Thuyết kế máy khắc laser

Hiện nay, các sản phẩm bằng gỗ đang ngày càng được sử dụng rộng rãi 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…

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

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

Em xin chân thành cảm ơn

ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Yêu cầu thực tiễn 1

1.2 Tình hình máy khắc gỗ 2

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

1.4 Tổ chức luận văn tốt nghiệp 5

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 6

2.1 Lựa chọn phương pháp gia công 6

2.1.1 Gia công bằng phương pháp cắt gọt 6

2.1.2 Gia công bằng bút lửa 7

2.1.3 Gia công bằng tia laser 7

2.2 Lựa chọn cơ cấu máy 8

2.2.1 Cơ cấu tay máy 8

2.2.2 Cơ cấu bàn máy 9

2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động 9

2.3.1 Phương án dùng vít me đai ốc thường 9

2.3.2 Phương án dùng vitme đai ốc bi 10

2.3.3 Phương án dùng đai răng 12

2.4 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng cho các trục 13

2.4.1 Dẫn hướng bằng trục trơn 13

2.4.2 Dẫn hướng bằng thanh trượt bi chữ U 14

2.4.3 Dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá 15

2.4.4 Dẫn hướng bằng bộ ray trượt - con trượt 16

iii

2.5 Lựa chọn động cơ 17

2.5.1 Động cơ DC 17

2.5.2 Động cơ AC 18

2.5.3 Động cơ bước 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 21

3.1 Lựa chọn bộ truyền vít me – đai ốc 21

3.2 Tính toán chọn động cơ 21

3.2.1 Động cơ trục X 21

3.2.2 Động cơ trục Y 22

3.3 Lựa chọn thanh trượt 26

3.4 Lựa chọn ổ bi 27

3.5 Thiết kế gối đỡ trục 28

3.5 Thiết kế đồ gá động cơ 30

3.6 Thiết kế mô hình 3D trên Solidworks 31

3.6.1 Cụm trục X 31

3.6.2 Cụm trục Y 31

3.6.3 Mô hình máy khắc gỗ 32

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN 34

4.1 Sơ đồ khối mạch điện 34

4.2 Board Arduino Uno R3 35

4.3 Driver động cơ bước 39

4.3.1 Giới thiệu 39

4.3.2 Cấu trúc module điều khiển động cơ bước TB6560 40

4.3.3 Thiết lập chế độ hoạt động 42

4.3.4 Sơ đồ ghép nối với mạch điều khiển 44

iv

4.4 Module relay 44

4.5 Sơ đồ đấu dây 45

CHƯƠNG 5: THIẾT LẬP THÔNG SỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN 46

5.1 Phần mềm xuất Gcode Inkscape 46

5.1.1 Giới thiệu 46

5.1.2 Các bước tạo Gcode bằng Inkscape 47

5.2 Mã nguồn mở GRBL và phần mềm GRBL Controller 50

5.2.1 Mã nguồn mở GRBL 50

5.2.2 Phần mềm GRBL Controller 51

5.3 Lưu đồ điều khiển 54

CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT 57

6.1 Kết quả đạt được 57

6.2 Hạn chế 57

6.3 Hướng phát triển của đề tài 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

v

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:

vi

Hình 1.1 Quà lưu niệm từ gỗ.

vii

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

30m/phút

thiện, tính năng ổn định, tính tương thích phần mềm mạnh mẽ

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

Hình 1.4 Máy khắc laser mini Neje

ix

voi, xương, da, đá cẩm thạch và các vật liệu khác.

cắt cắt board

tay, túi xách, giày dép, mũ, da, da tổng hợp, da, vải, lông thú

liệu xây dựng, cắt giấy, thiệp chúc mừng và hàng thủ công giấy khác

x

xi

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

xii

Hình 2.1 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 2.2 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

xiii

Hình 2.3 Khắc gỗ bằng tia laser.

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 2.4 Tay máy khắc gỗ

xiv

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 2.5 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

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 vàvit 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

xv

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 khácao 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 2.6 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

xvi

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.

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

xvii

2.3.3 Phương án dùng đai răng.

Hình 2.8 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 mặttrong Hai đầu của đai được đặt vừa vào 2 pulley có cùng kính thước răng cưa của đai Mộtpulley bắt chặt vào trục động cơ, còn pulley kia được gắn vào một trục quay ở phía bên kia củakhu vực chuyển động sao cho lô có thể quay tự do tại chỗ Một đoạn của đai được gắn với bộphận cần trượt, khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo bộ phận cần trượt di chuyểntheo

Tốc độ di chuyển của bộ phận cần trượt phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kínhcủa lỗ Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vicủa 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 dẫnđến những sai lệch khi gia công Bên cạnh đó do lực đẩy sinh ra nhỏ nên khi cơ cấu truyềnđộng 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 màkhông cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt decan

2.3.4 Phương án dùng xích

xviii

Hình 2.9: 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)

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

xix

Hình 2.10 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

xx

Hình 2.11 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 địnhcủa 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 củamang 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 dàngkhử rơ do mòn theo thời gian, có kết cấu gần giống với máy CNC trong công nghiệp Tuynhiên lại có nhược điểm là việc gia công sống trượt mang cá phức tạp và mất nhiều thời gianhơn việc sử dụng các trục trơn, vì trục trơn có thể mua sẵn trên thị trường

xxi

Hình 2.12: 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 trườngvới 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

xxii

Hình 2.13 Bộ trượt vuông TBI.

Sau khi xem xét qua 4 phương án nêu trên, em quyết định chọn phương án phương

án dẫn hướng bằng thanh bộ trượt vuông để dễ dàng mua, dễ dàng gá đặt, phù hợp với phương pháp gia công và chế tạo đơn giản

 Dải tốc độ điều khiển hẹp

xxiii

Hình 2.14 Động cơ DC.

2.5.2 Động cơ AC

 Đa dạng về chủng loại, giá thành rẻ

Hình 2.15 Động cơ AC.

2.5.3 Động cơ bước

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

 Thích hợp với các thiết bị điều khiển số

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

Lực dọc trục trên trục X: F a  .m g0,1.2.10 2 N

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

 : góc ma sát tương đương cặp ren vít

Công thức tính góc nâng vít:

1 2

3,14.16

o s

z p d

Hình 3.2 Thông số động cơ bước 23HS0408.3.2.2 Động cơ trục Y

xxviii

Lực dọc trục trên trục X: F a  .m g 0,1.20.10 20 N.

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

3,14.16

o s

z p d

a K

F d

Dựa vào 2 thông số bước ren và đường kính trung bình, em chọn bộ truyền vít

me – đai ốc SFU01605 của hãng TBI với các thông số cơ bản như sau:

xxx

 Bước ren p = 5 mm.

Hình 3.1 Thông số vít me bi TBI-SFU.Kiểm nghiệm theo khả năng tải động

xxxi

1 3

Ta thấy C d C a nên trục vít me đã chọn thỏa mãn điều kiện

3.3 Lựa chọn thanh trượt.

Để dẫn hướng cho các trục, ta sử dụng thanh trượt trượt tròn :

Hình 3.2 Thanh trượt tròn

Để sử dụng thanh trượt, chúng ta cần gối đỡ cho thanh trượt tròn để lắp đặt nó vào khung máy khắc gỗ :

xxxii

Hình 3.3 Gối đỡ ray trượt tròn SHF.

3.m 155 225 942,74

tt

Ta thấy C tt 942,74N C 3450N nên đảm bảo bền

Tính toán lại tuổi thọ theo công thức:

3

2620

4829,57155

m

C L Q

Hình 3.4 Kích thước gối đỡ trục vít me.

Thiết kế trên phần mềm solidworks:

Hình 3.5 Gắn gối đỡ vào thân máy trên phần mềm Solidworks

xxxv