Thiết kế và chế tạo máy khắc laser

Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá v

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER

Người hướng dẫn : PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

TS ĐẶNG PHƯỚC VINH Người duyệt : Th.S NGUYỄN ĐẮC LỰC

TS LÊ HOÀI NAM Sinh viên thực hiện : PHẠM ĐỨC TIN

TÓM TẮT

Đồ án tốt nghiệp cho sinh viên ngành kỹ thuật cơ điện tử vận dụng những gì đã được đào tạo trong khóa học 5 năm tại trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Như vậy đây vừa là cơ hội vừa là thử thách để sinh viên hoàn thiện hơn kiến thức lý thuyết cũng như kĩ năng thực hành trong việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các hệ thống máy móc tự động hóa Đào tạo tư duy tích cực, sáng tạo ra các sản phẩm về cả mặt ý tưởng lẫn thực tiễn nhằm đưa sinh viên đến gần hơn để hiểu rõ ngành Cơ điện

tử, tạo ý thức tốt khi ra trường về ứng dụng kiến thức vào công việc

Dựa vào những kiến thức trang bị được cùng với những tài liệu có được, nhóm

đã thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế và chế tạo máy khắc laser” dưới sự hướng dẫn của thầy Trần Xuân Tùy và thầy Đặng Phước Vinh

Đề tài này sử dụng các kiến thức về thiết kế máy để thiết kế hệ thống dẫn động

và truyền động kết hợp với kiến thức về điều khiển lập trình, ứng dụng các phần mềm

đồ họa và điểu khiển trên máy tính và sử dụng các phần mềm chuyên ngành cơ khí như Creo Parameter, Autocad, RDM và các phần mềm điều khiển máy CNC và phần mềm đồ họa miễn phí Kết quả mong muốn của đề tài này là máy có thể hoạt động tốt tạo ra các sản phẩm gia công chính xác và thẫm mĩ cao

1 Phạm Đức Tin 101120320 12CDT1 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

2 Đặng Văn Khánh 101120348 12CDT2 Kỹ Thuật Cơ Điện Tử

1 Tên đề tài đồ án:

Thiết kế và chế tạo máy khắc Laser

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

- Kích thước gia công 400x600

- Công suất cắt tối đa 0.5W

- Độ chính xác gia công 0.1mm

- Vật liệu gia công: gỗ, mia, giấy, decal

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a Phần chung:

1 Phạm Đức Tin

- Tổng quan về các vấn đề liên quan

- Thiết kế nguyên lý máy và tính toán động học:

phân tích và thiết kế sơ đồ nguyên lý máy, lựa chọn hệ truyền động và các tính toán động học máy

- Chế tạo thiết kế máy

1 Phạm Đức Tin Bản vẽ kết cấu máy: - Bản vẽ tổng thể máy: 1A 0

LỜI NÓI ĐẦU

Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và hàng khối) Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động, điều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai

kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất

Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật

vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công Đồng thời làm thay đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất

Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà

kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi

Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc thiết kế của người cán bộ kỹ thuật trong ngành cơ khí sau này.Chúng em đã được nhận

đề tài “Thiết kế và chế tạo máy khắc Laser” Vì lần đầu làm quen với công việc thiết

kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của giáo viên nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, nên chúng em rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô Sau thời gian làm đề tài bằng chính nổ lực của bản thân và luôn nhận được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên trong việc góp ý thiết kế, thực hiện mô hình hóa chạy thử ngiệm Vì điều kiện vật liệu, công nghệ và tài chính nên mô hình đề tài

có thể chưa hoàn thiện như mong muốn, cùng với những sai sót trong quá trình làm thuyết minh đề tài Vì vậy rất mong nhận được sự đóng góp của quý thầy cô và các bạn yêu để đề tài có thể hoàn thiện hơn Xin một lần nữa gửi tới lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy trong khoa, ngành đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài

Đà nẵng, ngày tháng năm 2017

Sinh viên thực hiện

Phạm Đức Tin Đặng Văn Khánh

CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi

Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo

đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một

cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả này

chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Sinh viên thực hiện

Phạm Đức Tin

Đặng Văn Khánh

MỤC LỤC

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN

LỜI NÓI ĐẦU viii

CAM ĐOAN x

MỤC LỤC xi

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ xiv

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 2

1.1 Lịch sử phát triển 2

1.1.1 Lịch sử 2

1.1.2 Một số máy nc 2

1.2 Máy cnc là gì 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Đặc điểm chung 4

1.3 Các thành phần cơ bản của máy nc 4

1.3.1 Chương trinh điều khiển 4

1.3.2 Bộ điều khiển 5

1.3.3 Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác 5

1.4 Thuật toán nội suy trên máy CNC 5

1.4.1 Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation) 5

1.4.2 Phương pháp nội suy cung tròn 7

1.4.3 Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation) 9

1.4.4 Nội suy bậc 3 (Cubic) 9

1.5 Giới thiệu về máy khắc Laser 10

1.5.1 Tổng quan bằng gia công bằng tia laser 10

1.5.2 Cơ chế bó vật liệu 10

1.5.3 Các loại laser 10

1.5.4 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng 12

1.6 Ứng dụng của máy khắc laser 14

1.6.1 Khắc khuôn mẫu 14

1.6.2 Ngành sản xuất bao bì 15

1.6.3 Ứng dụng trong quảng cáo 16

1.6.4 Ứng dụng săm hình 17

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY 18

2.1 Thiết kế động học toàn máy 18

2.1.1 Vùng làm việc 18

2.1.2 Bàn máy 18

2.1.3 Tải trọng và chọn động cơ 18

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế 18

2.2.1 Chon phương án chuyển động của các bộ phận máy 18

2.2.2 Lựa chọn các phương án truyền động 20

2.3 Thiết kế kết cấu máy 22

2.3.1 Cơ cấu trục X 22

2.3.2 Cơ cấu trục Y 24

2.3.3 Cơ cấu trục Z 25

2.4 Các bộ phận lựa chọn 26

2.4.1 Động cơ 26

2.4.2 Chọn Puly 27

2.4.3 Trụ đồng 3.5mm gá động cơ 28

2.4.4 Góc kê 28

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC 29

3.1 Tính toán cụm truyền động trên trục X và Y 29

3.1.1 Sơ đồ lắp ráp 29

3.1.2 Sơ đồ lực tác dụng lên các trục 30

3.1.3 Các thông số đầu vào 30

3.1.4 Công suất động cơ 30

3.1.5 Tốc độ động cơ 31

3.1.6 Tỉ số truyền 31

3.1.7 Vận tốc di chuyển tối đa của trục X và Y(vận tốc đai) 31

3.1.8 Lực tác dụng lên trục puly 31

3.1.9 Tốc độ quay trên trục 31

3.1.10 Mômen xoắn trên trục 31

3.1.11 Lực căng dây T trên 1 nhánh đai 31

3.1.12 Lực vòng (tải trọng có ích) 31

3.1.13 Tính chọn đường kính trục truyền động và ổ lăn 31

3.1.14 Chọn ổ lăn 33

3.1.15 Lực tác dụng lên trục con lăn 34

3.1.16 Tính chọn đường kính trục con lăn 34

3.1.17 Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm 34

3.2 Tính toán cụm truyền động trục vít - đai ốc trên trục Z 35

3.2.1 Sơ đồ lắp ráp 35

3.2.2 Các thông số đầu vào 35

3.2.3 Chọn sơ đồ động và vật liệu bộ truyền và ứng suất cho phép 35

3.2.4 Chọn biên dạng ren và hệ số Ψh 35

3.2.5 Chọn kết cấu đai ốc 35

3.2.6 Xác định đường kính trung bình ren 35

3.2.7 Chọn dai ốc 35

3.2.8 Tính số bước của động cơ để tịnh tiến trên 1 mm 35

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 36

4.1 Tổng quan về phương án điều khiển 36

4.2 Mạch điều khiển 36

4.2.1 Board Arduino Nano 36

4.2.2 Modun sheld CNC 41

4.2.3 Driver điều khiển động cơ bước A4988 43

4.3 Đầu khắc laser 44

4.4 Sơ đồ mạch 45

4.5 Phần mềm Benbox 45

4.6 Trình tự và các bước thực hiện khắc một ảnh bằng máy………53

KẾT LUẬN 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống NC 4

Hình 1.2 Ví dụ về gia công 5

Hình 1.3 Nội suy đường thẳng 6

Hình 1.5 Nội suy theo cung tròn 8

Hình 1.6 Nội suy parabol (Parabolic Interpolation) 9

Hình 1.7 Sản phẩm khắc laser ngành khuôn mẫu 15

Hình 1.8 Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì 16

Hình 1.9 Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo 16

Hình 1.10 Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí,mã vạch 17

Hình 1.11 Săm hình bằng máy CNC laser 17

Hình 2.1 Hình Kiểu bàn máy chuyển động 19

Hình 2.2 Kiểu bàn máy đứng yên 19

Hình 2.3 Bộ truyền vít me đai ốc 20

Hình 2.4 Trục vít me– đai ốc bi 20

Hình 2.5 Truyền động bằng đai răng 21

Hình 2.6 Đai – puly răng 21

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý trục X 22

Hình 2.8 Mô phỏng trục X 2

Hình 2.9 Nhôm định hình 40x20 2

Hình 2.10 Sơ đồ chuyển động 24

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý trục Y 24

Hình 2.12 Mô phỏng lắp ráp truc Y 25

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý truc Z 25

Hình 2.14 Trục trượt và ổ trượt 26

Hình 2.15 Động cơ bước 26

Hình 2.16 Con lăn 27

Hình 2.17 Pult GT2 16 răng 27

Hình 2.18 Trụ đồng 35mm 28

Hình 2.19 Góc kê nhôm 28

Hình 3.1 Lắp trục X 29

Hình 3.2 Lắp trục Y 29

Hình 3.3 Sơ đồ lực tác dụng lên con lăn và trục 30

Hình 3.4 Biểu đồ momen uốn trục puly 32

Hinh 3.5 Lực tác dụng lên ổ lăn 33

Hình 3.7 Mô men uốn trên trục con lăn 34

Hình 3.8 Sơ đồ lắp ráp trục Z 35

Hình 4.1 Tổng quan hệ thống 36

Hình 4.2 Arduino NANO 37

Hình 4.3 Vi diều khiển 38

Hình 4.4 Các cổng vào ra cua Arduino nano 40

Hình 4.5 Modun CNC Shield V3.0 42

Hình 4.6 Các chân kết nối cua Arduino vơi sheld CNC 43

Hình 4.7 Laser 44

Hình 4.8 Sơ đồ mạch 45

Hình 4.9 Giao diện của phần mềm Benbox 48

Hình 4.10 Giao diện làm việc của phần mềm Benbox 49

Hình 4.11.Nhóm điều khiển thông số của máy 51

Hình 4.12 Feed Rate 52

Hình 4.13 Hình ảnh sản phẩm máy đã làm được 59

Hình 4.14 Hình ảnh máy thực 60

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các thiết bị công nghệ hiện đại, tiên tiến thì đã sản xuất ra máy khắc laser là một thiết bị tiên tiến giúp ích rất nhiều trong cuộc sống Ứng dụng quan trọng của máy khắc laser trong đời sống đặc biệt trong ngành công nghiệp giúp mọi người có thể tìm hiểu cũng như biết rõ về vai trò của thiết bị này trong đời sống chúng ta

Vai trò của máy khắc laser không thể thiếu đó là ứng dụng trong công nghiệp Một trong những vai trò không thể thiếu của máy khắc bằng tia laser này đó là có thể khắc trên mọi vật liệu được dùng trong mọi dịch vụ lĩnh vực công nghiệp như ô tô, cơ khí, chế biến thực phẩm…

Với mục tiêu là thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser dùng để khắc tranh lên

gỗ hoặc những vật liệu mềm khác Ở đây phạm vi nghiên cứu của ứng dụng nằm trong phạm vi chế tạo và sản xuất nhỏ lẻ, thời gian thực hiện đề tài trong khoảng 3 tháng Đối tượng nghiên cứu là máy CNC và hình ảnh cần gia công bao gồm động cơ, thiết

kế các bộ truyền động, kết cấu máy, thiết kế mạch điều khiển

Phương pháp nghiên cứu đề tài là sử dụng nghiên cứu tài liệu về các kiến thức

về thiết kế máy, điện tử, lập trình Tìm kiếm và ứng dụng các tài liệu trên internet Cấu trúc đồ án gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về máy CNC - Giới thiệu về máy khắc laser

Chương 2: Thiết kế nguyên lý của máy

Chương 3: Tính toán động lực học

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1 Lịch sử phát triển

1.1.1 Lịch sử

CNC (Computer Numercal Control) có tiền thân là máy NC (Numercal Control) là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hoá bởi các con số, các chữ cái, các kí tự mà bộ sử lý trung tâm có thể hiểu được Những lệnh này được điều chế thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy Những con số, chữ cái, ký tự trong tập lệnh dùng

để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu và thao tác trên phôi

NC được sớm sử dụng trong các mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy dệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo Thậm chí sớm hơn nữa, những chiếc máy đánh chuông tự động được sử dụng ở nhà thờ lớn châu Âu

và một số nhà thờ ở Hoa Kỳ Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời Nó dùng các cuộn giấy đục lỗ săn, dựa vào các lỗ thủng đó để tự động điều khiển các phím ấn.Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Uhitney, đã chuyển đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa trên kỹ năng của thợ thủ công nay được làm trên máy Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời, hệ thống sản xuất hàng loạt nhanh chóng được nền công nghiệp chấp nhận và đua vào để sản xuất một số lượng lớn các chi tiết giống hệt nhau Ở nửa sau của thế kỷ 19, một số lượng lớn các máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt, máy khoan, máy cán, máy mài Cùng với nó, các công nghệ điều khiển bằng thuỷ lực, khí nén, bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên

dễ dàng hơn

1.1.2 Một số máy NC

Với những chiếc máy công cụ trước đây, luôn phải có người đứng bên máy để điều khiển các hoạt động của máy Những loại này đã mất dần ưu thế khi máy NC ra đời, người điều khiển không phải điều khiển các chuyển động của máy nữa Ở các máy công cụ truyền thống, chỉ có 20% thời gian hoạt động là để gia công vật liệu Khi thêm phần điều khiển điện tử thì thời gian gia công tăng lên 80%, thậm chí cao hơn Đồng thời cũng giam bớt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí yêu cầu

Trước đây, các máy công cụ sản suất sao cho càng đơn giản càng tốt để giảm giá thành Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với bộ điều khiển điện tử ra đời, khiến cho nền công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm tốt hơn với giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh với những nền công nghiệp nước ngoài

NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng

* Máy khoan thẳng đơn trục

Một trong những máy NC đơn giản nhất là máy khoan đơn trục Hầu hết các máy khoan đều được lập trình trên 3 trục:

- Trục X điều khiển bàn máy di chuyển sang trai hoặc sang phải;

- Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi;

- Trục Z điều khiển chuyển động lên xuống của mũi khoan;

* Máy tiện

Là một trong những chiếc máy có hiệu quả nhất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc gia công các khối tròn Máy tiện được lập trình trên 2 trục:

- Trục X điều khiển chuyển động dọc của đầu dao, vào hay ra;

- Trục Z điều khiển chuyển động của mẫu vật tiến vào hay rời khỏi bệ đỡ

* Máy phay

Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiệp Các công năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay

có thể đảm nhiệm Máy phay thường dùng thường được lập trình trên ba trục:

- Trục X điều khiển bàn máy chuyển động sang trái, phải;

- Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi;

- Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao

* Trung tâm gia công tiện

Trung tâm gia công tiện (Turing Center) ra đời giữa thập niên 60 sau khi nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng 40% các loại gia công kim loại được làm bằng phương pháp tiện Máy NC này có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, hiệu suất cao hơn so với chiếc máy tiện thông thường Turing Center cơ bản chỉ thao tác trên hai trục:

- Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện;

- Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện

1.2 Máy CNC là gì?

1.2.1 Khái niệm

CNC (Computer numerical control) là một dạng máy NC 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 yêu cầu

1.2.2 Đặc điểm chung

Nguyên lý cơ bản của việc điều khiển máy công cụ thông qua việc điều khiển

số vẫn được duy trì không đổi từ khi nó bắt đầu xuất hiện Tuy nhiên các chức năng và công việc của thiết bị điều khiển thì tăng lên liên tục qua các năm và hiện nay cho phép sử dụng ở mức độ tự động hoá cao

Máy công cụ NC khác máy công cụ thông thường một cách đáng kể vì máy thông thường được một người công nhân có tay nghề điều khiển bằng tay Anh ta đọc bản vẽ chi tiết rồi sư dụng các thông số của máy dựa trên kinh nghiệm bản thân, vì thế chất lượng và năng suất phụ thuộc rất lớn vào kỹ năng của người vận hành.Các máy công cụ NC là các thiết bị gia công có thể lập trình tự do và phù hợp với việc sản xuất

tự động loạt nhỏ và trung bình

Ưu điểm chính của chúng chính là tính linh hoạt và tốc độ thay đổi nhanh các chương trình gia công với sự can thiệp tối thiểu bằng tay Tính linh hoạt của máy NC đạt được là do:

- Khả năng lặp lai trong các chương trình thực hiện;

- Khả năng đưa vào trực tiếp các kích thước chi tiết và các số liệu hành trình dao trên máy công cụ khi yêu cầu;

- Không còn yếu tố hạn chế hành trình cơ khí như cam rãnh, chốt dừng hay tấm mẫu, nghĩa là không cần mọi sự điều chỉnh cơ khí Khả năng đưa các giá trị công nghệ

1.3 Các thành phần cơ bản của máy NC

Chương trình Hệ thống điều khiển Máy công cụ Hình 1.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống NC

1.3.1 Chương trình điều khiển

Là những tập hợp những câu lệnh điều khiển máy phải làm gì Các lệnh này được mã hóa ở dạng số và ký hiệu mà thiết bị điều khiển có thể nhận dạng được Chương trình điều khiển có thể được lưu trữ trên phiếu đục lỗ băng đục lỗ, băng từ

Hình 1.2 Ví dụ về gia công sử dụng máy NC

1.3.2 Bộ điều khiển

Là thành phần thứ 2 của hệ thống điều khiển số Nó bao gồm các bo mạch điện

tử và phần cứng có thể đọc và biên dịch chương trình điều khiển và truyền đến máy công cụ

Các thành phần cơ bản của bộ điều khiển:

- Bộ lưu dữ liệu;

- Bộ phân phối dữ liệu;

- Bộ liên hệ ngược;

- Bộ điều khiển tuần tự để phối hợp hoạt động của các phần tử trên Cần phải lưu

ý là gần như tất cả các máy NC hiện đại được bán là có trang bị bộ điều khiển gọi là Microcomputer Vì vậy mà chúng được gọi là máy CNC

1.3.3 Máy công cụ hoặc quá trình được điều khiển khác

Máy công cụ bao gồm bàn máy và trục chính cũng như các mô tơ và các bộ điều khiển cần thiết để máy hoạt động Nó cũng bao gồm những dụng cụ cắt, đồ gá và các thiết bị phụ khác cần cho việc gia công

Các máy NC rất đa dạng, từ những máy khoan lỗ, đục lỗ đơn giản đến các trung tâm gia công thông minh

1.4 Thuật toán nội suy trên máy CNC

1.4.1 Phương pháp nội suy đường thẳng (linear interpolation)

a) Khái niệm

Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụng của dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục.Đầu phun được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoạn thẳng

b) Thực hiện

Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng, gồm các thông số yêu cầu:

- Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối;

- Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

c) Khả năng

Về lí thuyết, nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kì, nhưng lượng dữ liệu cần xử lí rất lớn Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình

Hình 1.3 Nội suy đường thẳng

d) Phương pháp thực hiện

Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E

Sử dụng phương pháp “Phân tích vi phân số” DDA (Digital Differenttial Analyse) Xét một dao cần chuyển động từ: PA (điểm khởi xuất) đến PE (điểm kết thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định (hình vẽ)

Gọi L: đoạn đường từ PA đến PE

Vậy trong thời gian T = L/u các đoạn đường thành phần (xE - xA) và (yE - yA) phải được thực hiện

Hình 1.4 Phương pháp nội suy đường thẳng Tọa độ vị trí các điểm trung gian được tính theo hàm thời gian:

dtT

xxx

dtVx

)t(x

0

A E A 0

dtVy

)t(y

0

A E A 0

y

A + = + −

= (1.2) Chia thời gian T thành các khoảng t= T/N đủ nhỏ, phép tích phân cho phép thay bởi phép cộng số:

N

x x x ) t n ( x ) t (

A

− +

y y y ) t n ( y ) t (

A

− +

=



= n = 1, 2, 3,…N (1.4) Với mỗi bước cộng, giá trị về vị trí lại tăng thêm một bước bằng hằng số Để đảm bảo độ chính xác của biên dạng nội suy, các bước cộng phải nhỏ hơn suất đơn vị

f của truyền động chạy dao Thông thường f = 0, 001 mm

yymaxhay N

xxmax

y , x

1.4.2 Phương pháp nội suy cung tròn

a) Khái niệm

Đầu cắt được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo một cung tròn bởi một câu lệnh (block) đơn giản, thay thế cho rất nhiều câu lệnh nội suy đường thẳng

b) Thực hiện

Nội suy đường tròn theo 2 trục gồm các thông số yêu cầu:

- Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn;

- Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

c) Khả năng

Nội suy cung tròn hay toàn bộ đường tròn

d) Phương pháp thực hiện

Phương pháp nội suy cung tròn

Hình 1.5 Nội suy theo cung tròn Nội suy vòng

PA: Điểm khởi xuất

PE: Điểm đích

P: Điểm thuộc đường cong

T: Thời gian từ PA đến PE

t: Thời gian từ PA đến P

Hình 1.6 phương pháp nội suy cung tròn

Muốn chạy cắt theo đường cong, những điểm trung gian trên biên dạng phải được xác định từ bộ nội suy trong mối quan hệ phụ thuộc vào thời gian chạy cắt

y (1.7)Lấy tích phân theo thời gian, ta có tốc độ thành phần trên từng trục riêng lẻ:

)t(yT

2T

t2sinT

R2dt

2T

t2cosT

R2dt

PA y ( t ) N

2 x ) t (

PA x ( t ) N

2 y ) t (

y (1.10)

1.4.3 Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation)

Là phương pháp nội suy kết hợp giữa nội suy kết hợp giữa nội suy cung tròn theo hai trục và nội suy tuyến tính theo trục thứ 3

Hình 1.6 Nội suy parabol (Parabolic Interpolation) Dùng điểm không thẳng hàng để xấp xỉ đường cong có biên dạng tự do Loại nội suy này thường dùng trong tạo khuôn mẫu khi mà các đường cong biên dạng tự do (free shape) được yêu cầu thay vì là các đường cong có biên dạng chính xác

Ta có thể dùng nội suy parabol để tạo các đường cong bậc cao So với nội suy đường thẳng, nội suy parabol giảm khoảng 50 lần số các điểm cần lưu trữ

1.4.4 Nội suy bậc 3 (Cubic)

Là phương pháp xấp xỉ biên dạng bằng đường cong bậc 3, phương pháp này thường được dùng tạo các bề mặt rất phức tạp như khuôn vỏ xe hơi, máy bay…

1.5 Giới thiệu về máy khác laser

1.5.1 Tổng quan bằng gia công bằng tia laser

Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman Nó là loại laser hồng ngọc (rắn) Sau đó nhiều loại laser khác đã ra đời như laser uranium, laser khí helium-neon, laser bán dẫn, laser khí CO2 và Nd: YAG, laser hóa, laser khí kim loại, …

Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện Laser rất thích hợp cho việc gia công các vật liệu mà các phương pháp gai công truyền thống khó hoặc không thể gia công được như các hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, các loại vật liệu các-bít, một số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cô-ban, crôm, vonfram và molípđen) và gốm

1.5.2 Cơ chế bó vật liệu

Chùm tia laser được bề mặt chi tiết hấp thụ, vì thế bề mặt chi tiết tại chỗ có chùm tia laser được nung nóng Quá trình vật lý gia công bằng tia laser rất phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào sự phân tán và mất mát do phản xạ của chùm tia trên bề mặt chi tiết Thêm vào đó, sự truyền nhiệt vào bên trong chi tiết gây nên sự chuyển biến pha, chảy, và/hoặc bốc hơi Tùy thuộc vào mật độ năng lượng và thời gian tác động của chùm tia mà cơ chế của quá trình là từ việc hấp thu nhiệt và truyền nhiệt cho đến nóng chảy rồi bốc hơi vật liệu Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma trên bề mặt của vật liệu Hậu quả là nó làm giảm hiệu suất của quá trình gia công do làm giảm sự hấp thu và sự tập trung nhiệt trên bề mặt chi tiết

Quá trình gia công xảy ra khi mật độ năng lượng chùm tia lớn hơn phần mất mát do dẫn nhiệt, đối lưu và phát xạ Hơn thế nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập và được và bên trong vật liệu Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia và dẫn nhiệt sẽ làm cho mức độ nóng chảy và bốc hơi vật liệu khác nhau Do đó các yếu tố nói trên ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất của vật liệu và độ bóng bề mặt chi tiết gia công, mức độ oxy hóa vật liệu cũng như nhiệt độ Phần chùm tia không bị phản xạ sẽ được hấp thụ vào chi tiết và làm nóng chảy hoặc bốc hơi vật liệu

1.5.3 Các loại laser

Theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính, có thể chia laser thành bốn loại chính sau: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn và laser lỏng

a) Laser rắn

Trong laser rắn thì môi trường hoạt tính là chất rắn Vật liệu của chất rắn kích thích có thể là florua đất kiềm, wonfram đất kiềm, molibden đất kiềm, hồng ngọc tổnghợp, tri- nhôm- granat (YAG), Neodim-ytrinhôm-granat,… tạp chất tích cực chứa trong các chất kể trên thường là các thành phần đất hiếm, crôm và uranium.Vật liệu thường dùng là hồng ngọc nhân tạo

Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5÷7%.Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân sự, …

b) Laser bán dẫn

Môi trường hoạt tính của laser bán dẫn là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali, …).Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác Về lý thuyết, hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100% Tuy nhiên, trên thực tế hiệu suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%.Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm.Tất nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất 5÷7%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều.Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bán dẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được

c) Laser khí

Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướng cao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục Dải bước sóng của loại laser khí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại Môi trường hoạt tính của loại laser khí là các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon, agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxyt cacbon, cacbonic, hơi nước, …

So sánh với chất rắn và chất lỏng, chất khí có mật độ thấp và có tính đồng nhất cao, nó không gây ra sự khúc xạ luồng ánh sáng vì vậy tính đồng hướng của sự phát xạ laser trong chất khí rất cao

Laser excimer là laser khí dùng trong vi gia công, gia công chất bán dẫn và phẫu thuật mắt Chất khí dùng để tạo tia laser là hỗ hợp khí trơ với halogen Trong một lần phóng điện, một nguyên tử khí trơ (Ar, Kr, Xe) và halogen (Cl2, F2) tạo thành một chất nhị trùng

d) Laser lỏng

Một trong những hướng phát triển mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất lỏng Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất

màu Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại cho các nguyên tử êropi Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích Gần đây người ta thay chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với hợp chất nêodim Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần 500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun

Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con người, do đó khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng của nó

Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser

e) Laser Gamma

Cơ sở vật lý của laser gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá trình bức xạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia gamma với chất lượng cao Trong laser gamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhân phóng xạ Hạt nhân sẽ bức xạ tia gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức năng lượng cao xuống các mức năng lượng thấp hơn Hiện tượng bức xạ tia gamma này gọi là hiện tượng phân rã gamma Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các notron, proton hay tia Gamma

Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính của loại laser này phức tạp hơn nhiều Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn tuy nhiên kỹ thuật chế tạo

nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổ biến rộng rãi Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từ hồng ngoại cho đến bước sóng một vài Amstrong (Ao) Tuy nhiên trong tương lai, khó mà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser

1.5.4 Ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng

a) Ưu điểm

- Không cần dùng buồng chân không;

- Không có vấn đề tích điện trong môi trường;

- Không có phóng xạ Rơntgen;

- Có khả năng làm việc trong môi trường không khí, khí trở, chân không, hoặc ngay cả trong chất lỏng hay chất rắn truyền quang;

- Có thể gia công tất cả vật liệu;

- Không có sự tác dụng lực trực tiếp giữa dụng cụ và phôi;

- Phù hợp với các công việc cắt vật liệu ceramic và các vật liệu bị phá hủy nhanh

- Khó điều chỉnh công suất ra;

- Khả năng điều chỉnh độ lệch tia kém hơn tia điện tử;

- Đường kính nhỏ nhất của điểm chất sáng phụ thuộc vào bước sóng ánh sang;

- Có kỹ thuật cao, đầu tư lớn;

- Giá thành cao;

- Cần phải xác định chính xác điểm gia công;

- Sự phá hủy về nhiệt có ảnh hưởng tới phôi

- Gia công các chi tiết cực nhỏ;

- Gia công vi laser cho phép cắt ở kích thước rất nhỏ các loại vật liệu như: kim cương, thủy tinh, ceramic, polyme mềm mà các phương pháp khác khó gia công;

- Nhiệt luyện, chẳng hạn tôi cứng các bề mặt bánh răng hoặc mặt trụ;

- Cân bằng động lực cho các động cơ chuyển động với các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao không có lệch tâm của chi tiết chuyển động quay việc cân bằng, bằng cách cho bay hơi vật liệu thừa làm mất cân bằng chi tiết;

- Laser còn được dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết của chất lỏng hoặc khí, các sản phẩm điện tử;

- Tạo các lớp cách nhiệt bằng cách cắt lớp trong kỹ nghệ hàng không, vi tính;

- Gia công các vật liệu mỏng đặc biệt trong các mạch thích hợp (IC) Làm vi mạch điện tử;

- Tạo mẫu nhanh;

- Dùng trong công nghiệp dệt may để cắt một hay nhiều lớp vải

Ngoài ra laser còn được ứng dụng trong y khoa như giải phẫu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt, khoan răng, châm cứu Trong cuộc sống hàng ngày thì laser có trong máy in laser, máy photo laser, đo đạc và nhiều ứng dụng khác nữa

1.6 Ứng dụng của máy khắc laser

1.6.1 Khắc khuôn mẫu

Công nghệ khắc khuôn mẫu bằng laser mang lại cho nền công nghiệp chế tạo công cụ, khuôn mẫu khá nhiều lợi ích quan trọng Một trong những lợi thế đó là khả năng xử lý vật liệu không tiếp xúc, khả năng tập trung các chùm tia cao giúp tạo ra các vết khắc bền, không dễ bị hư hỏng hay bong tróc Trên thực tế, quy trình xử lý không tiếp xúc giúp làm giảm nguy cơ gây hại và gây biến dạng khuôn mẫu Bên cạnh đó, do đặc tính không làm hao mòn vật liệu, công nghệ laser luôn đảm bảo độ khắc chính xác cao và có khả năng khắc lặp lại cùng hàng loạt các ưu điểm tiêu biểu sau:

- Có thể khắc trên các vùng làm việc khó tiếp cận và những phôi khắc lồi/ lõm với độ chính xác cao;

- Khắc với tốc độ cực nhanh 1500 mm/ giây - tăng gấp 30 lần so với phương pháp trước đây;

- An toàn với môi trường xung quanh vì tia laser không sản sinh các chất độc hại như phương pháp khắc axis

Hình 1.7 Sản phẩm khắc laser ngành khuôn mẫu

1.6.2 Ngành sản xuất bao bì

Ngày nay, công nghệ laser được sử dụng phần lớn trong ngành sản xuất bao

bì sản phẩm để khắc mã hiệu, hạn sử dụng trực tiếp lên vỏ sản phẩm, thường được dùng để thay các phương thức khác như in phun mực nhằm mang lại chất lượng cao hơn cho sản phẩm bao bì Công nghệ khắc laser còn được ứng dụng rất linh hoạt trên nhiều loại chất liệu bao bì khác nhau như nhựa, kim loại, thuỷ tinh, giấy và mang lại hiệu quả nhất định cho mục đích sử dụng bao bì sản phẩm đó Sau đây là hàng loạt công dụng chính mà công nghệ laser có thể giúp ích cho nhu cầu sản xuất bao bì của bất kỳ doanh nghiệp sản xuất nào

Công nghệ laser có thể làm cho bao bì dễ mở hơn Hiện nay, bao bì có thể bao gồm một hoặc nhiều lớp chức năng chẳng hạn như lớp nhựa PET sẽ làm tăng độ cứng

và lưu giữ hương thơm cho sản phẩm, lớp PE được dùng để đóng kín và chống rách bao bì, lớp PP chống bay hơi nước và lớp nhôm thường dùng để bảo vệ sản phẩm chống tác nhân gây hại từ ánh sáng môi trường xung quanh

Do đó, chức năng dễ mở EasyOpen được tạo ra từ công nghệ Laser sẽ làm cho các lớp hỗ trợ trên bao bì bị suy yếu giúp người sử dụng có thể dễ dàng mở bao bì sản phẩm ra, tuy nhiên đặc điểm này của bao bì không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bên trong nó

Hình 1.8 Ứng dụng laser trong đóng gói bao bì

1.6.3 Ứng dụng trong quảng cáo

Ứng dụng trong công nghệ in màu, cắt quảng cáo: Các sản phẩm in, cắt Decal Quảng cáo được xem là một công cụ không thể thiếu cho người làm quảng cáo, cho phép ứng dụng vào hàng loạt các sản phẩm như: trang trí dán tường, trang trí xe, bảng hiệu, POS, POP, in nhãn, phim truyền nhiệt

Hình 1.9 Ứng dụng máy khắc laser trong quảng cáo

Khắc dấu: Con dấu được làm từ nhiều chất liệu khác nhau hay những con dấu được cá thể hóa độc đáo theo sở thích của người sử dụng tuy đa dạng và phong phú nhưng đều có thể được tạo ra đơn giản và nhanh chóng từ những chiếc máy khắc & cắt laser

Khắc mã vạch, mã 2D, Logo, số lô, số seri, thông tin sản phẩm

Hình 1.10 Khắc chi tiết trên phụ tùng ô tô, xe máy, các sản phẩm cơ khí, mã vạch

1.6.4 Ứng dụng săm hình

Hình 1.11 Săm hình bằng máy CNC laser

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ CỦA MÁY

2.1 Thiết kế động học toàn máy

2.1.1 Vùng làm việc

Vùng làm việc của máy bao gồm các hướng di chuyển theo trục X và trục Y

- Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 600mm;

- Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 40mm

Động cơ bước làm việc theo nguyên tắc khi có một xung điện vào sẽ làm động

cơ quay một góc xác định, số lượng xung tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển, và thường được chọn sao cho sao cho một góc bước động cơ ứng với một đoạn dịch chuyển nhỏ nhất bằng 1 đơn vị lập trình = 0,01 mm Như vậy, giá trị dịch chuyển cho trước được đưa vào dạng số lượng xung và động cơ sẽ thực hiện số vòng quay tương ứng Không dừng đến hệ thống đo chuyển vị, không có hệ so sánh nên làm đơn giản các trang bị điều khiển điện kèm theo Tuy nhiên, động cơ bước chỉ truyền được công suất nhỏ, thường phải kèm theo các bộ khuếch đại lực

Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

2.2.1 Chon phương án chuyển động của các bộ phận máy

a) Phương án 1: Bàn máy chuyển động

Là kiểu bàn máy phổ biển trong các loại máy phay CNC Trong khi phay, mũi dao va chạm trực tiếp với bề mặt vật liệu, tức các động cơ, bộ truyền phải chịu thêm tải trọng lực cắt ngoài khối lượng đặt lên Do vậy mà kết cấu máy phải cứng vững, bàn máy mang phôi cho dịch chuyển để phân tán bớt lực cắt, giảm thiểu tác động lên dao Khi đó, dao đứng yên, bàn máy chuyển động, độ cững vững cao hơn

Hình 2.1 Hình kiểu bàn máy chuyển động Đặc điểm:

- Khối lượng, diền tích lớn, cồng kềnh;

- Kết cấu máy phải to, chắc chắn, đảm bảo độ cứng vững;

- Độ rung lắc lớn khi bàn máy chuyển động

a) Phương án 2: Bàn máy đứng yên

Hình 2.2 Kiểu bàn máy đứng yên

Là kiểu bàn máy mà khi cắt đầu cắt chịu ít tải trọng hơn, các máy có hành trình lớn, di chuyển rộng khắp bề mặt Trong máy cắt khắc laser, so sánh giữa việc di chuyển bàn máy và đầu cắt laser thì phương án bàn máy đứng yên hiệu quả hơn rất nhiều

- Đầu cắt là box tia laser chỉ bắn ra tia, khi chuyển động là gần như không tải đối với cơ cấu truyền, nên việc dịch chuyển nhanh gọn và tiết kiệm năng lượng;

- Kết cấu máy trở nên đơn giản, ít cồng kềnh hơn do không yêu cầu cao về độ cứng vững và chịu lực;

- Giá thành chế tạo cho phương án bàn máy đứng yên kinh tế hơn

Kết luận : Từ các phân tích trên ta thấy rõ ràng rằng cho bàn máy đứng yên, đầu cắt

laser chuyển động là phương án khả thi nhất khi thiết kế máy cắt khắc laser

2.2.2 Lựa chọn các phương án truyền động

a) Bộ truyền vít me-đai ốc

Hình 2.3 Bộ truyền vít me đai ốc

Ưu điểm:

- Đơn giản dễ chế tạo;

- Rẻ tiền, dẽ dàng thay thế, sửa chửa, bảo hành;

- Bulong, đai ốc là loại dễ tìm kiếm trên thị trường, có nhiều sự lựa chọn trong khâu thiết kế

Nhược điểm:

- Độ chính xác không cao;

- Không có tính tự hãm đặc trưng của một bộ truyền vít – đai ốc;

- Việc chế tạo nối trục giữa động cơ và bulong sẽ phải tự chế và làm thủ công;

- Dễ bị tác động từ môi trường như rỉ, rít, truyền không trơn…

Để tăng độ chính xác của phương án truyền động, người ta thường thay bộ truyền trục vít me – đai ốc bằng bộ truyền vít me bi

Hình 2.4 Trục vít me– đai ốc bi

Bộ truyền này giảm đi ma sát giữa đai ốc và trục vít, nâng cao độ chính xác chuyển động Để đảm bảo ma sát lăn hoàn toàn, bi cần phải chuyển động liên tục nhờ máng 4 để dẫn bi từ rãnh cuối của đai ốc về rãnh đầu

b) Bộ truyền đai

Bộ truyền đai cũng thường được sử dụng nhiều trong các máy cắt tương tự Đối với tính tính xác của chuyển động cần truyền, chống trượt cũng như các sai sô nên chỉ

có đai răng là thích hợp hơn cả cho bộ truyền

Hình 2.5 Truyền động bằng đai răng

Ưu điểm của bộ truyền:

- Kết cấu đơn giản, giá thành hạ xuống;

- Làm việc êm, không gây ồn nhờ độ mềm dẻo của đai, thích hợp trong việc truyền động tốc độ cao (mà thực chất máy cắt đang thực hiện thì tốc dộ cũng không cao lắm do đầu cắt có thể cháy không kịp);

- Truyền động giữa trục cách xa nhau (với khoảng cách làm việc lớn nhất lên đến

950 mm thì truyền động đai hoàn toàn hợp lý);

- Hiệu suất truyền động cao;

- Tiện lợi, dễ dàng cho việc điều khiển

Một số loại đai và puly thông dụng:

Hình 2.6 Đai – puly răng

Nhược điểm:

- Có thể gặp vấn đề với kích thước, khuôn khổ lớn;

- Lực tác dụng lên ổ trục lớn và phải căng đai ban đầu;

- Tuổi thọ của đai thường thấp;

- Yêu cầu độ chính xác cao, việc thi công lắp ráp khó khan hơn;

- Chi phí thực hiện tương đối cao;

- Khó khăn trong việc tinh chỉnh độ song song của mặt đai cho việc kéo trục chính xác nhất

Kết luận : Dựa vào các phân tích về ưu nhược điểm trên và kết hợp với các tính toán

về khả năng cung cấp cũng như mua được các linh kiện cần thiết và điều kiện kinh tế, phương án truyền động bằng đai răng được chọn để truyền động cho trục X và trục Y,

bộ truyền vít me đai ốc đễ truyền động cho trục Z

2.3 Thiết kế kết cấu máy

2.3.1 Cơ cấu trục X

a) Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý trục X Chú thích

1- Con lăn

2- Ổ lăn

3- Trục dẫn động 4- Động cơ

5- Nối trục 6- Đai răng

7- Thanh dẫn hướng 8- Puly

- Dễ tháo lắp, kết cấu đơn giản;

- Vận tốc chuyển động nhanh hơn so với bộ truyền vít me

Sơ đồ nguyên lý chuyển động

Hình 2.10 Sơ đồ chuyển động

Nguyên lý hoạt động:

Khi puly quay tạo momen M và lực căng T trên đai răng ,lực cang T làm con lăn lăn trên thanh trượt Nếu puly quay hướng ngược lại thì con lăn di chuyển theo hướng ngược lại