Đồ án: tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser điều khiển số

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy khắc laser điều khiển số, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài toán .

• Tác giả: Trần Đặng Tuấn Tú
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Huy Tuân
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Máy Khắc Laser Điều Khiển Số
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình Máy

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy là một dự án học thuật quan trọng trong chương trình đào tạo ngành chế tạo máy tại các trường đại học kỹ thuật. Đây là bước cuối cùng giúp sinh viên áp dụng toàn bộ kiến thức lý thuyết và kỹ năng thực hành vào một dự án thực tế hoàn chỉnh. Mô hình máy khắc laser điều khiển số là một ví dụ điển hình, kết hợp các công nghệ hiện đại như điều khiển CNC, động cơ bước và hệ thống laser. Qua đề tài này, sinh viên không chỉ hiểu biết sâu hơn về thiết kế cơ khí mà còn nắm vững các nguyên lý về tự động hóa và điều khiển trong sản xuất hiện đại.

1.1. Ý Nghĩa Của Đề Tài Thiết Kế Chế Tạo Mô Hình

Thiết kế chế tạo mô hình máy mang ý nghĩa giáo dục vô cùng quan trọng vì nó giúp sinh viên kết hợp lý thuyết với thực nghiệm. Sinh viên phải tự tìm hiểu, phân tích, thiết kế và chế tạo một sản phẩm hoàn chỉnh. Quá trình này rèn luyện tư duy sáng tạo, khả năng giải quyết vấn đề và kỹ năng làm việc nhóm. Đồng thời, mô hình máy còn là công cụ học tập hiệu quả giúp sinh viên hiểu sâu hơn về các nguyên lý cơ học và điều khiển tự động.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Mô Hình Máy Khắc Laser

Máy khắc laser điều khiển số là công cụ quý báu trong công nghiệp nhỏ và sản xuất theo yêu cầu. Với không gian làm việc 500x500mm và đầu laser công suất 2W, mô hình này có thể khắc các hình ảnh phức tạp trên nhiều loại vật liệu như gỗ, da, acrylic và thép. Ứng dụng bao gồm sản xuất đồ trang trí, cung cấp giải pháp cho doanh nghiệp nhỏ và hỗ trợ giảng dạy công nghệ.

II. Quy Trình Thiết Kế Và Phát Triển Đồ Án Tốt Nghiệp

Quy trình thiết kế chế tạo mô hình máy tuân theo các bước khoa học và có hệ thống. Trước tiên, sinh viên phải nghiên cứu tài liệu chuyên sâu, tìm hiểu các máy CNC hiện có và các giải pháp tương tự. Tiếp theo, họ phát triển ý tưởng, đề xuất giải pháp thiết kế phù hợp với điều kiện và nguồn lực sẵn có. Etapa thiết kế bao gồm vẽ mô hình CAD, tính toán cơ khí để đảm bảo độ bền vững. Sau đó, chế tạo mô hình được thực hiện với các chi tiết máy như vít-me bi, thanh trượt dẫn hướng, động cơ bước. Cuối cùng, lắp ráp và thử nghiệm để đảm bảo hiệu suất hoạt động đúng theo thiết kế.

2.1. Giai Đoạn Thiết Kế Cơ Khí

Thiết kế cơ khí là nền tảng của toàn bộ dự án. Sinh viên phải tính toán chính xác kích thước, chọn vật liệu phù hợp (như thép CT3), và thiết kế hệ thống truyền động hiệu quả. Sử dụng phần mềm CAD, sinh viên vẽ bản vẽ chi tiết, tính toán ứng suất, biến dạng để đảm bảo máy hoạt động ổn định. Vít-me bi và thanh trượt dẫn hướng là các chi tiết quan trọng cần thiết kế chính xác để đạt độ chính xác cao.

2.2. Hệ Thống Điện Và Điều Khiển

Hệ thống điều khiển số là trái tim của mô hình máy khắc laser. Sử dụng động cơ bước với chip điều khiển THB7128, sinh viên lập trình và cài đặt để điều khiển chuyển động X-Y-Z của đầu laser. Board điều khiển march xử lý các tín hiệu điều khiển, biến đổi các lệnh từ máy tính thành chuyển động chính xác. Kiến thức về điện tử, lập trình và tự động hóa là những yếu tố then chốt.

III. Các Thách Thức Và Giải Pháp Trong Quá Trình Thực Hiện

Quá trình chế tạo mô hình máy gặp phải nhiều thách thức đa dạng mà sinh viên phải vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là tối ưu hóa chi phí vì các thiết bị công nghiệp có giá thành rất cao. Giải pháp là chọn các linh kiện thay thế có hiệu suất tương đương nhưng giá rẻ hơn. Thách thức thứ hai là đạt độ chính xác cao trong gia công chi tiết và lắp ráp, đòi hỏi sinh viên phải có kỹ năng thực hành tốt. Ngoài ra, tối ưu hóa mô hình để đạt hiệu suất cao nhất là một quá trình lặp đi lặp lại, từ mô phỏng tính toán đến thử nghiệm thực tế. Sinh viên phải liên tục điều chỉnh, cải tiến để máy hoạt động ổn định và hiệu quả.

3.1. Những Khó Khăn Kỹ Thuật

Khó khăn kỹ thuật chính bao gồm việc đảm bảo độ chính xác cao của hệ thống truyền động và điều khiển chuyển động. Độ chính xác của vít-me bi phải đạt mức tối thiểu để máy khắc được các chi tiết mà không bị sai lệch. Ngoài ra, liên kết và đồng bộ hóa giữa các trục X, Y, Z cũng là một thách thức. Giải pháp là sử dụng các thiết bị chất lượng cao, thực hiện hiệu chỉnh và kiểm tra thường xuyên.

3.2. Công Tác Hợp Tác Nhóm Và Quản Lý Thời Gian

Một dự án lớn như thiết kế chế tạo mô hình máy đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa các thành viên nhóm. Mỗi người có trách nhiệm khác nhau: thiết kế, lập trình, gia công, lắp ráp. Quản lý thời gian hiệu quả là điều cần thiết để hoàn thành dự án đúng hạn. Sinh viên phải học cách giao tiếp, giải quyết bất đồng và làm việc theo kế hoạch để đạt được mục tiêu chung.

IV. Kết Luận Và Ứng Dụng Tương Lai Của Đồ Án

Đồ án tốt nghiệp thiết kế chế tạo mô hình máy không chỉ là một bài tập học tập mà còn là bước đệm quan trọng cho sự nghiệp kỹ sư của sinh viên. Qua dự án này, sinh viên đã chứng minh khả năng áp dụng kiến thức, giải quyết vấn đề thực tế và làm việc theo nhóm. Mô hình máy khắc laser mang giá trị thương mại cao, có thể được sản xuất hàng loạt hoặc phát triển thêm các tính năng nâng cao. Trong tương lai, công nghệ máy CNC sẽ tiếp tục phát triển với độ chính xác cao hơn, tốc độ nhanh hơn và chi phí thấp hơn. Sinh viên có thể tiếp tục nghiên cứu, tối ưu hóa hoặc phát triển các máy CNC khác nhau. Kinh nghiệm từ đề tài thiết kế chế tạo này sẽ là nền tảng vững chắc cho sự phát triển chuyên môn và sự nghiệp lâu dài.

4.1. Giá Trị Học Tập Và Phát Triển Kỹ Năng

Đồ án tốt nghiệp cung cấp cho sinh viên kinh nghiệm thực tế quý báu trong thiết kế, tính toán, lập trình và gia công. Sinh viên không chỉ học được các công cụ kỹ thuật mà còn phát triển kỹ năng mềm như quản lý dự án, giao tiếp và sáng tạo. Những kỹ năng này là yêu cầu cơ bản mà các nhà tuyển dụng tìm kiếm. Bên cạnh đó, sinh viên còn tăng cường sự tự tin khi làm việc với các máy móc, thiết bị hiện đại.

4.2. Tiềm Năng Phát Triển Và Thương Mại Hóa

Mô hình máy khắc laser có tiềm năng lớn trong thương mại hóa vì chi phí chế tạo thấp nhưng giá bán cao. Nó có thể phục vụ nhu cầu của các xưởng nhỏ, doanh nhân startup hoặc những người yêu thích DIY. Ngoài ra, công nghệ này có thể được mở rộng để tạo các phiên bản khác nhau như máy khắc kim loại, máy cắt laser hoặc máy in 3D. Tương lai của ngành chế tạo máy là những giải pháp tự động hóa thông minh, linh hoạt và tiết kiệm chi phí.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, yêu cầu cùng với đó là tự động hóa sản xuất trong các dây chuyền mà máy điều khiển số CNC đóng một vai trò quan trọng. Với sự ra đời của các máy CNC hiện đại, lĩnh vực gia công cơ khí chính xác đã đạt được nhiều thành tựu, có khả năng gia công các chi tiết phức tạp, chính xác và nâng cao năng suất. Nhu cầu về máy CNC ở Việt Nam là rất lớn, tuy nhiên việc nhập khẩu các máy CNC ở các nước phát triển như Đức, Nhật,.

có chất lượng tốt nhưng giá thành lại rất cao, khó bảo trì. Đó là yếu tố thúc đẩy một số người ham học hỏi, nghiên cứu, chế tạo các máy CNC nhỏ gọn, rẻ tiền nhưng vẫn đáp ứng nhu cầu sản xuất.1: Máy phay CNC DMN 200 Hình 1.2: Máy tiện CNC 1440 1 Hình 1. 3: Máy CNC 5 trục FTV 630 Hình 1.4: Máy CNC 4 trục tốc độ cao Tại Việt Nam, do nhu cầu quảng cáo và gia công trên nhiều loại vật liệu với biên dạng phức tạp, chủ yếu dựa vào tay nghề của người thợ, vì thế không thể đạt độ chính xác cao, sản phẩm lỗi. Vì thế, đề tài “Thiết kế, chế tạo máy khắc laser điều khiển số” là cần thiết và cấp thiết.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC trong sinh viên sẽ gợi mở ra nhiều giải pháp mới, phương hướng phát triển mới. Nghiên cứu, chế tạo máy CNC đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng hợp về cơ khí, điện tử, tin học. Đây cũng là cơ hội cho họ tìm tòi, kiểm nghiệm, hiểu sâu rộng hơn về những máy CNC hiện đại để từ đó chế tạo ra máy CNC phù hợp với khả năng và nhu cầu sử dụng. Đề tài chế tạo máy cắt, khắc CNC mà nhóm đang thực hiện sẽ giúp nhóm củng cố kiến thức và kỹ năng về mọi mặt.

Sản phẩm sau khi hoàn thành có thể phục vụ cho dạy học hoặc gia công một số loại vật liệu trong ngành điêu khắc, trang trí, quảng cáo,. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài  Củng cố và vận dụng kiến thức đã học để thiết kế, tính toán, chế tạo mô hình máy khắc bằng laser.  Lập trình, điều khiển máy CNC trên để gia công ra sản phẩm và đạt độ chính xác theo yêu cầu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.

Đối tượng nghiên cứu  Máy cắt khắc laser điều khiển số.  Phần mềm điều khiển Mach3. Phạm vi nghiên cứu  Nghiên cứu và chế tạo mô hình máy cắt, khắc CNC bằng laser 2W.  Máy có thể thao tác trên nhiều vật liệu khác nhau như: giấy, gỗ, vải,…  Đảm bảo các yêu cầu đặt ra như sau: - Không gian làm việc của máy: 500 x 500mm.

- Sai số cho phép: 0. Phương pháp nghiên cứu 1. Cơ sở phương pháp luận Căn cứ vào những kiến thức đã có về máy cắt CNC 3 trục, tiến hành phân tích, tìm ra giải pháp mới và chế tạo, thực nghiệm. Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải pháp đã đề ra: tối ưu hay không tối ưu, tối ưu trong trường hợp nào.

Khảo sát thực tế, thông qua việc tham quan ở một số cơ sở cắt khắc mica. Tham khảo các tài liệu trên các trang web và một số sách liên quan. Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Khảo sát thực tiễn: tìm hiểu về máy cắt, khắc CNC 2 trục laser và CNC phay 3 trục. Sử dụng phần mềm Solidworks thiết kế cơ khí cho đề tài.

Xây dựng mô hình- thực nghiệm: chế tạo mô hình máy cắt CNC bằng laser, vận hành thử nghiệm. Dùng driver TB6560 để điều khiển động cơ bước. Dùng phần mềm Mach3 để điều khiển máy cắt thông qua máy tính. 3 CHƯƠNG 2: CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2.

Giới thiệu Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy cắt CNC đòi hỏi người thực hiện phải có những am hiểu nhất định về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy cắt CNC hiện đại. Bên cạnh đó, một nguồn tư liệu giá trị khác chính là những máy CNC mini đã được chế tạo cả trong và ngoài nước, bằng cách tham khảo những nghiên cứu đó để làm cơ sở sáng tạo cho đề tài mà nhóm đang thực hiện. Nghiên cứu liên quan đến đề tài 2. Nghiên cứu của nước ngoài Máy CNC tự chế rất đa dạng về hình dáng, kết cấu, kích thước và vật liệu chế tạo.

Dưới đây là một số mẫu máy CNC tự chế Hinh 2. 1: Máy CNC tiện và phay Hình 2. 2: Máy CNC bằng gỗ 4 Hinh 2.3: Máy phay gỗ CNC Hình 2.4: Máy tiện CNC mini Máy CNC tự chế nói chung có 3 dạng sau :  Bàn máy chuyển động theo cả 2 phương X, Y (hình 2.  Bàn máy đứng yên và 3 trục chuyển động (hình 2.

 Bàn máy chuyển động theo 1 phương (hình 2. Hiện nay, các chuyên gia nước ngoài đã nghiên cứu và phát triển thành công máy cắt khắc laser dựa trên sự hoạt động ổn định của khung máy cnc và đang phát triển theo hướng tự động hóa.5: Máy cắt khắc laser công nghiệp 5 Hình 2.6: Máy cắt khắc laser mini 2. Nghiên cứu ở Việt Nam Công nghệ CNC mặc dù chỉ mới du nhập vào Việt Nam trong thời gian ngắn nhưng đã có chỗ đứng nhất định. Nhiều nhà máy trong nước đã và đang có những dự án đầu tư nhiều dây chuyền sản xuất hiện đại, chủ yếu là các máy CNC.

Hiện nay, một số trường Đại Học, Cao Đẳng đã chú trọng vào việc chế tạo mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy như mô hình máy phay CNC của trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, ĐH Bách Khoa TPHCM, máy tiện CNC, phay CNC, máy cắt plasma, khoan mạch in của ĐH Bách Khoa Hà Nội, mô hình máy khắc chữ của ĐH Bách Khoa Đà Nẵng,… Hình 2.7: Máy phay CNC ĐHBK Hình 2.8: Máy phay CNC ĐHBK Hà Nội TPHCM. 6 Bên cạnh các máy CNC được chế tạo với mục đích giảng dạy trong các trường học, một bộ phận sinh viên, kĩ sư chế tạo các máy CNC nhằm gia công gỗ, điêu khắc, cắt xốp, cắt kim loại bằng plasma… Hình 2.9: Máy CNC Plasma Hình 2.10: Máy phay gỗ CNC Hình 2. Máy tiện CNC ĐHBK Hà Nội. Máy CNC khắc laser.

Sơ lược về sự phát triển tia laser 2. Laser Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, và có nghĩa 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.

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.13: Minh họa tia laser 2. Tính chất của laser 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 đồng bộ của các photon trong chùm tia laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Ứng dụng của laser Dựa vào các tính chất trên nên laser rất có nhiều ứng dụng được áp dụng trong nhiều ngành khác nhau như: laser trong ngành cơ khí, y học, giải trí,….14: Ứng dụng laser trong cơ khí Hình 2.15: Ứng dụng laser trong y học 9 Hình 2.16: Ứng dụng laser trong giải trí. Hướng nghiên cứu Để giải quyết vấn đề cắt khắc các hình dạng phức tạp trên các vật liệu như mica, vải, gỗ,… ngoài ra phải đảm bảo đạt năng suất cũng như độ chính xác cao của sản phẩm. Qua nghiên cứu, nhóm nhận thấy để đáp ứng được yêu cầu: nhanh, chính xác thì cấu hình tương tự máy CNC 2 trục được đưa ra và chọn lựa. Theo một số tài liệu tham khảo và hiểu biết về thực tế, thì nhóm nhận thấy trong các loại cơ cấu dạng 2 trục, thì việc sử dụng cơ cấu truyền đai là phổ biến nhất, khả năng tạo chuyển động tốt, hạn chế được hư hỏng cơ cấu, khi quá tải hay sai sót, bên cạnh đó chi phí hoàn thành cũng rẻ hơn khá nhiều so với các cơ cấu khác.

Ngoài ra máy hoạt động theo cấu hình 2 trục sử dụng bộ truyền đai có thể dễ dàng chỉnh sửa, thay thế hay lắp ráp, đặc biệt giúp cơ cấu máy gọn nhẹ hơn. Từ đó, việc di chuyển của máy cũng trở nên linh hoạt hơn. 10 CHƯƠNG 3 : TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3. Khái quát về máy CNC 3.

Vài nét sơ lược về máy CNC Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực. Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của KH- KT, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học đã tạo điều kiện cho quá trình gia công với sự trợ giúp của máy tính. Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế; đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo.

Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Cấu tạo chung và quy ước máy CNC Hình 3. Mô hình khái quát của máy CNC 3. Phần điều khiển:  Máy gồm 2 phần chính: Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy.

Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực 11 hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành. Phần chấp hành: Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, vận chuyển phôi. Cũng như các máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận cắt kim loại tạo hình chi tiết. Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà bao gồm các bộ phận: hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy… Hình 3.

Cấu tạo máy CNC 12 Hình 3.