Thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia laser

Khái niệm máy CNC CNC là một dạng máy điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

VIỆN CNTT - ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Minh Đức MSSV: 15031989

Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1997 Nơi sinh: Vũng Tàu

Chuyên Ngành: Tự động

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Dùng Tia Laser

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu công dụng của từng thiết bị điện, điện tử

- Đưa ra các phương án nghiên cứu

- Thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia Laser

- Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI: 01/11/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: 31/03/2019

V HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S Phạm Chí Hiếu

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ tên)

ThS Phạm Chí Hiếu

Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày… tháng …năm 2019

SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH

SVTH: Nguyễn Minh Đức

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của tôi Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đề tài đều trung thực, do tôi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đề tài này không sao chép các đề tài đã có

từ trước

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình Trường đại học BÀ RỊA-VŨNG TÀU không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có)

Vũng Tàu, ngày 10 tháng 05 năm 2019

Người cam đoan

SVTH: Nguyễn Minh Đức

MỞ ĐẦU

CNC–Viết tắt Computer (ized) Numerical (ly) Control (led) (điều khiển bằng máy tính), đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại), các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách

sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G

Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu

Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác

Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi

là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất

Ngày nay máy CNC đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong công nghiệp sản xuất, nó chiếm ưu thế trong tiết kiệm lao động và độ chính xác cực kỳ cao, vì vậy có thể nói nó là một phần không thể thiếu trong công nghiệp sản xuất hiện đại

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả những ứng dụng trong thực tế của máy CNC,

sau một thời gian học tập em đã nghiên cứu đề tài “thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia Laser” Hệ thống này giúp ta có thể hàn, cắt hay khắc chi tiết chính xác

SVTH: Nguyễn Minh Đức

LỜI CẢM ƠN

Trước khi bắt đầu nghiên cứu khoa học, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin cảm ơn quí thầy cô ngành Điện-Điện tử đã tận tình truyền đạt kiến thức cũng như giúp

đỡ em trong quá trình học tập tại trường

Đặc biệt, em xin ghi nhớ sự nhiệt tình của thầy Phạm Chí Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn và đã giúp em hoàn thành đề tài này

Sau cùng, em cũng xin cảm ơn những người bạn đã đóng góp ý kiến và hỗ trợ thông tin để hoàn thiện đề tài

Vũng tàu, ngày …… tháng….… năm 2019

Sinh viên thực hiện chính

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Minh Đức

SVTH: Nguyễn Minh Đức

MỤC LỤC

Đề mục Trang

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI

LỜI CAM ĐOAN

MỞ ĐẦU

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 01

1.1 Đặt vấn đề 01

1.2 Mục tiêu của đề tài.………… 01

1.3 Tính tối ưu của đề tài 01

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ… 02

2.1 Giới thiệu máy CNC ……… ……… ….……… 02

2.1.1 Khái niệm máy CNC……… ……… ……… … … ……… 02

2.1.2 Trục máy CNC……… ……… …… ……… … ……… 02

2.1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC………….…… …… … … ……… 02

2.1.3.1 Tổng quát……… ……… ……… … ……… 02

2.1.3.2 Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục……… … … ……… 03

2.1.4 Phần cứng máy CNC…….…… ……… ………… … … ……… 03

2.1.5 Phần mềm máy CNC…… … … ……… 04

2.1.6 Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC……… … … ……… 05

2.1.7 Cấu trúc chương trình…… … … ……….… 05

2.1.8 Những chức năng hỗ trợ…… … ……… ……… 05

2.1.9 Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối……… … ……… 06

2.2 Chương trình gia công CNC…… … … … ………… 06

2.2.1 Mã lệnh G cơ bản…… … … ……… 07

2.2.2 Mã lệnh M cơ bản…… … ……… ……… 08

2.3 Lợi ích của máy CNC … ……… 09

2.3.1 Tự động hóa sản xuất … ……… 09

2.3.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm ……… ……… 09

SVTH: Nguyễn Minh Đức

2.3.3 Tính linh hoạt máy CNC … ……… … 09

2.3.4 Phạm vi sử dụng máy CNC … ……… ……… 10

2.4 Giới thiệu về tia Laser … ………… … 10

2.4.1 Giới thiệu chung … ……… 10

2.4.2 Lịch sử… … ……… ……… 10

2.4.3 Cấu tạo… … ……….… 11

2.4.4 Cơ chế hoạt động… … ……… 11

2.4.5 Phân loại… … ……… … 12

2.4.5.1 Laser chất rắn… … ……….………… 12

2.4.5.2 Laser chất khí… … ……….………… 12

2.4.5.3 Laser chất lỏng… … ……… 12

2.4.6 Tính chất… … ……… … 12

2.4.7 Các chế độ hoạt động … ……… ……… 13

2.4.8 An toàn … … ……… 13

2.4.9 Ứng dụng của laser … … ……….… 14

2.5 Giới thiệu về Mạch Arduino NANO … … …… …… … 14

2.5.1 Nguồn sử dụng … … ……… … 15

2.5.2 Các chân năng lượng … … ……… ……… 15

2.5.3 Bộ nhớ sử dụng … … … ……… 16

2.5.4 Các cổng vào/ra trên Arduino Board … … ……… 16

2.5.5 Lập trình cho Arduino… ……… ……… 18

2.5.5.1 Cấu trúc chương trình… ……….… 21

2.5.5.2 Cách viết chương trình trên IDE… ……… 21

2.5.5.3 Chương trình giao tiếp với máy tính……… ……… 22

2.5.5.4 Nạp bootloader cho arduino… ……… ……… 23

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY CNC………… 25

3.1 Sơ đồ khối của máy CNC ……… 25

3.1.1 Phần điều khiển ……… 25

3.1.1.1 Máy tính cài sẳn phần mềm điều khiển ……….……… 25

3.1.1.2 Mạch Arduino Uno R3 ……… ……… 26

3.1.1.3 Mạch CNC Shield ……… …… 27

3.1.2 Cơ cấu chấp hành ……… 29

SVTH: Nguyễn Minh Đức

3.1.2.1 Module Driver Laser ……….… 29

3.1.2.2 Động cơ chấp hành ……… 29

3.1.2.3 Đầu Laser 2.5w ……….…… 29

3.2 Mô hình thực ……… 30

3.2.1 Mô hình sườn máy và bàn máy ……… 30

3.2.2 Mô hình thực của máy CNC ……… 32

3.3 Viết chương trình cho máy CNC ……….……… 32

3.3.1 Phần mềm tạo Gcode Inkscape ……….……… 32

3.3.1.1 Khái niệm ……… 32

3.3.1.2 Các bước sử dụng Inkscape tạo file Gcode khác Laser ……… 32

3.3.2 Phần mềm điều khiển Universal Gcode Sender ……… ………… 34

3.4 Một số kết quả đạt được của đề tài ……….…… 40

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI………….……… 41

4.1 Kết Luận……… 41

4.1.1 Ưu điểm của đề tài……… 41

4.1.2 Nhược điểm của đề tài……… … 41

4.2 Hướng phát triển……… 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 42

độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể vẽ tranh, khắc chữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh một cách tự động, nên nhóm đã thực hiện đề tài này Ngoài ra, sản phẩm được chế tạo với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng Sản phẩm là ứng dụng cụ thể của hệ thống tự động hóa có độ chính xác cao vào đời sống và sản xuất, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp cắt khắc truyền thống Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, nên có khả năng đưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Nghiên cứu mô hình hệ thống máy CNC dùng tia Laser

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học

- Ứng dụng các công nghệ hiện đại để xây dựng hệ thống

1.3 Tính tối ưu của đề tài

- Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu

- Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sở thực tế

- Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích

SVTH: Nguyễn Minh Đức 2

CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ

2.1 Giới thiệu máy CNC

2.1.1 Khái niệm máy CNC

CNC là một dạng máy điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong

đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước theo yêu cầu

2.1.2 Trục máy CNC

Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công Mối quan hệ này có thể được thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ Hệ tọa độ Decac được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC Khi đó không gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công

2.1.3 Hệ thống điều khiển máy CNC

2.1.3.1 Tổng quát

Các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc thực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi Sau đó hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi đi Như vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thông theo một vòng kín)

SVTH: Nguyễn Minh Đức 3

Hình 2.1 Truyền dữ liệu trong vòng kín

2.1.3.2 Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục

Động cơ dẫn động trên máy CNC cho các trục trong thực tế là các động cơ servo, với khả năng điều khiển chính xác, đồng thời có một bộ phận phản hồi và bù sai số Vì

là mô hình thí nghiệm nên phương án dùng loại động cơ này là không khả thi, vì thực

tế động cơ servo có giá thành rất đắt và hiếm thấy ở Việt Nam, nên chúng em thống nhất phương án 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 Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi

bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt… động cơ sẽ không giữ được độ chính xác theo yêu cầu, xảy ra tình trạng tụt bước hay mất bước Khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu Phổ biến ở thị trường hiện nay là loại động cơ bước có công suất khoảng 50W

Hình 2.2 Động cơ bước

2.1.4 Phần cứng máy CNC

Trong một máy CNC bất kỳ, dù đơn giản hay phức tạp đều có sự hiện diện của các phần cứng cơ bản sau

SVTH: Nguyễn Minh Đức 4

v Bộ xử lý trung tâm (CPU):

Hình 2.3 Sơ đồ khối của CPU

Hình 2.4 Hệ thống liên lạc thông qua BUS

2.1.5 Phần mềm máy CNC

Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy công cụ Cũng như những chiếc máy tính khác,

SVTH: Nguyễn Minh Đức 5

CNC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mềm hệ thống Chúng được thiết kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại máy là khác nhau Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ hoạ giả lập hay quá trình gia công nếu có

2.1.6 Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC

Các thao tác gia công của máy CNC được thực hiện thông qua một đoạn chương trình Đoạn chương trình này mô tả chi tiết trình tự của các bước gia công, theo thứ tự

để tạo ra sản phẩm như ý Bộ điều khiển CNC thực thi các lệnh gia công dựa trên những dữ liệu mà nó nhận được, những thông số gia công có thể nằm ngay trên những

dữ liệu nhận được hay nằm trong bộ nhớ của bộ điều khiển

Một điều rất quan trọng mà các bộ CNC phải tuân theo, đó là phải đi theo một dạng lập trình đã được chuẩn hoá, dựa trên một văn bản do hiệp hội chuẩn hoá quốc tế (ISO) đề ra Ở Hoa Kỳ, chủ yếu theo chuẩn EIA RS244 hoặc RS358

2.1.7 Cấu trúc chương trình

Một chương trình gia công bao gồm nhiều dòng lệnh Mỗi dòng lệnh bao gồm các ký tự và con số đi theo mỗi ký tự Số lượng ký tự trong mỗi dòng lệnh là không cố định Mỗi dòng lệnh thường bắt đầu bằng ký tự N và một con số liền sau đó dùng để chỉ thứ tự dòng lệnh trong chương trình

2.1.8 Những chức năng hỗ trợ

Trước khi máy thực hiện những chuyển động và gia công, những thông số về hình dáng và công nghệ phải được nhập vào bộ điều khiển Sau đó các thông tin sẽ được tính toán và đưa ra các chức năng thích hợp

Thông số về hình dáng được xác định:

- Vị trí điểm đến

- Hướng chạy dao

- Chương trình gia công

Ngoài ra cũng cần đưa thêm các thông số công nghệ như loại dao dùng gia công, tốc độ trục quay, hướng quay, tốc độ chạy dao Những chức năng hỗ trợ được dùng cho mục đích này, thường dùng các ký tự F, H, M, S, và T Còn lại D, E, L, P là những

ký tự còn dư cho lập trình, dùng cho những bộ điều khiển khác nhau, của các hãng khác nhau

SVTH: Nguyễn Minh Đức 6

2.1.9 Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối

Thông số hình dạng có thể được nhập ở dạng tuyệt đối hay tương đối, và cả hai đều được chấp nhận ở các máy CNC ngày nay

Hình 2.5 Những kiểu định tọa độ

2.2 Chương trình gia công CNC

Một chương trình gia công CNC là toàn bộ tất cả các lệnh cần thiết giúp cho máy CNC tiến hành công việc gia công chi tiết, được mô tả một cách cụ thể và được chuẩn hoá trong chương trình CNC cơ bản là hệ máy FANUC và hệ máy FAGOR Tùy thuộc vào nơi sản xuất các bộ điều khiển, có các quy định cụ thể, đặc trưng Thông thường thuộc vào kích thước biểu thị theo đơn vị inch hoặc mm, ở đây chỉ trình bày cho

trường hợp hệ mm

Nội dung của chương trình được tạo thành từ các khối lệnh, mô tả quá trình hoạt động của máy gia công theo từng dòng lệnh trong khối Mỗi khối mô tả cho một bước gia công hình học hoặc một chức năng gia công cụ thể Các khối của các bước gia công liền nhau được xếp liên tiếp nhau và cách nhau bởi mã lệnh kết thúc khối (End of block)

Mỗi khối được lập bởi các ký tự chữ và số gọi là chương trình gia công, được lưu trong bộ nhớ máy tính được định dạng theo quy định, là tập hợp các dòng lệnh

Một dòng lệnh được viết liên tục với các khối mã lệnh, giữa các khối mã lệnh không có khoảng trắng

Một loạt các dòng lệnh liên tiếp cấu thành nên khối chương trình, tập hợp các khối chương trình là toàn bộ chương trình gia công Chương trình sẽ gởi các yêu cầu đến máy tính, bộ điều khiển trung tâm, trực tiếp vận hành máy hoặc thu nhận thông tin phản hồi

SVTH: Nguyễn Minh Đức 7

¯ Bảng 2.1 Mã lệnh CNC theo thứ tự Alpha:

Mục đích là gởi tiếp các tín hiệu, yêu cầu đến hệ thống điều khiển máy công cụ

Nó xác định các thông số toán học liện quan đến sự di chuyển của các thành phần của máy, điều khiển sự di chuyển của đầu khắc theo các trục, tốc độ di chuyển của đầu khắc, sự phát tia Plasma v.v…

Thông tin dòng lệnh được bắt đầu với một mã lệnh và các số liền sau đó, với mỗi thay đổi của các số mới sẽ được truyền vào bộ điều khiển

Những số kết hợp với mã lệnh N thường gia tăng từ 5 đến 10 đơn vị, cho phép ta

có thể chèn thêm các dòng lệnh khác khi cần thiết với các đối số đi kèm mã lệnh N lúc này nằm trong khoảng giữa hai đối số liên tiếp

F Tốc độ di chuyển đầu phun

G Báo hiệu một hàm nội suy, thực thi chương trình (đây là

mã cơ bản nhất của chương trình gia công)

I Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục X

J Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Y

K Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Z

L Lập lại chu trình gia công

M

Chức năng pha tạp tùy theo giá trị theo sau M, có nhiều chức năng khác nhau (xem bảng chức năng của mã lệnh M)

N Chỉ số dòng lệnh hiện tại

O Số hiệu (tên) của chương trình gia công

P Chỉ số dòng lệnh bắt đầu một khối lệnh gia công

R Bán kính thiết kế của đường cong

X Xác định vị trí theo phương của trục X

Y Xác định vị trí theo phương của trục Y

Z Xác định vị trí theo phương của trục Z

SVTH: Nguyễn Minh Đức 8

Mã lệnh G loại cho phép: được lưu trong bộ nhớ chương trình cho đến khi một

mã lệnh G khác cùng loại được gọi, mã lệnh sau sẽ hủy bỏ mã lệnh trước trong chương trình điều khiển

Mã lệnh G loại nonmodal chỉ áp dụng cho dòng lệnh đang xét, nơi nó xuất hiện

G21 Hệ đơn vị met G41 Chọn hướng di chuyển G42 Chọn hướng di chuyển G54 Dịch chuyển điểm 0 G55 Dịch chuyển điểm 0 G56 Dịch chuyển điểm 0 G57 Dịch chuyển điểm 0 G58 Dịch chuyển điểm 0 G59 Dịch chuyển điểm 0 G60 Dừng chính xác G61 Dừng chính xác G90 Các số liệu đo điều khiển tuyệt đối G91 Các số liệu đo điều khiển tương đối G92 Set điểm Home

2.2.2 Mã lệnh M cơ bản

Dưới đây là bảng mã lệnh thường được dùng trong chương trình của máy cắt plasma

¯ Bảng 2.3 Mã lệnh M:

SVTH: Nguyễn Minh Đức 9

M00 Dừng chương trình

M01 Dừng tạm thời chương trình

M02 Dừng chương trình và chạy lại từ đầu

M11 Bắt đầu phát tia Plasma

M21 Ngừng phát tia Plasma

M25 Ngừng phát tia Plasma để chuyển sang biên dạng kế tiếp

M90 Bắt đầu chương trình

M95 Bắt đầu đánh dấu Mode (enable marking mode)

M96 Ngừng đánh dấu Mode (disable marking mode)

2.3.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

2.3.3 Tính linh hoạt máy CNC

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng

SVTH: Nguyễn Minh Đức 10

2.3.4 Phạm vi sử dụng máy CNC

Các máy CNC cỡ trung bình, bộ điều khiển theo biên dạng không đắt hơn nhiều

so với máy vạn năng

Công nghệ CAD/CAM cho phép lập trình cho máy CNC trở nên đơn giản

Máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng

cả trong gia công thông thường

2.4 Giới thiệu về tia Laser

2.4.1 Giới thiệu chung

Laser (Light Amplficationby Stimulated Emissionof Radiation), là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích

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 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 (màu 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-Ne, 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

Hình 2.6 Hình ảnh tia Laser

2.4.2 Lịch sử

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

SVTH: Nguyễn Minh Đức 11

Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, 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 vào năm 1962 Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại

2.4.3 Cấu tạo

Hình 2.7 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, 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 tới Mặt khác buồng cộng 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

2.4.4 Cơ chế hoạt động

Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho Laser thạch anh

Ø Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật

độ tích lũy của electron

Ø Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng

Ø Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu, tia sáng đi

ra chính là tia Laser

2.4.5 Phân loại

2.4.5.1 Laser chất rắn

Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất Laser Một

số loại Laser chất rắn thông dụng:

· YAG-Neodym: Hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 5% Neodym, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz

2-· Hồng ngọc (Rubi): Hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom,

có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng

· Bán dẫn: Loại thông dụng nhất là Diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần

2.4.5.2 Laser chất khí

· He-Ne: Hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW Trong y học được sử dụng làm Laser nội mạch, kích thích mạch máu

· Argon: Hoạt chất là khí Argon, bước sóng 488 và 514,5 nm

· CO2: Bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ

2.4.5.3 Laser chất lỏng

· Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là Laser màu

2.4.6 Tính chất

SVTH: Nguyễn Minh Đức 13

Độ định hướng cao: Tia Laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán

Tính đơn sắc rất cao: Chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất

Do vậy chùm Laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia Laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, picro giây, cho phép tập trung năng lượng tia Laser cực lớn trong thời gian cực ngắn

2.4.7 Các chế độ hoạt động

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW

- continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation) Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ Laser cho những ứng dụng khác nhau

· Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một Laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động Laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

· Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất Laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể Các dao Laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

o Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching)

o Phương pháp kiểu khoá (modelocking)

o Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

2.4.8 An toàn

Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt người Tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sự định hướng cao của Laser, một công suất năng lượng lớn có thể tập

SVTH: Nguyễn Minh Đức 14

trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mắt Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn Độ an toàn của Laser được xếp từ I đến IV Với độ I, tia Laser tương đối an toàn Với độ IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm hỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm Laser cho đồ dân dụng như máy chơi CD và bút Laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III

2.4.9 Ứng dụng của Laser

Vào thời điểm được phát minh năm 1960, Laser được gọi là "giải pháp để tìm kiếm các ứng dụng" Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như ứng dụng trong ngành y, trong công nghiệp, trong khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong quân sự Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

2.5 Giới thiệu về Mạch Arduino NANO

Arduino NANO là dòng mạch Arduino phổ biến, sự tiện dụng, đơn giản, có thể lập trình trực tiếp bằng máy tính (như Arduino Uno) và đặc biệt hơn cả đó là kích thước của nó Kích thước của Arduino Nano cực kì nhỏ gọn (1.85cm x 4.3cm), rất thích hợp cho các newbie, vì giá rẻ hơn Arduino Uno

Hình 2.8 Board mạch Arduino NANO

SVTH: Nguyễn Minh Đức 15

Hình 2.9 Chip Atmega 328

Arduino NANO sử dụng vi điều khiển chính là: ATmega328 (tương tự Board

Arduino Uno r3) Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn

LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ servo, làm một trạm đo nhiệt độ–độ ẩm và hiển thị lên màn hình

LCD,… hay những ứng dụng khác

2.5.1 Nguồn sử dụng

Arduino UNO R3 có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12VDC hoặc điện áp giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng Arduino UNO

2.5.2 Các chân năng lượng

GND (Ground): Cực âm nguồn cấp cho Arduino NANO Khi bạn dùng các thiết

bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: Cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: Cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): Để cấp nguồn ngoài cho Arduino NANO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: Điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Nano có thể được đo ở

chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: Việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với

việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

Arduino NANO không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó bạn phải hết sức cẩn thận, kiểm tra các cực âm–dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino UNO Việc làm chập mạch nguồn vào của Arduino NANO sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặn giấy, nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

SVTH: Nguyễn Minh Đức 16

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho các thiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thể làm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino NANO với điện áp dưới 6V

Khi sử dụng mạch Arduino, đặc biệt một số bạn mới bắt đầu tiếp xúc, làm quen thì việc cấp nguồn nên thận trọng Theo mình thì nên sử dụng nguồn 5V chuẩn qua USB, hoặc sử dụng nguồn 9v cấp cho cổng đầu vào mạch Arduino Tránh trường hợp hỏng mạch Arduino

2.5.3 Bộ nhớ sử dụng

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn sử dụng trên Arduino NANO có:

- 32KB bộ nhớ Flash: Những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ

nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu

- 2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): Giá trị các biến bạn khai báo khi lập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

- 1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory)

Đây giống như một chiếc ổ cứng mini–nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

2.5.4 Các cổng vào/ra trên Arduino Board

SVTH: Nguyễn Minh Đức 17

Hình 2.10 Các cổng ra/vào

Mạch Arduino NANO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng

chỉ có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

- 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): Dùng để gửi (transmit–TX) và nhận (receive –

RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

- Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: Cho phép bạn xuất ra xung PWM với độ

phân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analog Write() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

- Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- LED 13: trên Arduino NANO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm

nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

- Arduino NANO Broad có 8 chân analog (A0 → A7) cung cấp độ phân giải tín

hiệu 10bit (0→210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V→5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân