1.8 độ và trục ren đường kính 6mm (bước ren 1mm) thì độ chính xác di chuyển có thể đạt được là 0.005mm

Một ưu điểm khác của phương án này là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia công các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…

Hình 2.3.1.1 Cơ cấu dùng vít me.

2.3.2 Phương án dùng vitme đai ốc bi

Đây là dạng vít me – đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm là chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

Hình 2.3.2.1 Vít me đai ốc bi.

Các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me, đai

ốc, các viên bi và rãnh hồi bi Vấn đề quan trọng nhất trong cơ cấu bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profile răng vít me và đai ốc Profile răng vít me dạng chữ nhật và hình thang là chế tạo

dễ dàng hơn cả Tuy nhiên do độ cong của 2 bề mặt khác nhau quá lớn dẫn đến ứng suất tiếp xúc tăng và khả năng chịu tải kém, nên 2 profile này ít được sử dụng Để tăng khả năng chịu tải, người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo profile dạng tròn

Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền

đó là kết cấu của rãnh hồi bi Rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp

• Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng nhiều hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn.

Phương án dùng này có độ chính xác cao, chịu được tải lớn, tuy nhiên giá thành cao

2.3.3 Phương án dùng đai răng

Hình 2.3.3.1 Cơ cấu truyền động sử dụng bộ truyền đai răng

Phương án dùng đai răng sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 pulley có cùng kính thước răng cưa của đai Một pulley bắt chặt vào trục động cơ, còn pulley kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể quay tự do tại chỗ Một đoạn của đai được gắn với bộ phận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di chuyển theo.

Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc

độ động cơ và đường kính của lỗ Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi của pulley (thường là cỡ 20 - 30 mm) Phương án này có thể làm việc ở tốc

độ cao

Tuy nhiên, do độ chính xác di chuyển thấp vì tính co giãn của vật liệu làm đai có thể dẫn đến những sai lệch khi gia công Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu truyền động gặp phải tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng với động cơ bước).Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di chuyển nhanh mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt decan

2.3.4 Phương án dùng xích

Hình 2.3.4.1 Truyền động bằng xíchTương tự như phương án dùng đai, chỉ khác là bánh đai được thay bằng bánh xích, và dây đai được thay bằng dây xích

ăn khớp với bánh xích Phương án này có ưu điểm là độ chính xác cao vì ít giãn và không trượt Tuy nhiên phương án này lại cần bôi trơn và bảo trì thường xuyên, đồng thời vẫn tồn tại vấn

đề trượt bước của động cơ bước khi gặp phải tải lớn (nếu dùng động cơ bước)

 Lựa chọn phương án : Với việc chế tạo mô hình một máy khắc laser yêu cầu về độ chính xác cao, bền, dễ dàng sữa chữa và thay thế khi hư hỏng xảy

ra, nên em quyết định chọn phương án truyền động bằng vít me đai ốc bi

2.4 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho các trục.

2.4.1 Dẫn hướng bằng trục trơn.

Hình 2.4.1.1 Dẫn hướng bằng cặp trục trơn

Theo phương án này, trục vít me được bố trí cố định với khung máy ở giữa hai trục trơn Khi động cơ quay vít me, đai ốc gắn cố định trên bàn máy hoặc đầu gá dụng cụ sẽ di chuyển kéo theo bàn máy hoặc đầu gá dụng cụ di chuyển theo Cả cơ cấu sẽ trượt trên cặp trục trơn như hình

Ưu điểm của phương án này đó là dễ chế tạo các trục trơn

và cơ cấu gá các trục trơn lên khung máy, dẫn hướng và chống xoay tốt Song nhược điểm chính là độ không song song giữa hai trục có thể khiến cho cơ cấu di chuyển bị kẹt Khi đó sẽ phải cạo sửa các trục trơn và các lỗ cho trục trơn đi qua trên cơ cấu khá mất thời gian và khó Mặt khác, việc đảm bảo độ nhẵn bóng của

trục trơn và lỗ để bộ phận chuyển động có thể di động một các

dễ dàng (tiếp xúc mặt) là khá khó khăn

2.4.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt bi chữ U

Thông thường chúng ta bắt gặp loại thanh trượt này ở các thiết bị gia dụng nhiều hơn là ở máy móc Chúng hiện diện ở các ngăn bàn, hộc tủ, các ngăn kéo…trong gia đình Kết cấu của nó khá là đơn giản, bao gồm 2 thanh trượt ăn khớp với và trượt lên nhau Ma sát giữa 2 thanh là khá nhỏ vì ở giữa chúng có một kết cấu các viên bi nhỏ, nên ma sát ở đây là ma sát lăn Loại này khả năng chịu tải chỉ tương đối, đồng thời độ chính xác không cao,

có một độ rơ nhất định khi sử dụng Tuy nhiên lại có ưu điểm là

rẻ tiền, dễ dàng gá đặt, có bán sẵn theo modun trên thị trường với các kích thước bề rộng và chiều dài khác nhau

Hình 2.4.2.1 Thanh trượt bi chữ U2.4.3 Dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá

Theo phương án này, trục vít me được nối với động cơ được gắn chặt vào phần cố định của mang cá dưới Đai ốc được gắn chặt vào phần mang cá trên Khi động cơ quay trục vít me, đai ốc sẽ kéo mang cá trên mang bộ phận cần chuyển động trượt tịnh tiến dọc theo rãnh của mang cá dưới bàn máy.

Phương án này có ưu điểm là kết cấu máy sẽ rất gọn nhẹ và mang tính công nghệ cao, chịu tải lớn, ma sát thấp, độ chính xác cao, tùy theo thiết kế rãnh mang cá mà có thể dễ dàng khử rơ do mòn theo thời gian, có kết cấu gần giống với máy CNC trong công nghiệp Tuy nhiên lại có nhược điểm là việc gia công sống trượt mang cá phức tạp và mất nhiều thời gian hơn việc sử dụng các trục trơn, vì trục trơn có thể mua sẵn trên thị trường

Hình 2.4.3.1 Dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá

2.4.4 Dẫn hướng bằng bộ ray trượt - con trượt

Xét về kết cấu, loại dẫn hướng này khá tương tự loại sống trượt dạng mang cá, tuy nhiên điểm khác biệt là gồm 2 thanh

giống nhau, bề ngang nhỏ hơn, khi gá đặt cũng như cặp trục trơn, loại này cũng phải đảm bảo về độ song song và đồng phẳng Loại này có ưu điểm là rất gọn nhẹ, khả năng chịu tải cao, có bán sẵn modun trên thị trường với các kích thước khác nhau, rất phong phú để lựa chọn Đồng thời các bộ phận ăn khớp của nó

đã được chế tạo sẵn, người sử dụng chỉ cần mua về và gá đặt là

có thể sử dụng được Trong thanh trượt, tùy loại thì có thể dùng bạc trượt hoặc bi Hệ số ma sát của thanh trượt này tương đối nhỏ

Hình 2.4.4.1 Bộ trượt vuông TBI

 Lựa chọn phương án

Sau khi xem xét qua 4 phương án nêu trên, em quyết định chọn phương án phương án dẫn hướng bằng cặp trục trơn để dễ dàng mua, dễ dàng gá đặt, phù hợp với phương pháp gia công và chế tạo đơn giản.

• Phải có mạch nguồn riêng

• Dải tốc độ điều khiển hẹp

• Đáp ứng chậm nếu như mạch điều khiển phức tạp

Hình 2.5.1.1 Động cơ DC.

2.5.2 Động cơ AC

 Ưu điểm :

• Cấp nguồn trực tiếp từ mạng điện xoay chiều

• Đa dạng về chủng loại, giá thành rẻ

Hình 2.5.1.2 Động cơ AC.

2.5.3 Động cơ bước

 Ưu điểm :

• Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi

• Thích hợp với các thiết bị điều khiển số

• Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC

Hình 2.5.1.3 Động cơ bước.

 Lựa chọn phương án

Sau khi so sánh các phương án thì em quyết định dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3.1 Lựa chọn bộ truyền vít me – đai ốc.

 Các thông số đầu vào :

• Độ chính xác gia công trên trục: 0,1 mm

• Thời gian hoạt động: 20000 giờ

• Tổng khối lượng tác dụng lên trục: 20 kg

a K

F d

• Đường kính trung bình ren d = 16mm.

• Bước ren p = 5 mm

• Khả năng tải động lớn nhất: Ca = 1350 kgf = 13,5 kN

• Khả năng tải tĩnh lớn nhất: C0a = 3052 kgf = 30,52 kN

Hình 3.1.1.1 Thông số vít me bi TBI-SFU.Kiểm nghiệm theo khả năng tải động:

1 3

d

C =Q L

Trong đó:

• Khối lượng trên trục X: 2 kg.

• Hệ số ma sát của ray trượt: 0,1

Lực dọc trục trên trục X: F a =µ .m g=0,1.2.10 2=

N

Trong trường hợp này, chuyển động quay của trục động cơ biến thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc, nên moment xoắn trên trục động cơ được xác định theo công thức:

• d2: đường kính trung bình ren.

• γ : góc nâng vít

• ρ': góc ma sát tương đương cặp ren vít

Công thức tính góc nâng vít:

1 2

1.5

3,14.16

o s

z p d

ρρ

Hình 3.2.1.1 Thông số động cơ bước 23HS0408.

3.2.2 Động cơ trục Y

• Tốc độ trục X: 1500mm/phút

• Đường kính trục vít me: 16 mm

• Khối lượng trên trục X: 20 kg

• Hệ số ma sát của ray trượt: 0,1

Lực dọc trục trên trục X: F a =µ .m g=0,1.20.10 20=

N.Trong trường hợp này, chuyển động quay của trục động cơ biến thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc, nên moment xoắn trên trục động cơ được xác định theo công thức:

1.5

3,14.16

o s

z p d