Nghiên cứu khắc bằng tia laser trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay

Mục tiêu Thiết kế và chế tạo máy khắc bằng tia laser có thể gia công trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay.. Phân tích, lựa chọn và thiết kế kết cấu, các phần tử cơ khí của m

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI MINH HIỂN

Phản biện 1: PGS.TS Phạm Đăng Phước

Phản biện 2: TS Lưu Đức Bình

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách Khoa

vào ngày 17 tháng 6 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay, nhu cầu khắc trên các bề mặt, chất liệu khác nhau như kim loại, gỗ, đá, thủy tinh, giấy, nhựa,… là rất nhiều, ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất như linh kiện điện tử, máy móc, trang thiết bị, hóa dược phẩm, bao bì, Công nghệ khắc laser ra đời mang đến một bước tiến lớn cho ngành in khắc, tạo ra đột phá về mặt sản phẩm, nâng tầm chất lượng và hạ giá thành

Công nghệ khắc laser hiện nay đang là công nghệ có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau Khắc laser không những khắc được trên các chi tiết có bề mặt phẳng mà còn khắc được trên các chi tiết có biên dạng phức tạp Với sự phát triển nhanh của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hóa và đặt biệt là độ cính xác về hình dáng hình học của sản phẩm

Do đó tác giả đề xuất giải pháp gia công trên các bề mặt có biên dạng

tròn xoay với tên đề tài “Nghiên cứu khắc bằng tia laser trên các chi

tiết có biên dạng trụ tròn xoay”

2 Mục tiêu

Thiết kế và chế tạo máy khắc bằng tia laser có thể gia công trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay

3 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

4 Phạm vi nghiên cứu

Công nghệ khắc bằng tia laser trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay

5 Nội đung nghiên cứu

Nghiên cứu về lý thuyết công nghệ CNC

Nghiên cứu về lý thuyết công nghệ gia công laser

Phân tích, lựa chọn và thiết kế kết cấu, các phần tử cơ khí của máy nhằm đảm bảo các điều kiện: hợp lý cho việc chế tạo trong nước, cứng vững, tin cậy và hoạt động hiệu quả

Phân tích, lựa chọn mạch điều khiển và các linh kiện điện tử để kết nối và điều khiển các cơ cấu chấp hành của máy

Phân tích, lựa chọn phần mềm mã nguồn mở để điều khiển máy chế tạo

Gia công thực nghiệm một số sản phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC VÀ GIA CÔNG LASER

1.1 Công nghệ CNC

1.1.1 Khái niệm điều khiển số (nc)

Điều khiển số (Numerical Control - NC) là hoạt động điều khiển

trực tiếp một hệ thống bởi dữ liệu số

Điều khiển số trong gia công cắt gọt là một hình thức tự động

hoá bằng lập trình, trong đó máy công cụ được điều khiển bởi chương

trình bao gồm các chỉ thị được mã hoá dưới dạng ký tự chữ, số và các

ký tự đặc biệt khác, trong đó chỉ thị điều khiển được chuyển đổi thành

hai dạng tín hiệu:

- Tín hiệu xung điện: điều khiển tốc độ các động cơ truyền động

tạo nên chuyển động tương đối giữa dao cắt và chi tiết gia công

- Tín hiệu đóng / ngắt (ON/OFF): thực hiện chức năng chuyển

mạch, đổi chiều quay trục chính; điều khiển các thiết bị phụ trợ như

bôi trơn làm nguội, chọn và thay dao; và các chức năng khác như dừng

máy, kẹp phôi, nhả phôi,

Theo phương thức truyền thông dữ liệu điều khiển, ta phân biệt

3 phương thức điều khiển số:

- Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control - DNC)

- Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control -

CNC)

- Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)

1.1.2 Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống CNC

Hệ thống CNC bao gồm 6 thành phần chính:

- Chương trình gia công (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)

1.1.3 Phương thức di chuyển dụng cụ

Có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số:

- Di chuyển điểm tới điểm (Point-To-Point - PTP)

- Di chuyển theo biên dạng (Contour)

1.1.4 Nội suy chuyển động

Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy chuyển động: nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol

và nội suy bậc 3 Từ dữ liệu hình học quĩ đạo di chuyển dao và chế độ nội suy yêu cầu, bộ nội suy tính toạ độ các điểm trung gian trên quĩ đạo chuyển động

Bộ nội suy (là thiết bị điện tử đối với hệ NC hoặc phần mềm đối với hệ CNC), ngoài chức năng nội suy hình học còn có chức năng tính toán tốc độ của các trục tương ứng để thực hiện chuyển động theo quĩ đạo và tốc độ di chuyển yêu cầu

Với những ưu điểm của công nghệ CNC, nó đã được phát triển

và ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới như máy tiện CNC, máy phay CNC…Tác giả cũng ứng dụng công nghệ CNC vào máy sẽ thiết kế chế tạo

1.2 Công nghệ gia công bằng laser

1.2.1 Giới thiệu về laser

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"

Hình 1.8 Ánh sáng laser từ các nguồn phát

Theo thuyết lượng tử thì trong một nguyên tử electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong Khi có sự tác động vật lý hay hóa học

từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert

Einstein Bước sóng (do đómàu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ

He hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn

1.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của laser

Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng Maser đầu tiên được tạo ra bởi Charles H Townes và sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon và H.J Zeiger vào năm 1953

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, bởi nhà vật lý Theodore Maiman tại phòng thí nghiệm Hughes Laboratory ở Malibu, California Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra

Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni

và tạo ra tia có bước sóng 850 na-nô-mét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn đầu tiên với tia phát ra có thể thấy được được trưng bày đầu tiên cùng năm đó

1.2.3 Cấu tạo của tia laser

Hình 1.9 Cấu tạo tia laser

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang Trong

đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu

Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt

có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tối Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất

đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser

1.2.4 Đặc điểm của laser

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY

2.1 Phân tích kết cấu máy

2.1.1 Phương án 1

Trong phương án này, bàn máy đứng yên và đầu laser thực hiện

chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y

Hình 2.1 Hình mô phỏng phương án 1

2.1.2 Phương án 2

Trong phương án này bàn máy chuyển động theo cả hai phương

X, Y và đầu laser đứng yên

Hình 2.2 Hình mô phỏng phương án 2

Qua các phương án trên, để máy có kết cấu đơn giản và thể gia công trên mặt phẳng và gia công trên các chi tiết có bề mặt tròn xoay tác giả xin chọn phương án 1 kết hợp phương án 3 Ở sự kết hợp này đầu khắc sẽ duy chuyển tịnh tiến theo phương X, Y còn chi tiết nếu là mặt phẳng sẽ nằm yên trên bàn máy và nếu chi tiết có biên dạng tròn xoay sẽ xoay theo trục Y

2.2 Các phương án truyền động

2.2.1 Truyền động X, Y truyền thống

Trong các kết cấu trên, ta thấy trục X, Y được truyền động bởi hai động cơ với hai bộ truyền đai răng riêng biệt Dễ dàng thấy được nhược điểm của phương án truyền động này: bộ trượt trên trục Y phải mang cả động cơ để truyền động cho trục X Như vậy trong trường hợp chuyển động với vận tốc lớn thì kết cấu truyền động trục Y chịu lực quán tính rất lớn do khối lượng của phần truyền động trục X cộng với khối lượng của động cơ dẫn động

Hình 2.5 Phương án truyền động X, Y theo truyền thống

2.2.2 Truyền động core( X, Y), H-bot

Đối hương án truyền động core(X,Y) có thể truyền động bằng một hoặc hai dây đai răng, nhưng hai động cơ được gắn cố định trên thân máy

Đối với phương án truyền động H-bot, vị trí của trục X, Y được truyền động bằng một dây đai răng và hai động cơ được gắn cố định trên thân máy

Hình 2.6 Truyền động H-bot

2.2.3 Truyền động quay chi tiết bằng mâm cặp

Đối với phương án truyền động quay chi tiết bằng mâm cặp, chi tiết được gắn cố định trên mâm cặp và động cơ được gắn cố định trên thân máy Động cơ sẽ truyền động cho mâm cặp quay

Hình 2.7 Kẹp chi tiết bằng mâm cặp tự định tâm

2.2.4 Truyền động quay chi tiết bằng con lăn

Đối vơi phương án này, chi tiết sẽ được đặt trên hai trục quay, khi trục quay chi tiết sẽ quay theo.Động cơ được gắn cố định trên thân máy và truyền động cho hai rulo

Hình 2.8 Chi tiết chuyển động nhờ hai trục quay

2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn

Kết cấu máy chế tạo được đề xuất làm từ nhôm tấm và nhôm định hình nhằm tăng tính cứng vững cho máy Tác giả chọn trục X, Y

sẽ được truyền động theo kiểu truyền thống để phù hợp cho khắc trên các chi tiết có biên bạng tròn xoay và dễ điều khiển và truyền động quay chi tiết bằng hai trục quay Phương án truyền động X,Y dây dai

sẽ cố định còn động cơ sẽ được gắn trên thanh trượt Vị trí X,Y sẽ chuyển động theo vị trí của động cơ

Hình 2.9 Thiết kế sơ bộ kết cấu trục xoay

Hình 2.14 Thiết kế sơ bộ truyền động X Y

2.3 Lựa chọn đầu khắc laser

Dựa vào trạng thái của chất tạo laser người ta phân laser thành

3 loại: laser chất rắn, laser chất khí và laser chất lỏng

Dựa trên kết cấu máy đã thiết kế với đề tài chỉ khắc trên các vật liệu

như gỗ giấy, da nên chỉ lựa chọn đầu khắc công suất nhỏ Chọn đầu khắc

laser diot tia laser xanh dương bước sóng 445nm, công suất 2W

2.4 Thông số kỹ thuật của máy

Qua những phân tích trên đề xuất chế tạo máy khắc laser với các

thông số kỹ thuật như sau:

- Kích thước bao: 520mm *320mm *270mm (chiều dài *chiều

rộng *chiều cao)

- Kích thước gia công được: mặt phẳng (X= 300mm, Y=

12mm), trụ tròn xoay (=150mm, L=300mm)

- Công xuất của đèn laser: 2W

- Vật liệu khắc: gỗ, da, giấy và nhựa

- Bề sâu khắc tối đa: 1mm

- Độ chính xác gia công: 100m

- Tốc độ tối đa của đầu khắc khi gia công 15mm/s

2.5 Tính toán động học cho máy thiết kế

2.5.1 Động học

Vận tốc góc  (rad/s) và số vòng quay n (vòng/phút) của trục

dẫn chi tiết liên quan đến vận tốc chuyển động v (mm/s) của đầu khắc

laser ( chuyển động tịnh tiến) như sau:

 = 6.4 v (rad/s)

n = 1,5v (vòng phút)

2.5.2 Tính chọn động cơ

Các thông số của động cơ được chọn dựa theo các lực tính được

từ cơ cấu chấp hành Động cơ được lựa chọn là động cơ bước đơn cực

TPS 43D1014 , bước góc 1.80, độ chính xác mỗi bước 5%, momen

xoắn 12 ( N.cm ), điện thế 3,9V, điện áp là 0,61 (A)

CHƯƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ

3.1 Mạch điều khiển

3.1.1 Các mạch điều khiển sử dụng mã nguồn mở trên thị trường

3.1.2 Arduino Uno

Arduino hiện nay đã được biết đến một cách rộng rãi tại Việt

Nam, và trên thế giới thì nó đã quá phổ biến Nhắc tới dòng mạch

Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới

chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế

hệ thứ 3 (R3)

Hình 3.2 Arduino UNO R3

3.1.3 CNC shield V3

CNC shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để

điều khiển các máy CNC mini Board có 4 khay dùng để cắm các mô

đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển3

trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC

3.1.4 Modul điều khiển động cơ bước A4988

A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half, ¼, 1/8 và 1/16

3.1.5 Kết nối USB

USB (Universal Serial Bus) là một chuẩn kết nối tuần tự đa dụng trong máy tính USB sử dụng để kết nối các thiết bị ngoại vi với máy tính, chúng thường được thiết kế dưới dạng các đầu cắm cho các thiết

bị tuân theo chuẩn cắm-là-chạy mà với tính năng cắm nóng thiết bị (nối và ngắt các thiết bị không cần phải khởi động lại hệ thống)

3.1.6 Firmware cho mạch điều khiển

Hình 3.8 Giao diện firmware

Mỗi mạch điều khiển cần được cài đặt cấu hình thông qua firmware Firmware có chức năng dịch các lệnh G-Code được gởi đến mạch từ ứng dụng điều khiển máy khắc, sau đó điều khiển các hoạt động của các phần tử để thực hiện các hoạt động khắc.Firmware có thể

xem như một phần mềm cố định liên quan đến những quy trình hết sức

cơ bản của một thiết bị

Inkscape được bắt đầu vào năm 2003, phỏng theo phần mềm xử

lý đồ họa vec tơ Sodipodi Tuy Inkscape vẫn chưa có được nhiều tính năng như các phần mềm xử lý đồ họa vec tơ thương mại, nhưng hiện nay nó có thể được dùng trong nhiều ứng dụng Inkscape chưa hỗ trợ đầy đủ SVG và CSS Nó chưa có các hiệu ứng lọc SVG, hoạt hình, và phông chữ SVG Inkscape hiện đang được phát triển mạnh, và ngày càng có nhiều tính năng mới

3.2.1.2 Tiện ích mở rộng 305 Engineering

305 Engineering: Để tiến hành vẽ lại toàn bộ một bức tranh phức tạp từ ảnh có trước, ta sử dụng tiện ích mở rông 305 Engineering của Inkscape

Ở chế độ này, ta không cần chuyển đổi ảnh sang định dạng vector, vào Extensions/ 305 Engineering, chọn Raster 2 Laser Gcode generator

Hình 3.10 Hộp thoại Raster 2 Laser Gcode generator

G27: Kiểm tra thực hiện trở về điểm gốc (Reference Point ReturmCheck)

G28: Trở về điểm gốc (Reference Point Return)

G29: Xuất phát từ điểm gốc (Return From Reference Point) G30: Về điểm gốc thứ hai (Return to 2ndReference Point) G97: Huỷ bỏ lệnh (Constant Surface Speed Control Cancel) G98: Tốc độ tiến dao mm/phút (Feed per Minute)

G99: Tốc độ tiến dao mm/vòng (Feed per Rotation)

M03: Lệnh bật laser (Laser ON command)

M05: Lệnh tắt laser ( Laser OFF command)

F : Tốc độ khắc laser

3.2.3 Thư viện GRBL

Thư viện GRBL là thư viện nguồn mở có hiệu năng hoạt động cao, nó là giải pháp thay thế cho việc sử dụng cổng parallel-port-based được dùng phổ biến trong các máy phay CNC Thư viện GRBL có thể hoạt động trên hầu hết các board mạch Arduino Classic hiện nay (Arduino UNO, Nano, Pro mini, mini, ) Bạn chỉ cần một mạch Arduino có bộ nhớ lưu trữ 30KB trở lên là có thể làm một máy CNC hoạt động được ngay

Thư viện điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C được tối ưu hóa để có thể hoạt động với hiệu năng cao và tận dụng hết những khả năng của dòng chip AVR để đạt được thời gian chính xác và hoạt động đa nhiệm (không đồng bộ)

Thư viện GRBL sử dụng các tập lệnh G-Code cơ bản và hoạt động chính xác trên nhiều dòng máy CNC mà không hề có bất kỳ lỗi nào