Nghiên Cứu Thiết Kế và Chế Tạo Máy CNC Khắc Laser Trên Gỗ và Vỏ Dưa Hấu Tại HCMUTE

• Tác giả: Đỗ Văn Hoàng
• Người hướng dẫn: Giảng Viên Nguyễn Phi Trung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Khắc Laser Trên Bề Mặt Gỗ Và Vỏ Dưa Hấu
• Loại tài liệu: báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 1.2. Lý do chọn đề tài:
• 1.3. Ý nghĩa và mục tiêu đề tài:
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu:
• 1.5. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài:
• 1.5.1. K40 Version Laser Co2 40W CNC Laser Engraving Machine:
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
• 2.1. Tổng quan về tia laser:
• 2.2. Đặc điểm của Laser:
• 2.3. Khái quát về thiết kế máy CNC laser
• 2.3.1. Cấu tạo, thiết kế máy CNC laser:
• 2.3.2. Nguyên lý hoạt động của máy:
• 2.3.3. Ứng dụng của máy CNC laser:
• 2.4. Hệ thống vỏ máy
• 2.5. Hệ thống điều khiển:
• 2.6. Hệ thống chuyển động X – Y:
• 2.7. Hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser:
• 2.8. Ứng dụng của tia laser trong gia công cắt gọt:
• 2.9. Công nghệ cắt gọt bằng tia laser
• 2.9.1. Đặc điểm của quá trình cắt gọt bằng chùm tia laser:
• 2.9.2. Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia laser
• 2.10. Vật liệu dùng trong cắt – khắc laser:
• 2.10.1. Nghành và vật liệu cắt bằng laser
• 2.10.2. Thực nghiệm với cắt – khắc bằng laser khí CO2 đối với một số loại nhựa.
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ NGUYÊN LÝ MÁY CNC LASER CO2 KHẮC TRÊN BỀ MẶT GỖ VÀ VỎ DƯA HẤU
• 3.1. Lựa chọn phương án
• 3.1.1. Phương án 1:Máy khắc laser bằng dầu diode:
• 3.1.2. Phương án 2: Máy khắc laser CO2:
• 3.1.3. Phân tích và chọn phương án:
• 3.2. Truyền động trên mặt phẳng Oxy
• 3.3. Các loại bộ truyền đai
• 3.3.1. Đai hình lược
• 3.4. Lựa chọn bộ điều khiển
• 3.4.1. Hệ thống các relay – timer – contactor:
• 3.4.2. Vi điều khiển
• 3.5. Lựa chọn động cơ
• 3.5.1. Động cơ DC servo
• 3.6. Nguyên lý hoạt động của máy CNC laser CO2:
• 3.6.1. Nguyên lý hoạt động ống phóng laser CO2:
• 3.6.2. Đặc trưng và nguyên lý máy cắt - khắc CNC laser CO2
• 4. CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 4.1. Tính toán và lựa chọn động cơ bước:
• 4.1.1. Xác định độ phân giải cần thiết của tải:
• 4.1.2. Xác định biên dạng chuyển động:
• 4.1.3. Xác định momen xoắn cần thiết:
• 4.1.4. Lựa chọn và xác định động cơ bước cũng như hệ thống điều khiển:
• 4.2. Lựa chọn đai, pulley và ray dẫn hướng:
• 4.2.1. Lựa chọn đai và pulley:
• 4.2.2. : Lựa chọn ray trượt dẫn hướng:
• 4.3. Tính toán lựa chọn đai ốc, trục vít cho bàn nâng:
• 4.3.1. Tính đường kính trung bình của ren:
• 4.3.2. Chọn các thông số của vít và đai ốc:
• 4.4. Thiết kế, mô hình hóa cơ khí:
• 4.5. Mô phỏng, phân tích ứng suất, chuyển vị:
• 4.6. Phần làm việc chính:
• 4.7. Khung lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận chính:
• 4.8. Một số hình ảnh thực tế gia công của máy.
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC LINH KIỆN ĐIỆN TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Các linh kiện điện tử :
• 5.2. Rơ le trung gian 5VDC:
• 5.3. Bộ lọc nhiễu 1 pha:
• 5.4. Bộ nguồn cao áp 40W
• 5.5. Ống phóng laser:
• 5.6. Các linh kiện cần thiết cho hệ thống điều khiển:
• 5.6.1. Board kết nối
• 5.6.2. So sánh driver A4988 và DRV8825
• 5.6.3. Công tắc hành trình:
• 6. CHƯƠNG 6: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN VÀ THIẾT LẬP THỒNG SỐ KHẮC LASER
• 6.1. Phần mềm điều khiển
• 6.1.1. Danh sách các phần mềm cần thiết máy khắc laser
• 6.1.2. Phần mềm Laser GRBL
• 6.1.3. Phần mềm benbox
• 6.1.4. Phần mềm Laser marking software
• 6.1.5. Phần mềm PhotoGrav
• 6.2. Cài đặt thông số trên phần mềm benbox
• 6.2.1. Cài đặt thông số
• 6.3. Một số thông số tham khảo trong việc khắc, cắt laser
• 6.3.1. Khắc đậm nhạt
• 6.3.2. Khắc trên vỏ dưa hấu
• 6.3.3. Khắc hình đơn giản, logo trên MDF, gỗ
• 6.3.4. Vận hành máy khắc laser
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ, THỬ NGHIỆM, CÁCH KHẮC PHỤC CÁC LỖI KHI KHẮC LASER
• 7.1. Tổng quan về máy
• 7.2. Một số sản phẩm hoàn thành
• 7.3. Các lỗi khi khắc laser và cách khắc phục
• 7.3.1. Tia laser không ra khỏi đầu khắc, không tới được bề mặt khắc
• 7.3.2. Hình khắc bị méo
• 7.3.3. Khắc vỏ dưa hấu bị sâu, bị tro về mặt
• 7.3.4. Sản phẩm khắc gỗ xấu, cháy bề mặt
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 8.1. Hướng phát triển đề tài:
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về Máy CNC Khắc Laser và Nghiên cứu tại HCMUTE

Bài viết này trình bày nghiên cứu và thiết kế Máy CNC khắc laser được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE). Nghiên cứu tập trung vào việc chế tạo một máy khắc laser CO2 có khả năng khắc trên bề mặt gỗ và vỏ dưa hấu. Đây là một dự án nghiên cứu khoa học HCMUTE, nằm trong khuôn khổ các dự án tốt nghiệp HCMUTE và thể hiện ứng dụng thực tiễn của công nghệ chế tạo máy HCMUTE. Thiết kế máy CNC laser này mang tính sáng tạo với khả năng khắc trên các chất liệu đa dạng, bao gồm cả chất liệu mềm như vỏ dưa hấu. Nghiên cứu đã tận dụng kiến thức về CNC machining và CAD/CAM for laser cutting để tối ưu hóa quá trình thiết kế và chế tạo.

1.1 Lý do chọn đề tài

Công nghệ laser đang ngày càng phổ biến do tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả cơ khí. Máy CNC khắc laser giúp tăng hiệu quả và độ chính xác trong gia công. Khả năng tạo ra các sản phẩm độc đáo, ví dụ khắc tranh lên gỗ, khắc họa tiết lên trái cây, tạo ra các mảnh ghép 2D, đã thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi máy CNC khắc laser. Nghiên cứu này nhằm mục đích chế tạo máy CNC khắc laser đáp ứng nhu cầu thực tiễn, tạo ra sản phẩm chất lượng cao, và giảm sức lao động thủ công. Ứng dụng máy CNC khắc laser trong nhiều lĩnh vực là một động lực lớn cho đề tài này. Việc lựa chọn khắc trên vỏ dưa hấu là một điểm nhấn sáng tạo trong nghiên cứu, mở rộng khả năng ứng dụng của máy. Nghiên cứu này đóng góp vào việc ứng dụng công nghệ laser trong công nghiệp, tạo nên những sản phẩm mới mẻ và độc đáo.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính là tìm hiểu nguyên lý hoạt động, cấu tạo và thiết kế máy CNC laser. Nghiên cứu bao gồm thiết kế, chế tạo, và kiểm nghiệm một máy CNC khắc laser CO2 khắc được trên gỗ và vỏ dưa hấu. Thiết kế cơ khí được thực hiện bằng phần mềm Autodesk Inventor Professional 2018. Quá trình nghiên cứu bao gồm việc tính toán và lựa chọn động cơ bước, thiết kế hệ thống truyền động, lựa chọn linh kiện điện tử và phần mềm điều khiển. Thiết kế sản phẩm bằng laser là một phần quan trọng của nghiên cứu. Nghiên cứu còn đề cập đến vấn đề an toàn khi sử dụng máy CNC khắc laser và cách khắc phục các lỗi thường gặp. Các khía cạnh ứng dụng công nghệ laser trong công nghiệp được đề cập đến thông qua việc phân tích các sản phẩm được tạo ra.

II. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu sử dụng nhiều phương pháp, bao gồm nghiên cứu tài liệu, thực nghiệm, phân tích tổng hợp và mô hình hóa. Phương pháp nghiên cứu tài liệu giúp tìm hiểu nguyên lý hoạt động của máy cnc khắc laser, động cơ bước và mạch điều khiển. Thực nghiệm trên các máy hiện có giúp đánh giá ưu nhược điểm và cải tiến thiết kế. Phương pháp phân tích tổng hợp giúp tối ưu hóa thiết kế. Mô hình hóa 3D bằng Autodesk Inventor Professional 2018 giúp trực quan hóa thiết kế. Kết quả nghiên cứu là một máy CNC khắc laser CO2 hoàn chỉnh, có thể khắc trên gỗ và vỏ dưa hấu. Giá máy CNC khắc laser không được đề cập chi tiết nhưng nghiên cứu đã tập trung vào việc lựa chọn linh kiện có giá thành hợp lý. Nghiên cứu cũng cung cấp hướng dẫn sử dụng và bảo trì máy cnc khắc laser.

2.1 Phân tích thiết kế

Nghiên cứu đề cập đến hai phương án thiết kế: sử dụng laser diode và laser CO2. Phương án sử dụng laser CO2 được lựa chọn do ưu điểm về công suất và khả năng khắc trên nhiều vật liệu. Thiết kế cơ khí bao gồm việc lựa chọn động cơ bước, hệ thống truyền động, ray dẫn hướng và bàn nâng. Thiết kế phần mềm điều khiển sử dụng các phần mềm chuyên dụng như Laser GRBL, Benbox, Laser marking software và PhotoGrav. Phần mềm điều khiển máy CNC laser đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các sản phẩm khắc chất lượng cao. Cấu tạo máy CNC laser được mô tả chi tiết, bao gồm hệ thống vỏ máy, hệ thống chuyển động X-Y, hệ thống điều khiển và hệ thống gia công sử dụng chùm tia laser. Nguyên lý hoạt động của máy CNC laser được giải thích rõ ràng, từ nguồn kích hoạt tia laser cho đến quá trình hội tụ và khắc trên bề mặt vật liệu. Các yếu tố như mã nguồn máy CNC laser và hướng dẫn sử dụng máy CNC laser có thể được tìm thấy trong tài liệu nghiên cứu đầy đủ.

2.2 Thử nghiệm và đánh giá

Kết quả thử nghiệm cho thấy máy khắc laser CO2 đã hoạt động ổn định và cho ra sản phẩm chất lượng cao. Máy có khả năng khắc trên gỗ, MDF và vỏ dưa hấu. Nghiên cứu cũng đề cập đến các lỗi thường gặp trong quá trình khắc laser và cách khắc phục. Ví dụ, lỗi tia laser không ra, hình khắc bị méo, khắc quá sâu hoặc cháy bề mặt. Việc khắc phục các lỗi này đòi hỏi kỹ năng và kinh nghiệm trong việc vận hành máy CNC khắc laser. Ứng dụng máy CNC khắc laser được minh họa qua các sản phẩm được tạo ra, thể hiện tính thực tiễn của nghiên cứu. Nghiên cứu cũng đề cập đến xu hướng phát triển của công nghệ khắc laser, và xu hướng công nghệ khắc laser trong tương lai. So sánh máy CNC khắc laser với các sản phẩm khác trên thị trường cũng là một điểm đáng lưu ý trong việc đánh giá kết quả nghiên cứu.

III. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế và chế tạo máy CNC khắc laser CO2 có khả năng khắc trên gỗ và vỏ dưa hấu. Máy hoạt động ổn định, cho chất lượng sản phẩm tốt và đáp ứng được mục tiêu đề ra. Nghiên cứu này góp phần vào việc ứng dụng công nghệ chế tạo máy và công nghệ laser trong thực tiễn. Nghiên cứu cũng đề xuất một số kiến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo, như nâng cao độ chính xác, tự động hóa quá trình hơn nữa, và mở rộng phạm vi ứng dụng của máy.

3.1 Đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu đóng góp vào việc ứng dụng thực tiễn các kiến thức về CNC machining, laser cutting technology, và thiết kế cơ khí. Máy CNC khắc laser HCMUTE là một sản phẩm cụ thể thể hiện kết quả của nghiên cứu. Nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo quý giá cho sinh viên và các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này. Nghiên cứu đã mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ khắc laser, đặc biệt là khả năng khắc trên các vật liệu mềm như vỏ dưa hấu. Nghiên cứu khoa học HCMUTE này cũng thể hiện sự nỗ lực trong việc kết hợp lý thuyết và thực tiễn. Ứng dụng của máy CNC khắc laser trong sản xuất và đời sống được nhấn mạnh trong phần kết luận. Mua máy CNC khắc laser chất lượng cao và phù hợp với nhu cầu là một vấn đề quan trọng được đề cập gián tiếp trong nghiên cứu này.

3.2 Hướng phát triển

Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc nâng cao độ chính xác và tốc độ khắc, tự động hóa quy trình điều khiển, và mở rộng khả năng khắc trên nhiều loại vật liệu khác nhau. Tích hợp các tính năng thông minh, chẳng hạn như nhận diện hình ảnh và điều khiển thông minh, cũng là một hướng phát triển tiềm năng. Nghiên cứu về tự động hóa laser cutting cũng là một hướng nghiên cứu đáng quan tâm. Việc nghiên cứu về an toàn khi sử dụng máy CNC khắc laser cần được tiếp tục để đảm bảo an toàn cho người vận hành. Việc phát triển phần mềm điều khiển máy CNC laser hiện đại và thân thiện hơn cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng. Khả năng khắc laser trên gỗ, khắc laser trên kim loại, khắc laser trên da, và khắc laser trên acrylic cần được nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quá trình khắc trên các loại vật liệu khác nhau. Việc nghiên cứu về mã nguồn máy CNC laser mở rộng và cải tiến cũng sẽ đóng góp vào sự phát triển của công nghệ này.