NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER TRÊN CÁC CHI TIẾT CĨ BIÊN DẠNG TRỤ TRỊN XOAY LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER TRÊN CÁC CHI TIẾT CÓ BIÊN DẠNG TRỤ TRÒN XOAY Học viên: Trần Công Thái Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử Mã số: 60.52.01.14 Khóa:33 Trường Đại học Bách k

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN CÔNG THÁI

NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER

TRÊN CÁC CHI TIẾT CÓ BIÊN DẠNG

TRỤ TRÒN XOAY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN CÔNG THÁI

NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER

TRÊN CÁC CHI TIẾT CÓ BIÊN DẠNG

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Công Thái

NGHIÊN CỨU KHẮC BẰNG TIA LASER TRÊN CÁC CHI TIẾT CÓ

BIÊN DẠNG TRỤ TRÒN XOAY

Học viên: Trần Công Thái Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử

Mã số: 60.52.01.14 Khóa:33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Công nghệ cắt và khắc laser hiện nay đang là công nghệ có ứng dụng rộng rãi trong

nhiều ngành nghề, lĩnh vực khác nhau Hiện nay các máy khắc laser được trang bị rộng rãi nhờ

vào khả năng gia công với độ chính xác cao Khắc laser không những khắc được trên các chi

tiết có bề mặt phẳng mà còn khắc được trên các chi tiết có mặt khác nhau Nghiên cứu này được

đề xuất nhằm mở rộng khả năng khắc laser trên các chi tiết có biên dạng trụ tròn xoay Nguyên

cứu này khái quát về công nghệ CNC và công nghệ gia công bằng laser Từ công nghệ CNC

tác giả đã thiết kế chế tạo máy khắc laser có thể khắc trên cả mặt phẳng và các chi tiết có biên

dạng trụ tròn xoay Đánh giá và lựa chọn phần điều khiển, kết nối mạch điều khiển với các cơ

cấu chấp hành cho máy chế tạo và khai thác các phần mềm mã nguồn mở nhằm sử dụng trong

việc tạo ra chương trình gia công với mã G-code cũng được trình bày Tác giả đã tóm tắt các

kết quả đã đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo

Từ khóa: Laser, biên dạng trụ tròn xoay, CNC, mạch điều khiển, mã ngồn mở, G-code

Abstract - Laser cutting and engraving technology is now widely applied in many industries

and fields In recent years, laser engraving have been widely used because they can develop

products with high precision Laser engraving is not only engraved on flat surface details but

also engraved on different parts The objective of this research is to expand the laser engraving on

cylindrical profile details This research presents an overview of CNC technology and laser

machining technology Based on this principle, laser engraving and engraving designs can be

engraved on both planes and cylindrical profile details Evaluation and selection of controls,

connection of control circuits with actuators for the fabrication and exploitation of open source

software for use in creating G-code coding programs also presented The author has

summarized the results achieved and set out the next direction

Keywords: Laser, cylindrical profile, CNC, control circuit, open code, G-code

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu 1

3 Phương pháp nghiên cứu 1

4 Phạm vi nghiên cứu 1

5 Nội đung nghiên cứu 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CNC VÀ GIA CÔNG LASER 2

1.1 Công nghệ CNC 2

1.1.1 Khái niệm điều khiển số (nc) 2

1.1.2 Điều khiển số bằng máy tính (CNC) 3

1.1.3 Phương thức di chuyển dụng cụ 5

1.1.4 Nội suy chuyển động 6

1.2 Công nghệ gia công bằng laser 9

1.2.1 Giới thiệu về laser 9

1.2.2 Lịch sử hình thành và phát triển của laser 10

1.2.3 Cấu tạo của tia laser 11

1.2.4 Đặc điểm của laser 11

1.2.5 Ứng dụng của laser 12

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY 14

2.1 Phân tích kết cấu máy 14

2.1.1 Phương án 1 14

2.1.2 Phương án 2 15

2.1.3 Phương án 3 15

2.1.4 Phương án 4 16

2.2 Các phương án truyền động 17

2.2.1 Truyền động X, Y truyền thống 17

2.2.2 Truyền động core( X, Y), H-bot 17

2.2.3 Truyền động quay chi tiết bằng mâm cặp 18

2.2.4 Truyền động quay chi tiết bằng hai trục quay 19

2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn 19

2.3 Lựu chọn đầu khắc laser 24

2.3.1 Laser chất rắn 24

2.3.2 Laser chất khí 24

2.3.3 Laser chất lỏng 24

2.4 Thông số kỹ thuật của máy 25

2.5 Tính toán động học cho máy thiết kế 25

2.5.1 Động học 25

2.5.2 Tính chọn động cơ 25

CHƯƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ 28

3.1 Mạch điều khiển 28

3.1.1 Các mạch điều khiển sử dụng mã nguồn mở trên thị trường 28

3.1.2 Arduino UNO 29

3.1.3 CNC shield V3 32

3.1.4 Modul điều khiển động cơ bước A4988 33

3.1.5 Kết nối USB 33

3.1.6 Firmware cho mạch điều khiển 35

3.2 Phần mềm mã nguồn mở 35

3.2.1 Phần mềm Inkscape 35

3.2.2 G-code 37

3.2.3 Thư viện GRBL 38

3.3 Máy chế tạo 40

CHƯƠNG 4 GIA CÔNG THỰC NGHIỆM 42

4.1 Một số thông số quan trọng khi thiết lập và hiệu chỉnh máy 42

4.2 Gia công thực nghiệm 46

4.3 Đánh giá sản phẩm 47

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CAD : Computed Aided Design CAM : Computer aided manufacturing CNC : Computer Numerical Control CLU : Control Loop Unit

DNC : Direct Numerical Control DPU : Data Processing Unit

NC : Numerical Control PTP : Point-To-Point

3.14 Kết nối mạch điều khiển với các động cơ và laser 40

4.2 Gia công trên bề mặt tròn xoay vật liệu gỗ 464.3 Gia công trên bề mặt tròn xoay, vật liệu giấy 464.4 Gia công tranh ảnh trên mặt phẳng vật liệu gỗ 474.5 Gia công trên bề mặt phẳng vật liệu da, simili 47

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 trực tiếp máy công cụ điều khiển số (máy NC) từ bên ngoài bởi máy

tính thực hiện chức năng lập trình, truyền chương trình, điều khiển quá trình gia công

Đây là những hệ điều khiển dạng mạch cố định (hard-wirred), trong đó tất cả các chức

năng như nội suy, đọc băng, đọc chỉ thị, định vị được thực hiện bởi các mạch điện tử

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

Nhờ ứng dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lý trong thiết lập trực

tiếp máy tính trên hệ điều khiển máy (Machine Control Unit - MCU) để điều khiển máy

NC ngày nay hình thành nên phương thức điều khiển và thế hệ máy điều khiển số bằng

máy tính (máy CNC)

Do đó, CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển

máy và được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một

phần hoặc toàn bộ các chức năng điều khiển số Các hệ điều khiển CNC có khả năng

thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần mềm (soft-wired), do đó làm đơn giản

mạch điều khiển CNC, giảm giá thành, tăng độ tin cậy đồng thời có khả năng điều khiển

linh hoạt và thông minh, có khả năng hiệu chỉnh nhanh chóng và tiện ích, có khả năng

lưu trữ dữ liệu gia công ngay trên máy

- Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)

Nhờ khả năng thực hiện và lưu trữ đồng thời nhiều chương trính trên bộ nhớ cho phép vận hành máy CNC không phụ thuộc vào máy tính chủ nên có thể giải phóng máy tính chủ để thực hiện nhiệm vụ khác của hệ thống Với sự phát triển của khoa học máy tính, kỹ thuật điều khiển logic khả lập trình (Programmable Logic Control - PLC), kỹ thuật truyền thông, phương thức điều khiển số phân phối ra đời trong đó mạng máy tính được sử dụng để phối hợp hoạt động của nhiều máy CNC

Ngoài chức năng truyền chương trình tới các máy CNC, phương thức này còn có khả năng giám sát và điều khiểntoàn bộ hệ thống, như hiển thị thông tin về trạng thái làm việc của hệ thống, xuất thông tin hay chỉ thị điều khiển, điều hành,

1.1.2 Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

1.1.2.1 Cấu trúc hệ thống 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)

Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị được mã hoá để điều khiển quá trình gia công chi tiết, hệ điều khiển chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện kích hoạt các chức năng hoạt động của máy Hệ điều khiển máy thực hiện chức năng đọc và biên dịch mã lệnh và sau đó xuất các tín hiệu điện tương ứng truyền tới bộ khuếch đại servo

để điều hành có cấu servo (động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực) của hệ thống truyền động Thiết bị phản hồi như các cảm biến vị trí, chiều, tốc độ dịch chuyển và phản hồi các tín hiệu này về hệ điều khiển máy Hệ điều khiển máy so sánh các tín hiệu này với tín hiệu tham chiếu cho trước bởi các mã lệnh điều khiển và xuất các tín hiệu điều chỉnh (sai lệch) tới bộ khuếch đại servo cho tới khi đạt đại lượng yêu cầu

Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU)

DPU thực hiện các chức năng:

- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập

- Xử lý mã lệnh hay giải mã

- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU

CLU thực hiện các chức năng:

- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất cáctín hiệu điều khiển

- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động

- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ

- Điều khiển các thiết bị phụ trợ

Hệ thống truyền động thông thường bao gồm bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo,

bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt Hệ thống này quyết định độ chính xác, công suất của máy

1.1.2.2 Khả năng của CNC

CNC có nhiều chức năng xử lý và điều khiển linh hoạt hơn NC:

- Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ hoạ quá trình gia công

- Nhập dữ liệu

- Lưu trữ chương trình: ROM lưu trữ chương trình hệ thống, RAM lưu trữ

- chương trình gia công

- Định dạng mã điều khiển: EIA và ASCII

- Khả năng tính toán Bù trừ đường kính và chiều dài dao

- Nội suy hình học

- Chức năng lập trình: thực hiện được các phép biến đổi toạ độ

- Khả năng hậu xử lý

1.1.2.3 Ưu điểm của CNC

Ngày nay công nghệ CNC đã tạo nên cuộc cách mạng trong kỹ thuật chế tạo nhờ các ưu điểm chính sau đây:

- Nâng cao năng suất

- Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao

- Hạ giá thành sản xuất

- Giảm giá thành điều hành gián tiếp

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)

1.1.3.1 Di chuyển theo PTP

Hình 1.2 Các chế độ dịch chuyển trong chuyển động PTP

Theo phương thức di chuyển PTP dao di chuyển theo các hành trình thẳng đến vị trí yêu cầu, thường dùng dể di chuyển nhanh hay định vị Có 3 chế độ di chuyển:

- Di chuyển hướng trục (Axial path)

- Di chuyển theo phương xiên 450

- Di chuyển trực tiếp

1.1.3.2 Di chuyển theo Contour

Theo phương thức này, dao di chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực hiện qui trình công nghệ gia công Về hình học, biên dạng bao gồm chuỗi các đường thẳng, đường cong, cung tròn, êlip, parabol, hypebôn, đường cong bậc ba và các đường cong

bậc cao Để đơn giản việc tính toán các điểm trên quĩ đạo di chuyển dao, các đường cong bậc cao được tuyến tính hoá, tức là các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi chuỗi đoạn thẳng Với giả thiết này, quĩ đạo di chuyển dao tổng quát được xấp xỉ bởi chuỗi phần tử hình học cơ bản thuộc 3 nhóm:

Hình 1.3 Các chế độ điều khiển trong chuyển động contour

Trong điều khiển số, các di chuyển cơ bản này được gọi là chuyển động nội suy (interpolated motion) Di chuyển theo biên dạng đòi hỏi hệ điều khiển phải có khả năng điều khiển phối hợp các động cơ truyền động, như vậy mỗi trục truyền động yêu cầu có mạch điều khiển định vị và mạch điều khiển tốc độ riêng biệt

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

1.1.4.1 Nội suy đường thẳng

Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoan thẳng Khi lập trình chuỗi chuyển động thẳng, chỉ cần xác định toạ độ cuối của mỗi đoạn, bởi

vì điểm cuối của đoạn trước là điểm đầu của đoạn tiếp theo

Nội suy đường thẳng theo 2 và 3 trục là phương pháp thông dụng nhất Có thể nội suy đường thẳng phối hợp đồng thời tối đa 5 trục (3 chuyển động thẳng, 2 chuyển động quay) để 5thực hiện quĩ đạo chuyển động bất kỳ Nội suy đường thẳng yêu cầu 3 thông số: toạ độ điểm đầu, toạ ssộ điểm cuối và tốc độ di chuyển trên mỗi trục Với điều khiển

2 trục, bộ nội suy tính tần số xung điều khiển tốc độ trục x và y sao cho tỷ lệ tốc độ trên trục x vày bằng tỷ lệ gia lượng dịch chuyển tương ứng (dx/dy)

Thí dụ, để điều khiển chuyển động di chuyển theo đường thẳng từ S đến E, gia

lượng dịch chuyển theo phương x và y là 8 và 4 đơn vị chiều dài; như vậy bộ nội suy phải xuất đồng thời 8 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục x và 4 xung cho mạch điều khiển tốc độ trục y hoặc theo tỷ lệ 2:1 Tương tự, với điều khiển 3 trục, bộ nội suy tính gia lượng di chuyển dx, dy và dz theo các trục tương ứng Gia lượng dịch chuyển được

sử dụng như dữ liệu vào cho các mạch điều khiển định vị và tỷ lệ của chúng được sử dụng để điều khiển tốc độ

Trên hình 1.4 ở mạch điều khiển vị trí:

dx = 4-1 = 3 ; dy = 4-2 = 2 ; dz = 9-3 = 6

và trên mạch điều khiển tốc độ: Vx : Vy : Vz = dx : dy : dz = 3 : 2 : 6

Hình 1.4 Nội suy đường thẳng điều khiển 2 trục

Về lý thuyết, sử dụng nội suy đường thẳng có thể lập trình quĩ đạo chuyển động cong bất kỳ nhưng lượng dữ liệu cần xử lý rất lớn So với nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, parabôn, đường xoắn hoặc đường cong bậc ba làm giảm đáng

kể lượng dữ liệu cần lập trình cho cùng quĩ đạo chuyển động

Hình 1.5 Xấp xỉ mặt cong bởi nội suy đường thẳng

1.1.4.2 Nội suy cung tròn

Nội suy cung tròn điều khiển chuyển động theo quĩ đạo cung tròn bởi một câulệnh (block) đon giản, thay thế cho hàng ngàn câu lệnh nội suy đường thẳng Khả năng nội suy cung tròn của một số hệ điều khiển giới hạn bởi cung 900, như vậy để lập trình đường tròn cần 5 câu lệnh Phần lớn các hệ điều khiển theo chuẩn công nghiệp đều có khả năng điều khiển theo quĩ đạo đường tròn bởi 1 câu lệnh

Đối với vòng tròn có tâm ở gốc O và bán kính R trong mặt phẳng (x,y), ta có:

x = Rcosθ ; y = Rsinθ với θ = ωt

Thành phần vận tốc:

Vx = dx/dt = -Rωsin(ωt) = -Vsin(ωt)

Vy = dy/dt = Rωcos(ωt) = Vcos(ωt)

V = Rω là tốc độ dài ứng với lượng chạy dao theo cung tròn

1.1.4.3 Nội suy đường xoắn

Nội suy đường xoắn bao gồm nội suy cung tròn theo 2 trục và nội suy đường thẳng theo trục thứ 3 Nội suy đường xoắn là phép nội suy trong không gian bởi vì cả 3 chuyển động đồng thời để tạo nên quĩ đạo chuyển động xoắn Phép nội suy này thường được sử dụng để gia công ren kích thước lớn hay các trục xoắn

1.1.4.4 Nội suy Parabôn

Nội suy parabol sử dụng 3 điểm không thẳng hàng để xấp xỉ các đường cong tự

do Phương pháp nội suy này cho phép điều khiển chuyển động theo quĩ đạo đường cong phẳng hoặc đường cong 3 D Sử dụng nội suy parabol để xấp xỉ các đoạn đường cong

có ưu điểm làm giảm 50% số điểm lập trình so với phương pháp nội suy đường thẳng

Hình 1.6 Nội suy Parabol

Phần lớn các hệ CAD/CAM đều sử dụng phương pháp nội suy đường thẳng cho các mặt cong phức tạp.Nội suy Parabol được sử dụng chủ yếu trong gia công khuôn mẫu, khi các hình dáng tự do mang tính thẩm mỹ quan trọng hơn nhiều so với những định nghĩa chính xác về mặt toán học

Hình 1.7 Xấp xỉ đường cong bậc cao bởi cung Parabol 1.1.4.5 Nội suy bậc 3

Phương pháp nội suy này không chỉ có khả năng xấp xỉ đường cong mà còn có khả năng kết nối trơn láng các đường cong kế cận Chương trình nội suy bậc 3 rất phức tạp, đòi hỏi khả năng xử lý cũng như yêu cầu về dung lượng bộ nhớ cao hơn các phương pháp nội suy khác Với công nghệ máy tính hiện đại có khả năng tính toán và xử lý dữ liệu mạnh và giá thành không cao, sử dụng nội suy bậc 3 hoàn toàn không có trở ngại 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

Hình 1.8 Ánh sáng laser từ các nguồn phát

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" 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-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

Ích lợi của laser đối với các ứng dụng trong khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sángcực kì cao, hay

sự hợp nhất của các yếu tố trên

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 Maser đầu tiên đó không tạo ra tia sóng một cách liên tục.Nikolay Gennadiyevich Basov và Aleksandr Mikhailovich Prokhorov của Liên bang Xô viết đã làm việc độc lập trên lĩnh vực lượng

tử dao động và tạo ra hệ thống phóng tia liên tục bằng cách dùng nhiều hơn 2 mức năng lượng Hệ thống đó có thể phóng ra tia liên tục mà không cho các hạt xuống mức năng lượng bình thường, vì thế vẫn giữ tần suất Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov

và Aleksandr Prokhorov cùng nhận giải thưởng Nobel vật lý về nền tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo ra máy dao động và phóng đại dựa trên thuyết maser-laser

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 Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov của Liên Xô và Hayashi và Panish của Phòng thí nghiệm Bell đã độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục ở nhiệt độ trong phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối

1.2.3 Cấu tạo của 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

Hình 1.9 Cấu tạo tia laser

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

1.2.4.1 Độ đơn sắc cao

Laser là chùm ánh sáng mà các tia sáng của nó có mức chênh lệch bước sóng nhỏ nhất, so với các chùm sáng đơn sắc khác Sự chênh lệch bước sóng này còn gọi là phổ ánh sáng của chùm ánh sáng Và dĩ nhiên là phổ càng hẹp thì độ đơn sắc của chùm sáng càng cao Trước khi có laser các nhà vật lý đã tạo được các chùm ánh sáng đơn sắc có chênh lệch bước sóng từ 1Ao đến 10nm, nhưng để sử dụng trong nghiên cứu khoa học Trong khi đó mức chênh lệch bước sóng của chùm ánh sáng laser có thể tới 0,1 Ao.Tính chất này rất quan trọng vì hiệu quả tác dụng của laser khi tương tác với vật chất, với

các tổ chức sinh học phụ thuộc vào độ đơn sắc này

1.2.5 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 phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân Laser được cho là một trong những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20

Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác Tia từ laser thường có độ phân kì rất nhỏ, (độ chuẩn trực cao) Độ chuẩn trực tuyệt đối là không thể tạo ra, bởi giới hạn nhiễu xạ Tuy nhiên, tia laser có độ phân kỳ nhỏ hơn so với các nguồn sáng Một tia laser được tạo từ laser He-Ne, nếu chiếu từ Trái Đất lên Mặt Trăng,

sẽ tạo nên một hình tròn đường kính khoảng 1 dặm (1,6 kilômét) Một vài laser, đặc biệt

là với laser bán dẫn, có với kích thước nhỏ dẫn đến hiệu ứng nhiễu xạ mạnh với độ phân

kỳ cao Tuy nhiên, các tia phân kỳ đó có thể chuyển đổi về tia chuẩn trục bằng các thấu kính hội tụ

Trái lại, ánh sáng không phải từ laser không thể làm cho chuẩn trực bằng các thiết

bị quang học dễ dàng, vì chiều dài đồng pha ngắn hơn rất nhiều tia laser Định luật nhiễu

xạ không áp dụng khi laser được truyền trong các thiết bị dẫn sóng như sợi thủy tinh Laser cường độ cao cũng tạo nên các hiệu ứng thú vị trong quang học phi tuyến tính Laser được ứng dụng rộng rãi trong khoa học, công nghiệp, nông nghiệp, kinh doanh, y tế, thông tin liên lạc, quân sự vv Nằm ở tính đồng pha, đồng màu cao, khả năng đạt được cường độ sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên

Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng, máy đo cự ly xách tay v.v Máy đo cự ly hàng không đo chính xác cự ly từ máy bay đến mục tiêu trên mặt đất, nâng cao độ trúng đích khi ném bom Nguyên lý hoạt động: đo khoảng thời gian chênh lệch giữa xung laser phát ra và xung phản hồi về rồi nhân với tốc độ ánh sáng(300.000km/s), lấy kết quả chia 2, được cự ly cần đo

Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu

vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều

Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ

Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến Được chia làm 2 loại:

Vũ khí laser công suất thấp làm loá mắt đối phương, dùng trong tác chiến gần, khoảng cách chỉ vài km, trời mưa mù khoảng cách còn ngắn hơn, có thể xách tay, lắp trên xe tăng, máy bay trực thăng Vũ khí laser năng lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến một điểm trên mục tiêu, dừng lại một thời gian ngắn để vật liệu chảy ra hoặc khí hoá Chùm tia laser mạnh có thể phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu trong máy bay, gây nổ đạn đạo Lắp đặt trên mặt đất, trên tàu, máy bay, vệ tinh, có tốc

độ nhanh, chính xác cao, không cần thuốc mồi, không sinh lực đẩy phía sau, không tạo

ô nhiễm nên nó là loại vũ khí "sạch sẽ" Vũ khí laser lắp đặt trên vệ tinh có thể bắn hạ tên lửa đạn đạo và vệ tinh đối phương

Theo dự tính, để phá huỷ tên lửa đạn đạo cách xa 1000km cần năng lượng laser 20000KW và kính phản xạ đường kính 10m với thời gian chiếu xạ 1 giây Đầu những năm 90, Mỹ có thể tạo ra tia laser năng lượng 5000KW Tuy vẫn còn một khoảng cách khá xa nhưng trong tương lai, vũ khí laser sẽ trở thành công cụ chiến tranh lợi hại và là cuộc đua công nghệ của các cường quốc trên thế giới

Trong y học, laser công suất thấp được sử dụng trong vật lý trị liệu để gây hiệu ứng sinh học và laser công suất lớn gây hiệu ứng đốt dùng trong điều trị thoát vị đĩa đệm cột sống

Trong sản xuất, tia laser dùng để khắc lên bề mặt sản phẩm các thông tin (văn bản,

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN KẾT CẤU MÁY

Từ mục tiêu ban đầu là chế tạo máy khắc laser trên các vật thể tròn xoay, tuy nhiên

ở đây tác giả muốn chế tạo máy vừa có thể khắc trên vật thể tròn xoay vừa có thể khắc

trên mặt phẳng Tác giả sẽ tập trung phân tích các kết cấu máy được ứng dụng từ công

nghệ CNC để lựu chọn kết cấu máy phù hợp

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,Z

Hình 2.1 Hình mô phỏng phương án 1

Ưu diểm của phương án 1:

- Với máy có cùng kích thước, phương án này cần không gian đặt máy nhỏ

- Động cơ chạy đầu laser theo các phương có công suất nhỏ, không bị ảnh hưởng

bởi trọng lượng vật gia công

Nhược điểm của phương án 1:

- Độ cứng vững của máy không cao

- Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy

- Chỉ có thể khác một nữa phía trên, không thể khắc nữa dưới chi tiết trụ tròn xoay

2.1.2 Phương án 2

Trong phương án này bàn máy chuyển động tịnh tiến theo phương X, Y, Z và đầu laser đứng yên

Hình 2.2 Hình mô phỏng phương án 2

Ưu diểm của phương án 2:

- Phương án này cần không gian đặt máy nhỏ

- Vùng làm việc của máy rộng hơn, dễ dàng thực hiện các công việc hiệu chỉnh trên bàn máy

Nhược điểm của phương án 2:

- Chỉ có thể khác một nữa phía trên, không thể khắc nữa dưới chi tiết trụ tròn xoay

- Thân máy yêu cầu khối lượng lớn để máy có thể đứng vững

2.1.3 Phương án 3

Trong phương án này, đầu laser sẽ chuyển động tịnh tiến và chi tiết sẽ quay quanh trục cố định

Ưu điểm của phương án 3:

- Đầu laser và chi tiết trụ tròn xoay được truyền động riêng biệt

- Kết cấu đơn giản dễ chế tạo

Ưu điểm của phương án 4:

- Chi tiết sẽ cố định Chỉ có đầu laser chuyển động

- Động cơ chạy đầu laser theo các phương có công suất nhỏ, không bị ảnh hưởng bởi trọng lượng vật gia công

Nhược điểm của phương án 4:

- Độ cứng vững của máy không cao

- Kết cấu phức tạo, khó chế tạo

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

Hình 2.5 Phương án truyền động X, Y theo 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

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 (hình 2.5)

Hình 2.6 Truyền động core( X, Y)

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)

Hình 2.7 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 2.8 Kẹp chi tiết bằng mâm cặp tự định tâm

Ưu điểm của phương pháp này là chi tiết được gá vững chắc, cố định Tuy nhiên

để khắc những chi tiết có đường kính khác nhau thì phải thay đổi cài đặt thông số cho động cơ

2.2.4 Truyền động quay chi tiết bằng hai trục quay

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 2.9 Chi tiết chuyển động nhờ hai trục quay

Ưu điểm của phương pháp này là không cần thay đổi thông số động cơ khi thay đổi đường kính vật thể khắc Tuy nhiên chi tiết không được gá chắc chắn và có hiện tượng trược khi chuyển động

2.2.5 Kết cấu truyền động lựa chọn

Với các phân tích trên, 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

Hình 2.10 Thiết kế sơ bộ kết cấu trục xoay

Hình 2.11 Trục quay