ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ laser đang ngày càng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công nghiệp hỗ trợ. Tại Việt Nam, các thiết bị laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Các máy CNC cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác.
Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể vẽ tranh, khắc hữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh để bàn một cách tự động,nên nhóm đã thực hiện đề tài này. Ngoài ra, sản phẩm được chế tạo với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng.Sản phẩm là ứng dụng cụ thể của hệ thống tự động hóa có độ chính xác cao vào đời sống và sản xuất, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp cắt khắc truyền thống.Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, do đó có khả năng đưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến. TÌNH HÌNH NGOÀI NƯỚC. Cắt bằng tia laser trong công nghiệp tương đối phổ thông bởi kỹ thuật này có thể gia công nhiều loại vật liệu, đặc biệt là những loại khó gia công bằng các phương pháp truyền thống (phay, dập) như vật liệu siêu cứng, chi tiết siêu mỏng, chi tiết có mạch cắt cực nhỏ (<0,2mm), vv… Chất lượng gia công (không cần sửa nguội do độ chính xác cao), năng suất cao do tốc độ gia công nhanh, giá thành hợp lý đã tạo cho phương pháp có những lợi thế cạnh tranh cao so với gia công truyền thống vật liệu.1 - Công nghệ khắc laser đã và đang là xu hướng phát triển 2 do an Hình 1.2 – Một số loại máy khắc laser mà nước ngoài đã chế tạo 1.
TÌNH HÌNH TRONG NƯỚC Tuy công nghệ Laser CNC đã có từ lâu trên thế giới nhưng trong những năm gần đây công nghệ này mới bắt đầu được tập trung nghiên cứu chuyên sâu ở Việt Nam để ứng dụng vào công nghiệp. Hiện tại ở Việt Nam cũng đã có một số đề tài nghiên cứu phục vụ việc giảng dạy liên quan đến máy phay CNC, Plasma CNC, Laser CNC… Dưới đây là một đề tài về “Thiết kế và chế tạo máy khắc CNC bằng tia laser” – của sinh viên Trường ĐHBK Tp.HCM (Bảo vệ ĐATN 12/2015) 3 do an Hình 1.3 – Bản vẽ thiết kế 3D máy khắc CNC bằng tia laser của sinh viên Trường ĐHBK Tp. Thông số kỹ thuật Bảng 1.1 – So sánh ưu và nhược điểm của đề tài “Thiết kế và chế tạo máy khắc CNC bằng tia laser” – của nhóm sinh viên Trường ĐHBK Tp.HCM (12/2015) ƯU ĐIỂM NHƯỢC ĐIỂM Gia công hoàn toàn tự động theo Đề tài dừng lại ở mức mô hình nên độ chính yêu cầu xác chưa cao và chưa ứng dụng được vào thực tế. Đáp ứng nhu cầu nghiên cứu phục Ngoại quan chưa có tính thẩm mỹ cao vụ học tập Máy sử dụng Bộ điều khiển Mach3 nên chi phí khá cao, chưa mang lại hiệu quả kinh tế Sản phẩm đang dừng lại ở mức độ khắc biên dạng ngoài, ảnh trắng – đen mà chưa khắc được ảnh đậm nhạt 256-bit 4 do an 1.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hướng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mới này là nhằm mục tiêu phát triển và cải tiến một máy Laser CNC có cấu tạo và cách điều khiển đơn giản, linh hoạt và phải đảm bảo tính hiệu quả cao về chất lượng sản phẩm và đặc biệt đạt được chi phí giá thành thấp. Ngoài ra máy CNC là một lĩnh vực phát triển rất mạnh trên thế giới vì vậy khi nghiên cứu, thiết kế chế tạo Máy khắc laser CNC sử dụng bộ điều khiển Arduino này giúp chúng ta được tiếp xúc với khối lượng lớn các kiến thức về điện tử, tin học, cơ khí mà chúng ta chưa được học trong trường nhờ đó mà chúng ta không phải bỡ ngỡ khi tiếp xúc với thực tế. Việc nghiên cứu, chế tạo sẽ gặp nhiều vấn đề và tình huống khác nhau đòi hỏi người làm phải giải quyết những vấn đề thực tế đó, từ đó rèn luyện và tích lũy kinh nghiệm cho bản thân sau này. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI.
- Nghiên cứu, tìm hiểu các đề tài liên quan đến Laser CNC trong và ngoài nước. - Thiết kế, chế tạo phần cơ khí của máy Laser CNC. - Nghiên cứu, tìm hiểu và lắp ráp phần điện – điều khiển của máy Laser CNC. 5 do an Bảng 1.
Thông số kỹ thuật của đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy khắc Laser CNC sử dụng bộ điều khiển Arduino” Thông số Đơn vị Kích thước bàn máy mm 400 x 400 x 150 Hành trình trục X mm 270 Hành trình trục Y mm 220 Công suất Laser mW 2500 Bước sóng nm 445 Độ chính xác mm 0.2 Trọng lượng máy kg 10 Vật liệu chế tạo Nhôm định hình, thép, nhựa… Điện áp sử dụng V 12 1. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Máy CNC là một sự kết hợp phức tạp của nhiều lĩnh vực như: cơ khí, điện, điện tử, tin học,. Ở góc độ đồ án tốt nghiệp đại học với những kiến thức,thời gian và kinh phí có được, nên đề tài có những hạn chế sau: - Độ chính xác thấp: 0. - Tốc độ dịch chuyển chậm: F ≤ 200 mm/s - Không gian làm việc nhỏ: 270x220.
- Công suất laser thấp: 2500 mW. - Chiều sâu cắt hạn chế: ≤ 2,5 mm. - Chỉ khắc được trên các loại vật liệu như: gỗ, giấy, da. 6 do an Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Giới thiệu Động cơ bước là một động cơ điện không dùng đồng bộ chuyển mạch Cụ thể, các mấu trong stator và rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là những khối răng làm từ vật liệu nhé có từ tính [5]. Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển và đặc biệt các động cơ, bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyen bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào.1 – Động cơ bước (Stepper Motor ) 7 do an 2. Phân loại Động cơ bước được chia thành 3 loại cơ bản: - Động cơ bước nam châm vĩnh cữu - Động cơ bước biến trở từ - Động cơ bước lai Trong đó thì: Động cơ bước nam châm vĩnh cữu bao gồm 3 loại: - Động cơ bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor) - Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) - Động cơ bước nhiều pha (Hybrid stepping Motor) 2. Cấu tạo Ta sẽ tìm hiểu cấu tạo của Động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Động cơ bước đơn cực (Unipolar Stepper Motor) Động cơ bước loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậy thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra. Nó được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass.2 – Động cơ bước đơn cực 8 do an Động cơ bước lưỡng cực (Bipolar Stepper Motor) Động cơ lưỡng cực có cấu tạo như động cơ đơn cực, chỉ khác động cơ đơn cực là không có dây chung giữa 2 dây. Ưu điểm của loại động cơ này là dòng điện chạy qua cả cuộn dây 1, 2 vì thế tạo được mômen lớn, tuy nhiên mạch điều khiển động cơ này thì phức tạp hơn, chúng ta phải đảo chiều dòng điện cho các cuộn dây [1] Hình 2.3 – Động cơ bước lưỡng cực Động cơ bước nhiều pha (Hybrid stepping Motor) Các cuộn dây được nối tiếp với nhau thành vòng kín và giữa mỗi cặp dây có một điểm giữa gọi là động cơ bước nhiều pha hay đa cực. Kiểu thông dụng nhất là kiểu 3 pha và 5 pha.4 – Động cơ bước nhiều pha 9 do an 2.
Nguyên tắc điều khiển Mạch điều khiển cho loại động cơ này là mạch cầu H cho mỗi đầu. Mạch cầu H cho phép cực của nguồn áp đến mỗi đầu của mấu được điều khiển một cách độc lập. Các dãy điều khiển cho mỗi bước đơn của loại này dung + và – để đại diện cho các cực của nguồn áp được áp vào mỗi đầu của động cơ [8]: Hình 2.5 - Cách điều khiển động cơ lưỡng cực 10 do an 2. ĐẦU KHẮC LASER 2.
Giới thiệu Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức [9]. Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích hoạt cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng. Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời. Sự ra đời cùa Laser bắt nguồn từ Thuyết Lượng tử do nhà bác học A.
Einstein phát minh ra năm 1916. Đến năm 1954, các nhà bác học Anh, Mỹ đã đồng thời sáng chế ra máy phát tia laser ứng dụng vào thực tế. Các thử nghiệm laser trên người bắt đầu từ những năm 1960. Từ năm1964, đã bắt đầu ứng dụng laser trong các trị liệu về Da (chuyên khoa da liễu).
Ứng dụng rộng rãi nhất của công nghệ laser là trên lĩnh vực gia công chế tạo máy, khả năng cắt nhanh chóng chính xác khiến ngành công nghiệp này vươn lên một tầm cao mới. Đối với các công cụ truyền thống, khi gia công kim loại và chế tác vật liệu đòi hỏi người thợ phải hao tổn nhiều thời gian và công sức mới tạo ra được sản phẩm ưng ý, tuy vậy vẫn còn nhiều nhược điểm lớn không thể khắc phục như không gia công được các sản phẩm có chi tiết phực tạp, vật liệu quá cứng, quá mỏng hay đường cong, đường gấp khúc…. Công nghệ laser là giải pháp toàn diện cho những nhược điểm trên. Ứng dụng của laser trong Y học đã tạo ra một bước phát triển mới đầy triển vọng trong việc chuẩn đoán và điều trị.