CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Giới thiệu máy khắc laser Máy khắc laser là một trong những dạng của công nghệ CNC phù hợp với định hướng nghiên cứu chung của xã hội vì nó phục vụ theo đúng nhu cầu cuộc sống. Do đó, đề tài tốt nghiệp này không những giúp nhóm chủ động tìm tòi, nghiên cứu, mà dần dần làm chủ lĩnh vực này trong tương lai.1: Công nghệ khắc Laser Máy khắc đã và đang nâng cao khả năng tự động hóa của doanh nghiệp tại Việt Nam như: người vận hành ít, ít phải can thiệp vào hoạt động của máy. Nhiều máy khắc laser có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác và ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống. Trong nghiên cứu đồ án tốt nghiệp này, nhóm sẽ thực hiện việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy khắc laser trong điều kiện phát triển tại Việt Nam.2 Máy khắc diode laser Công nghệ laser diode được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Các module có sẵn ở bước sóng khác nhau, công suất đầu ra hay hình dạng chùm tia.2: Khắc Laser Diode Công nghệ này thường được sử dụng khắc, cắt khoan, hàn. Thường dùng khắc trên các vật liệu phi kim loại như gỗ, tre, giấy, nhựa, da, cao su… Có thể cắt giấy mỏng, gỗ, giấy xốp, vải.3: Một số sản phẩm khắc từ laser diode 4 1.3 Nguyên lý hoạt động khắc laser diode Bước 1: Hấp thụ năng lượng Diode laser gồm một điểm nối PN là nơi có lỗ trống và chứa electron. Khi có điện áp nhất định vào mối nối PN. Các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển sang mức năng lượng cao hơn.
Lỗ trống được hình thành tại vị trí ban đầu của electron bị kích thích. Các electron ở trạng thái năng lượng cao khi lắp vào lỗ trống sẽ cần thời gian nhỏ. Gọi là thời gian tái tổ hợp hoặc thời gian sống ở trạng thái năng lượng cao. Thời gian tái hợp là khoảng 1 nano giây với hầu hết các diode laser.
Bước 2: Tự phát xạ Sau thời gian kích thích ở trạng thái năng lượng cao, electron lấp vào các lỗ trống. Lúc này electron chuyển từ năng lượng cao xuống mức thấp hơn. Năng lượng chênh lệch tạo thành các bức xạ điện tử hay thành photon. Đây là nguyên lý để tạo ánh sáng trong công nghệ khắc laser diode.
Năng lượng này phát ra bởi sự chênh lệch giữa 2 mức năng lượng. Bước 3: Khắc laser diode bằng khuếch đại phát xạ Để ánh sáng mạnh cần nhiều photon hơn. Bởi vì các photon phát ra từ quá trình tự phát xạ rất ít. Do đó gương phản chiếu 1 phần được lắp đặt 2 bên diode.
Các photon sẽ bị gương phản xạ lại nơi mang PN đến khi chuyển về mức năng lượng cao. Photon phản xạ kích thích electron đang ở mức năng lượng cao khác. Từ đó giải phóng càng nhiều photon cùng pha với photon ban đầu và khuếch đại lên ở đầu ra. Khi cường độ vượt quá ngưỡng sẽ thoát ra khỏi gương phản xạ 1 phần.
Tạo nên ánh sáng đơn sắc. 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2.1 Tổng quan về Laser Năm 1960, laser được gọi là “giải phát để tìm kiến tính ứng dụng”. Từ đó cho đến nay chúng trở nên phổ biến, xuất hiện hàng ngàn tiện ích trong xã hội đời sống từ quân sự, công nghiệp đến sử dụng trong y tế. 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 sáng cực kì cao, hay sự hợp nhất của các yếu tố trên.
Ví dụ, sự đồng pha của tia Laser cho phép nó hội tụ tại một điểm có kích thước nhỏ nhất cho phép bởi giới hạn nhiễu xạ, chỉ rộng vài nanomét đối với laser dùng ánh sáng. Tính chất nảy cho phép Laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh của DVD. Cũng là điều kiện lo phép Laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đối và có thể làm bốc hơi vật liệu trong kỹ thuật cắt bằng Laser.1: Các loại tia laser 6 2.2 Diode Laser Hình 2.2: Một số loại máy khắc laser trên thị trường Hiện nay có rất nhiều công nghệ khắc laser trên thị trường. Nhưng khắc laser diode đang nhận được rất nhiều sự chú ý của người dùng.
Vậy tại sao lại như thế? Diode laser là một thiết bị bán dẫn tương tự điốt ánh sáng (LED). Diode dùng mối nối PN phát ra ánh sáng kết hợp tất cả sóng cùng tần số và pha. Diode laser có bước sóng khác nhau và dao động từ 405nm – 808nm. Thường sẽ sử dụng ở bước sóng 450nm (Laser xanh).
Ánh sáng kết hợp được tạo ra sẽ đi qua 1 quá trình khuếch đại ánh sáng hoặc còn gọi là kích thích bức xạ. Viết tắt là LASER. Các dòng máy khắc dịch vụ được nhiều người sử dụng là khổ 3040 hoặc 6550. Công suất từ 250mW tới 10W.
Thường chỉ cần 2,5W là phục vụ được các công việc khắc laser kim loại, khắc laser lên da, khắc laser lên gỗ. Ưu điểm khi sử dụng khắc laser diode • Ưu điểm chính khi khắc laser diode là khả năng tạo ra nguồn laser nhỏ, nặng không quá 200g. Vì vậy có thể dễ dàng áp dụng máy khắc CNC laser cỡ nhỏ. Diode laser là chỉ cần nguồn cấp 12VDC, 7- 8A để hoạt động.
Do đó nó trở thành 7 công cụ khắc tuyệt vời cho người đam mê DIY. Người muốn bắt đầu sự nghiệp với lĩnh vực điêu khắc quà tặng. • Laser diode có bước sóng dài để khắc các vật liệu phi kim hiệu quả. Còn được gọi là laser sợi quang.
• Tiêu thụ năng lượng cũng khá thấp. Hệ thống điều khiển đơn giản dễ sản xuất. Tuổi thọ rất cao lên đến 50. Với những lý do trên và quy mô của đề tài nhóm sẽ sử dụng loại diode laser là công cụ chính để gia công của chi tiết với hiệu quả hoạt động tốt và chi phí giá thành rẻ.2 Thông số kỹ thuật Mạch điều khiển chính: Arduino R3 + board mở rộng CNC shield V3 Động cơ trục X, Y: Step motor Nema 17 size 42, 1.80 Kích thước khung máy: 400x500mm Truyền động các trục X, Y: Dây đai răng GT2 + con lăn composite Ø24 Nguồn: 12V10A Đầu khắc laser: 2500mW bước sóng: Blue 445nm (blue violet).
Phần mềm hỗ trợ điều kiển: Arduino IDE, Benbox và Light Burn.3 Hướng nghiên cứu Vể giải quyết vấn đề cắt khắc các hình dạng phức tạp trên các vật liệu như mica, gỗ, da … 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 yêu cầu đáp ứng nhanh, chính xác, độ cứng vững thì cấu hình tương tự máy CNC 2 trục được đưa ra là lựa chọn hợp lý. Theo một số tài liệu tham khảo và hiểu biết về thực tế, nhận thấy trong các loại cơ cấu 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 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. 8 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Những yêu cầu cơ bản của đề tài Để sử dụng mô hình trong thực tế, máy cần có những yêu cầu cơ bản sau: • Máy phải có độ an toàn cao. • Độ ổn định cao. • Tốc độ di chuyển nhanh.
• Đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong cuộc sống. • Khắc chính xác. • Cơ khí chính xác. • Thao tác dễ dàng, điều khiển đơn giản.2 Cơ sở chọn phương án thiết kế Chọn phương án thiết kế là phần quan trọng trong quá trình thiết kế, là quá trình tìm hiểu, tính toán kinh tế, phân tích các phương án để tìm ra phương án tốt nhất, hiệu quả nhất.1 Phương án chọn động cơ Bảng 3.1: Ưu điểm và nhược điểm của các loại động cơ Động cơ Động cơ bước Động cơ điện 1 chiều Động cơ servo Ưu điểm - Thời gian đáp ứng - Dễ dàng thay đổi tốc - Có thể hoạt động ở nhanh.
- Giá Thành rẻ. - Giá thành rẻ. - Khi tải tăng không - Điều khiển động - Moment khởi động và xảy ra hiện tượng cơ bước đơn giản, làm viêc ổn định khi tải trượt bước. có thể điều khiển thay đổi.
mạnh hở mà không 9 cần đến phản hồi vị - Có thể dùng làm động - Tốc độ đáp ứng trí. cơ điện hay máy phát nhanh, độ chính xác - Điều khiển chính điện. - Mạch điều khiển đơn - Moment xoắn lớn. - Góc quay của động giản.
cơ tỉ lệ với xung vào. Nhược điểm - Làm việc ồn - Hiệu xuất thấp - Giá thành đắt. - không có phản hồi - Công suất nhỏ. - Mạch điều khiển nên có thể xảy ra các - Cấu tạo phực tạp.
- Tuổi thọ thấp. - Khi dừng lại, động - Không dễ hoạt - Phải bảo dưỡng định cơ thường dao động động ở tốc độ cao. tại vị trí dừng gây - Hiệu xuất thấp. - Dễ phát sinh tia lửa rung lắc.
- Nếu bị quá tải động điện. cơ sẽ bị trượt bước - Phải có mạch phản hồi bước, gây sai lệch thì mới nâng cao độ trong điều khiển. - Gây nhiễu vào - Đáp ứng chậm trong rung động. khi mạnh điều khiển lại phức tạp.2 Phương án các cơ cấu truyền động.2: Ưu điểm và nhược điểm các bộ truyền Trục vít – bánh vít Cơ cấu Bộ truyền Bộ truyền đai răng kết hợp thanh răng truyền động vít me – đai ốc – bánh răng Ưu điểm - Truyền động giữa - Cấu tạo đơn giản, - Tỉ số truyền lớn.
các trục cách xa thắng lực lớn, dịch - Làm việc êm, nhau. không ồn - Làm việc êm, - Kích thước nhỏ gọn, - Có khả năng tự không gây ồn nhờ chịu lực lớn. vào độ dẻo của đai - Dịch chuyển với tốc nên có thể truyền độ chính xác cao. động với vận tốc lớn.
- Nhờ vào sự trượt trơn của đai nên đai nên đề phòng sự quá tải xảy ra trên động cơ. - Kết cấu và vận hành đơn giản. - Giá thành rẻ. Nhược điểm - Kích thước bộ - Hiệu suất thấp do ma - Hiệu suất thấp.
truyền đai lớn so với sát trong ren.