THIẾT KẾ MÁY KHẮC TRANH BẰNG LASER

Luận văn thiết kế và xây đựng một hệ thống CNC khắc tranh phục vụ trong việc chế tạo đồ lưu niệm hoặc tạo điểm nhấn cho các vật dụng. Máy được thiết kế thông qua sự tìm hiểu các hệ thống CNC trên thị trường. Để chuẩn hóa bản vẽ, phần cơ khí sử dụng các phần tử chính hãng làm thông số tính toán và thiết kế dẫn tới tổng giá thành sản phẩm luận văn sẽ có thể cao hơn so với các máy CNC đã có ngoài thị trường. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii NỘI DUNG LUẬN VĂN iv MỤC LỤC v DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1 1. Tranh khắc bằng laser 1 1.1. Nguyên lý quá trình khắc Laser 1 1.2. Tổng quan về laser 1 1.3. Các chế độ hoạt động 2 1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm 2 1.5 Phân loại các sản phẩm khắc bằng laser 4 2. Máy CNC 6 2.1. Phương pháp điều khiển máy CNC 6 2.2 Kết cấu máy CNC 7 2.3 Một số máy CNC 9 2.4 Đánh giá chung 11 3. Mục tiêu đề tài 12 3.1. Mục tiêu luận văn 12 3.2. Nhiệm vụ luận văn 12 3.3. Tổ chức luận văn 12 CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 13 1. Cơ khí 13 1.1. Kết cấu máy 13 1.2. Vật liệu làm thân máy 13 1.3. Bộ phận truyền động 14 1.4. Bộ phận dẫn hướng 15 2. Điện 15 2.1. Laser 15 2.2. Động cơ trục X,Y,Z 16 2.3. Driver điều khiển 17 3. Điều khiển 18 4. Tổng kết 18 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 20 1. Tính toán cấp chính xác 20 1.1 Yêu cầu thiết kế 20 1.2 Tính toán 20 1.3. Kiểm tra 21 2. Lựa chọn tính toán trục Z 22 2.1. Bộ phận vít me – đai ốc bi trục Z 22 2.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 25 2.3. Tính toán chọn động cơ 27 3. Lựa chọn tính toán trục X 29 3.1. Tính toán, lựa chọn vít me cho trục X 29 3.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 31 3.3. Tính toán chọn động cơ 33 4. Lựa chọn tính toán trục Y 35 4.1. Tính toán, lựa chọn vít me cho trục Y 35 4.2. Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn 37 4.3. Tính toán chọn động cơ 39 5. Tính toán chọn ổ lăn, khớp nối 41 5.1. Thông số đầu vào 41 5.2. Lựa chọn và kiểm tra 41 6. Lựa chọn dung sai lắp ghép giữa khung máy và ổ đỡ 42 6.1. Lựa chọn dung sai 42 6.2. Kiểm tra 42 7. Mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất cho các khâu 43 6.1. Khâu trục X 44 6.2. Khâu trục Y 45 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 46 1. Yêu cầu kỹ thuật 46 2. Vi điều khiển 46 3. Driver điều khiển 47 3.1. Chọn thông số làm việc cho driver 48 3.2. Kiểm tra 49 4. Laser khắc 50 5. Công tắc hành trình và vị trí lắp đặt 50 6. Nguồn hệ thống điện 51 7. Sơ đồ mạch điện tổng thể 52 CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 53 1. Yêu cầu kỹ thuật 53 2. Tạo lập file Gcode 53 2.1. Chuyển đổi file ảnh thành file .dxf 53 2.2. Tạo lập file Gcode 55 3. Điều chỉnh thiết lập thông số cho phần mềm Mach3 59 3.1. Khai báo thông tin chung 59 3.2. Thiết lập thông số cổng input và output 60 3.3. Thiết lập chế độ Home 61 4. Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt trụ tròn 62 5. Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt cầu, mặt eclipse 63 CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TỔNG KẾT 66 1. Kết quả thực nghiệm 66 1.1. Thông số mô hình thực nghiệm 66 1.2. Một số sản phẩm thực tế 67 2. Tổng kết 68 2.1. Hạn chế 68 2.2. Kết quả đạt được 68 2.3. Phương hướng phát triển luận văn 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

TỔNG QUAN

Tranh khắc bằng laser

1.1 Nguyên lý quá trình khắc Laser

A laser, which stands for Light Amplifier by Stimulated Emission of Radiation, is a highly monochromatic light beam characterized by its relative parallelism and concentrated energy.

Nhờ tính tập trung năng lượng, khi điều chỉnh đúng tiêu cự, nhiệt độ tại điểm trên bề mặt gia công rất cao, dẫn đến việc vật liệu bị cháy Phần phoi này được đẩy ra khỏi chi tiết gia công nhờ luồng khí đồng trục với tia laser, và quá trình này lặp lại với từng điểm sát nhau, tạo ra các đường cắt hoặc khắc Đối với các máy CNC vẽ tranh bằng laser, cụm tia laser đóng vai trò là cơ cấu chấp hành và được điều khiển quỹ đạo thông qua việc điều chỉnh vị trí X, Y, Z.

Hình 1.1 Nguyên lý cắt laser

Tia laser được hình thành từ photon phát ra từ môi trường hoạt tính của bộ phát laser Những photon này sẽ được phản xạ trong buồng hoạt tính cho đến khi tích lũy đủ năng lượng và có hướng di chuyển dọc theo trục quang học Khi đạt được điều kiện này, photon có khả năng xuyên qua thấu kính bán trong suốt, từ đó tạo ra tia laser.

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý của bộ phát laser

Hiện nay, trên thị trường có bốn loại laser chính: laser rắn, laser lỏng, laser khí và laser bán dẫn Sự khác biệt giữa các loại laser này nằm ở môi trường hoạt tính, điều này ảnh hưởng đến màu sắc và tỷ lệ công suất so với giá tiền của từng loại.

1.3 Các chế độ hoạt động

Chế độ phát liên tục (CW – Continuous Wave) cho phép nguồn laser hoạt động với công suất hiệu dụng liên tục Tuy nhiên, điều này làm cho nguồn phát nhanh chóng nóng lên, dẫn đến tuổi thọ của môi trường hoạt tính bị giảm so với chế độ phát xung (PO).

Chế độ phát xung (PO - Pulse Operation) là phương pháp cắt có hai pha: đóng và ngắt Mục đích chính của chế độ này là tối ưu hóa hiệu suất cắt, giảm thiểu năng lượng hao phí do hiện tượng laser cắt vào phoi, từ đó kéo dài tuổi thọ của nguồn phát.

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm

1.4.1 Vật liệu Tùy vào loại vật liệu mà ta nên sử dụng tốc độ khắc khác nhau Đối với phôi là nhựa, nếu bề mặt phơi nhiễm laser rộng sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm vì phần phoi nóng chảy kết dính lại vào phôi Còn về các phôi làm từ gỗ, cần có tốc độ khắc hợp lý vì trước khi tới giai đoạn laser bóc tách được vật liệu thì phải qua quá trình bốc hơi.

Vật liệu Bề dày (mm) Tốc độ cắt (m/ph) Năng lượng (W)

Bảng 1.1 Tốc độ cắt và công suất laser gợi ý cho từng loại vật liệu

Bảng 1.1 trình bày sự khác biệt về tốc độ và chiều sâu cắt khi sử dụng công nghệ laser trên các loại vật liệu khác nhau, từ đó chúng ta có thể sử dụng số liệu này để lựa chọn sơ bộ tốc độ khắc trong chương tiếp theo.

1.4.2 Tiêu cự Tuy nhìn trực quan tia laser khá song song, nhưng thực tế mỗi bộ phát laser đều cho ra chùm tia hội tụ Điểm hội tụ phụ thuộc vào tiêu cự hệ thống thấu kính của mỗi nguồn (có thể tìm thấy trong tài liệu kỹ thuật) Nếu điểm hội tụ nằm ngay trên bề mặt gia công, chiều sâu gia công cũng như chất lượng bề mặt cải thiện rất nhiều.

Hình 1.3 Biên dạng vết cắt với từng vị trí tiêu điểm

Điểm hội tụ nằm ngay trên bề mặt gia công là yếu tố quan trọng để tạo ra vết cắt gọn và sâu Việc xác định và duy trì vị trí của điểm hội tụ không chỉ giúp sản phẩm có nét khắc sắc nét mà còn tiết kiệm năng lượng và gia tăng tuổi thọ của nguồn laser.

1.4.3 Nguồn khí bổ trợ Đối với các sản phẩm tranh CNC laser từ gỗ, hoặc có vật liệu nguồn gốc xenlulose việc thể hiện hình ảnh lên mặt phẳng chỉ đơn giản là làm cháy 1 phần nhỏ trên bề mặt Thông thường do đặc tính ẩm nên vết đốt khó lan nếu có quạt tản nhiệt, Tuy nhiên khi chất liệu làm tranh có gốc nhựa, thì tại điểm gia công xuất hiện phần xỉ, để tránh hiện tượng phần xỉ kết dính lại vào phôi, đầu laser cần trang bị luồng khí bổ trợ.

Hình 1.4 Sản phẩm cắt khi không áp dụng luồng khí bổ trợ (trên) và có luồng khí bổ trợ (dưới)

1.5 Phân loại các sản phẩm khắc bằng laser

1.5.1 Về bề mặt gia côngMặt phẳng: tranh lưu niệm, ký hiệu trên chi tiết máy (bánh răng, đai ốc, gá chi tiết,…) Các hình ảnh có thể nằm ở nhiều vị trí khác về cao độ (so với tọa đồ bàn máy),nhưng mỗi hình ảnh đều cũng ở một độ cao xác định.

Hình 1.5 Tranh khắc trên cùng một mặt phẳng (trái) và khác mặt phẳng (phải)

Mặt cong là bề mặt lý tưởng để in tranh ảnh lưu niệm trên bình rượu, trái cây và nhãn hiệu trên các thiết bị công nghiệp Để đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt, hệ thống điều khiển cần duy trì khoảng cách chính xác giữa điểm hội tụ của tia laser và mặt phẳng tức thời.

Hình 1.6 Tranh khắc laser trên mặt cong

1.5.2 Về vật liệu khắc Vật liệu có gốc xelulose: loại vật liệu này có tính ẩm và mềm (xét theo góc độ cơ khí) với phương pháp CNC laser, không những có thể vẽ tranh 2D mà còn có thể vẽ tranh nổi Tuy có đặc tính ẩm, vật liệu này vẫn có thể cháy ở nhiệt độ phòng, do đó trong quá trình gia công cần có hệ thống thổi luồng để dập tắt các ngọn lửa nhỏ phát sinh trong quá trình gia công.

Vật liệu kim loại và polymer đều có những đặc điểm riêng trong quá trình gia công Polymer khó cháy hơn nhưng dễ phát sinh xỉ khi vẽ tranh 2D, do đó cần có hệ thống khí thổi để đảm bảo thẩm mỹ sản phẩm Ngược lại, vật liệu kim loại yêu cầu đầu laser có công suất phù hợp do nhiệt độ nóng chảy cao Hơn nữa, trong quá trình CNC laser kim loại, tia lửa có thể xuất hiện, vì vậy người quản lý máy cần tuân thủ các quy trình phòng cháy chữa cháy để đảm bảo an toàn.

Máy CNC

2.1 Phương pháp điều khiển máy CNC

2.1.1 Điều khiển 2D Phương pháp này dùng để tạo đường thằng, đường cong trên một mặt phẳng vì chi tiết tịnh tiến so với dao bằng 2 trục, trục còn lại là trục tiến dao Trục tiến dao hoạt động độc lập với 2 trục kia.

Hình 1.7 Phôi được gia công theo phương pháp 2D

2.1.2 Điều khiển 2(1/2)D Cải tiến hơn so với phương pháp 2D, phương pháp 2(1/2)D cho phép thực hiện gia công chi tiết trên nhiều mặt phẳng khác nhau Tuy nhiên trong quá trình gia công một mặt phẳng, chỉ có 2 trục di chuyển đồng thời, trục còn lại là trục tiến dao Do vậy các chuyển động có thể có ở các mặt (Oxy), (Oxz), (Oyz).

Hình 1.8 Phôi được gia công bằng phương pháp 2(1/2)D

2.1.3 Điều khiển 3D Tiên tiến hơn hai phương pháp trên, điều khiển 3D nội suy tọa độ của 3 trục đồng thời, có thể gia công được các chi tiết theo kích thước ba chiều Do đó có thể gia công nhiều bước hơn trong một lần gá phôi.

Hình 1.9 Phôi được gia công bằng phương pháp 3D

Kết cấu của một hệ thống CNC gồm hai phần chính: điều khiển và chấp hành

Hình 1.10 Cấu trúc tổng thể máy CNC

2.2.1 Phần điều khiểnPhần điều khiển bao gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển Về chương trình điều khiển, hiện nay có nhiều chương trình điều khiển nhưng thông dụng nhất là Gbrl Control và Mach3 vì mã nguồn mở và có cộng đồng hỗ trợ lớn Về thiết bị điều khiển, bao gồm các mạch công suất, mạch đọc dữ liệu trả về, bộ phận xử lý tín hiệu – truyền tín hiệu, hệ thống liên hệ ngược (ví dụ: công tắt hành trình, cảm biến tiệm cận),…

2.2.2 Phần chấp hành Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ cấu chạy đầu làm việc trên máy CNC, có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển tạo ra các chuyển động nhằm gia công chi tiết đúng như bản vẽ đầu công cụ là bộ phận trực tiếp gia công chi tiết.

Bộ truyền động thường áp dụng phương pháp khử khe hở qua bộ truyền vít me - đai ốc bi, trong khi đó, một số máy gia công nhẹ có thể sử dụng bộ truyền đai răng.

2.2.3 H ệ trục tọa độ và phân loại máy CNC Theo tiêu chuẩn ISO, hệ trục tọa độ máy CNC là hệ tọa độ Descarte được quy định như sau:

– Trục Z: trục chứa đầu công cụ, chiều dương là chiều mà khoảng cách từ công cụ tới chi tiết tăng dần.

– Trục Y: là trục chứa khoảng tịnh tiến lớn nhất của máy.

– Trục X: hợp với 2 trục còn lại.

Từ 3 trục XYZ, đối với máy CNC, trên thị trường có các loại như sau:

– X – Y table: bàn làm việc di chuyển theo hai phương

– Moving gantry: trong quá trình gia công mâm cặp dao di chuyển theo hai phương sau khi tiến dao.

– Moving table: gá công cụ có nhiệm vụ tiến dao và di chuyển theo 1 phương, phương còn lại cho bàn làm việc phụ trách.

Ngoài ra, khi sử dụng cũng như thiết kế máy CNC, ta phải để ý tới các chuẩn sau đây:

– Chuẩn M (Machine Datum Point): chuẩn máy – gốc tọa độ của máy do người thiết kế quy định.

– Chuẩn R (Reference Point): là gốc tọa độ do người sử dụng đặt nhằm thuận tiện cho việc gia công.

– Chuẩn T (Tool offset): chuẩn dao.

– W (Work Datum Point): chuẩn chi tiết – gốc tọa độ của chi tiết.

– P (Program Datum Point): gốc tọa độ trong code lập trình, do người lập trình chọn.

2.3.1 Máy khắc laser CNC D3040 S1 (Moving gantry)

Hình 1.11 Máy khắc laser CNC D3040 S1

Vùng hoạt động 300x400 (mm) Trục Z điều chỉnh bằng tay

Vật liệu khung Nhôm định hình Độ chính xác ±0.01 (mm) Động cơ dẫn trục Step Motor

Phần mềm điểu khiển GBRL control

Hệ điều hành hỗ trợ Windows

Bảng 1.2 Thông số máy khắc laser CNC D3040 S1

Vật liệu khung Nhôm định hình (phiên bản thường)

Thép (phiên bản cao cấp) Độ chính xác ±0.01 (mm) Động cơ dẫn trục Step Motor

Phần mềm điểu khiển GBRL control

Bảng 1.3 Thông số máy CNC 3810

Vật liệu khung Nhôm đúc Độ chính xác ±0.02 (mm) Động cơ dẫn trục Step Motor

Phần mềm điểu khiển Wegstr CNC

Bảng 1.4 Thông số máy CNC WEGSTR

2.4.1 Vật liệu làm thân máy

Khung máy thường được chế tạo từ thanh nhôm định hình, trừ các dòng cao cấp sử dụng vật liệu nguyên khối, nhờ vào tính chuẩn hóa và trọng lượng nhẹ, giúp giảm năng lượng tiêu hao cho động cơ Độ bền của khung máy có thể được cải thiện bằng cách lựa chọn thanh nhôm có kích thước lớn.

2.4.2 Bộ điều khiển Ở những máy CNC mini có tên tuổi, họ sử dụng các phần mềm và mạch điều khiển độc quyền Tuy nhiên tại phân khúc các máy CNC DIY ở Việt Nam thường sử dụng mạch điều khiển Mach3 hoặc Arduino (kèm thêm mạch phụ, gọi là Shield) và phần mềm điều khiển thường là Mach3 hoặc GbrlControl.

Mục tiêu đề tài

Phân tích và thiết kế máy CNC vẽ tranh dành cho các cửa hàng lưu niệm quy mô hộ gia đình, tập trung vào sản xuất đơn chiếc và hàng loạt Máy CNC này cho phép tạo ra các bức tranh khắc laser trên tấm gỗ với kích thước tối đa A3, cùng với các sản phẩm như móc khóa.

Thông số làm việc của máy:

– Kích thước vùng làm việc: 300x400x100mm.

– Độ chính xác trên từng trục: ±0.1mm.

– Vật liệu khắc: Nhựa, gỗ, kim loại.

– Tìm hiểu tổng quan về các máy 2D và máy khắc laser.

– Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí.

– Tính toán thiết kế mạch điện.

– Thiết kế giải thuật điều khiển.

– Chương 2: Lựa chọn phương án

– Chương 3: Thiết kế hệ thống cơ khí

– Chương 4: Thiết kế hệ thống điện

– Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

– Chương 6: Kết quả thực nghiệm và tổng kết

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Cơ khí

Máy CNC có ba kết cấu phổ biến: Moving table, Moving gantry và X-Y table Trong hai kết cấu Moving table và X-Y table, mục đích chính là phân bổ tải trọng trong quá trình cắt Tuy nhiên, máy CNC khắc laser hoạt động khác biệt, vì công cụ cắt không tác động lực vào phôi, dẫn đến tải trọng của bộ phận công tác (trục Z) nhẹ hơn nhiều so với các bộ phận gia công trên máy CNC truyền thống.

Khi sử dụng kết cấu Moving table và X-Y table, cần thiết kế bộ phận gá tranh hợp lý để đảm bảo phôi không bị trượt, đồng thời không quá chặt gây ra tình trạng móp méo.

Vậy chọn sử dụng cơ cấu Moving gantry vì:

– Tránh hiện tượng trượt giữa tranh so với bàn máy

– Đầu laser di chuyển tự do theo 3 phương, tạo được độ cơ động dẫn tới sản lượng của máy được tối ưu

Mặc dù cơ cấu này có nhược điểm là sai số cộng dồn giữa trục X và Y, nhưng vì sản phẩm đầu ra chỉ yêu cầu độ chính xác trực quan, nên yếu tố này có thể được bỏ qua.

1.2 Vật liệu làm thân máy

Thường có 2 phương pháp tạo nên thân máy: ráp các bộ phận CNC và nối các thanh nhôm định hình.

Nhôm định hình Khung CNC

Chi phí Trung bình (vì được chuẩn hóa)

Cao Độ chính xác Trung bình Trung bình/cao (tùy thuộc vào máy gia công) Độ chắc chắn Thấp (do có nhiều mối lắp ốc giữa các thanh)

Trung bình/cao (tùy thuộc vào vật liệu)

Bảng 2.1 So sánh giữa khung nhôm định hình và khung CNC

Chọn khung CNC với vật liệu là thép cơ khí vì

Máy được thiết kế đặc biệt cho các hộ kinh doanh vừa và nhỏ, đảm bảo khả năng vận hành liên tục Tuy nhiên, các mối lắp ốc trên thanh nhôm định hình có thể bị lỏng theo thời gian.

– Tính chất vật liệu chắc chắn, bền so với nhu cầu.

– Bước dịch chuyển đáp ứng được độ chính xác đặt ra.

– Hiệu suất truyền động cao (≥90%). Ưu điểm Nhược điểm

Vít me – đai ốc bi 

 Độ chính xác cao Hiệu suất truyền động cao (> 90%).

Ma sát ảnh hưởng là ma sát lăn → bền hơn

 Giá thành cao hơn vít me – đai ốc.

 Kích thước lớn hơn vít me – đai ốc (xét trong cùng đường kính trục). vit me – đai ốc.

Vít me – đai ốc  Chịu tải lớn hơn vít me  Hiệu suất truyền động đai ốc bi thấp (50% - 70%).

 Độ chính xác cao  Ma sát ảnh hưởng là

 Có khả năng tự hãm ma sát trượt nên dùng (thích hợp cho trục Z) lâu sẽ bị rơ và mòn ren.

Bảng 2.2 Bảng so sánh giữa Vit me – đai ốc và Vít me – đai ốc bi

Khi chọn vít me – đai ốc bi cho cơ cấu Moving Gantry, cần lưu ý rằng bộ phận truyền động và dẫn hướng Y phải chịu toàn bộ tải trọng của 3 trục Tuy nhiên, tải trọng này nhẹ hơn so với các máy CNC phay, đặc biệt là không phải chịu tải trọng bổ sung từ việc bóc tách vật liệu Do đó, việc lựa chọn cơ cầu vít me – đai ốc bi với bước ren lớn sẽ giúp đạt được chuyển động nhanh và bền bỉ hơn so với vít me – đai ốc vuông.

– Không ảnh hưởng tới độ chính xác đã đặt ra khi kết hợp với bộ phận truyền động.

– Độ bền (chống mòn) cao.

Trên thị trường hiện nay có hai loại dẫn hướng là thanh trượt tròn và thanh trượt Ưu điểm Nhược điểm

Mức độ hoàn thiện của con trượt cao hơn con trượt tròn (hệ số ma sát 0.005).

Phải thiết kế thêm phần thân dể gắn thanh trượt.

Thanh trượt tròn  Giá thành thấp hơn so  Chỉ nên dùng với hành với thanh trượt vuông trình 2A).

– Phù hợp với môi trường khói bụi

Thông dụng ngoài thị trường có 2 loại driver dùng để điều khiển động cơ step dành cho máy CNC loại nhỏ: A4988 và TB6600

Các chế độ vi bước Full step, 1/2 (A – B), 1/4,

Dòng tải tối đa 4A 4A (dòng đỉnh)

Tần số giao tiếp tối đa 20kHz 50kHZ

Bộ phận truyền tín hiệu Opto – phototransitor Transitor

Phương thức tản nhiệt Tản nhiệt khí thụ động (có sẵn)

Tản nhiệt khí thụ động (lắp thêm)

Phương thức kết nối Domino Thông qua breadboard hoặc dây bus

Chọn TB6600 làm driver vì:

– Có mạch cách ly opto – phototransitor (bảo vệ giữa 2 khối logic và nguồn động cơ).

– Thiết kế vỏ chắn kín, phù hợp công tác tại môi trường có bụi.

– Hỗ trợ dòng điện hoạt động cao (làm việc bình thường với cường độ 4A cho motor).

– Kết nối domino chắc chắn và ít hở dây hơn nhiều so với breadboard và dây bus.

Điều khiển

– Dễ điều khiển đối với người không chuyên.

– Cộng đồng hỗ trợ đông.

– Phần mềm tính toán cho đầu ra chính xác.

Trong phần tổng quan, có hai phương án điều khiển phổ biến là Arduino và Mach3 Cả hai phần mềm này đều được hỗ trợ bởi cộng đồng lớn và dễ dàng làm quen, chỉ cần 1 đến 2 ngày.

Khi so sánh môi trường làm việc, nền tảng Arduino có thể gặp phải nhiễu và lỗi khi hoạt động liên tục hoặc trong môi trường bụi bẩn Ngược lại, Mach3, mặc dù có giá cao hơn 50% so với Arduino, được thiết kế đặc biệt cho hệ thống CNC với phần mềm thường xuyên được cập nhật, giao diện thân thiện và nhiều cổng IO hỗ trợ Do đó, chúng tôi quyết định chọn Mach3 cho đề tài luận văn này.

Tổng kết

 Kết cấu máy: Moving Gantry.

 Phương án thiết kế phần khung: CNC.

 Bộ phận dẫn động: thanh trượt tròn.

 Cơ cấu truyền động: vít me – đai ốc bi.

 Đầu gia công: laser diode.

 Bộ phận truyền động: step motor với driver TB6600.

 Phương án điều khiển: Mach3.

Step motor Khớp nối Con lăn dẫn hướng Thanh dẫn hướng Vít me Đai ốc

Hình 2.1 Sơ đồ động của kết cấu moving gantry

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Tính toán cấp chính xác

– Độ chính xác từng trục: ±0.1mm

Ta có sơ đồ chuỗi kích thước

Hình 3.1 Sơ đồ chuỗi kích thước trong mặt phẳng XY

– a: chiều dài hành trình trục x

– b: chiều dài hành trình trục y

– d: chiều dài hành trình trục z

– c: khoảng cách từ điểm home đến vị trí gia công.

– am: hệ số cấp chính xác của các khâu thành phần

– α: góc hợp bởi khâu thành phần a và khâu khép kín c (0 o < α < 90 o )

Ta có: c = a.cos(α) + b.sin(α) Suy ra dung sai khâu khép kín:

Tc = Ta.cos(α) + Tb.sin(α) Dựa vào sơ đồ trên, ta thấy khâu a, b là khâu tăng, suy ra:

Ta = am.ia; Tb = am.ib– am: hệ số cấp chính xác của các khâu thành phần.

– i: giá trị đơn vị dung sai.

Thay vào phương trình dung sai khâu khép kín, ta được: a m T C ia cos(  ) + ib sin (  )

Với yêu cầu độ chính xác, ta tìm được giới hạn chính xác của khâu khép kín:

T c   0,142 Tra bảng 2.1 [1], ta được giá trị đơn vị dung sai ứng với độ dài từng khâu: a = 300mm ia = 3,22 b = 400mm ib = 3,54 d = 100mm ic = 2,17

Bảng 3.1 Giá trị đơn vị dung sai từng khâu

Hệ số cấp chính xác của cặp trục X, Y: a m(xy) 142

Hệ số cấp chính xác của cặp trục X, Z: a m(xz) 142

Hệ số cấp chính xác của cặp trục Y, Z: a m( yz) 142

Tra bảng 2.1 [1], ta thấy: IT8 < am < IT9 Chọn IT8 là cấp chính xác cho các khâu thành phần.

Với cấp chính xác IT8, tra bảng 2.3 [1], ta được:

Dung sai lớn nhất của trục X: Ta=0,081 (mm)

Dung sai lớn nhất của trục Y: Tb=0,089 (mm)

Dung sai lớn nhất của trục Z: Td=0,054 (mm)

Dung sai lớn nhất của khâu khép kín: Ở cặp trục X, Y:

Kết luận: Ba kết quả đều bé hơn 0.142 nên chọn cấp chính xác cho các khâu thành phần là IT8.

Lựa chọn tính toán trục Z

2.1 Bộ phận vít me – đai ốc bi trục Z

Chỉ tiêu tính toán bộ truyền dựa vào độ bền, độ chịu mòn và độ ổn định.

Hình 3.2 Sơ đồ phân bố tải trọng trục Z

– Gia tốc lớn nhất khi không gia công: a = 0,05 = 0,5 (m/s 2 )

– Số vòng quay giới hạn: n = 1500 (v/ph)

– Khối lượng của cụm cơ cấu chấp hành Z: m = 2(kg)

– Hệ số điều kiện làm việc: fb = 1,2 (Chế độ làm việc không rung động) – Kiểu lắp: fixed-supported

Giá trị các lực dọc trục với từng điều kiện:

– Trong quá trình tăng tốc:

Fa1 = mg + ma = 2.10 + 2.0,5 = 21(N) – Trong quá trình chuyển động đều:

Fa1 = mg = 2.10 = 20 (N) – Trong quá trình giảm tốc:

Fa1 = mg − ma = 2.10 − 2.0,5 = 19 (N) – Lực dọc trục lớn nhất vít me phải chịu: F amax = 21(N)

– Lực dọc trục tính toán:

F tb = F amax f b = 25,2 (N) – Tải trọng đặt trước:

Fpr 2,8 = 9(N) – Tải trọng dọc trục tổng cộng:

F a = F tb + F pr = 34,2 (N) 2.1.2 Tính toán chọn vít me:

– Khả năng tải trọng động:

Chọn vít me hãng HIWIN FSW 12-05B1 có đường kính danh nghĩa 12mm với thông số dưới đây:

Với hành trình đã cho ta chọn được các thông số chiều dài của vít me tài liệu [2]:

Hình 3.3 Thông số chiều dài vít me đai ốc bi của HIWIN

– Tính tốc độ tới hạn:

M f − Hệ số phụ thuộc kiểu lắp ổ. d r − Đường kính chân ren (mm)

Lt − Khoảng cách (Critical speed)

(mm) Số vòng quay tối đa:

N = Nc 0,8 = 57136 (v/ph) > nmax (thỏa) – Tính tải trọng tới hạn:

Mf − Hệ số phụ thuộc kiểu lắp ổ. d r − Đường kính chân ren (mm)

Lt − Khoảng cách (Buckling load) (mm)

F = F c 0,5 = 2592,5(N) > F amax (thỏa) 2.2 Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn:

– Khoảng cách giữa 2 con trượt : d = 100 (mm)

– Độ cao trọng tâm cụm laser so với thanh trượt: l = 50(mm)

– Độ cao trọng tâm cụm bàn gá so với thanh trượt: h = 20 (mm)

– Trọng lượng của phôi và bàn máy: m = 20 (kg) → W = 20 (N)

– Chiều dài hành trình: L ht = 100 (mm)

– Tuổi thọ mong muốn: Lh = 86000 (giờ)

– Số hành trình trong 1 phút: s=1 (hành trình/ph)

2.2.2 Tính toán đường kính và chọn thanh trượt:

Hình 3.4 Sơ đồ mô tả tải trọng lên bộ phận dẫn hướng Z

– Ngoại lực tác dụng lên con trượt khi tăng tốc:

F = F amax = 21 (N) – Lực tác dụng lớn nhất lên con trượt:

2.100 – Tính tổng chiều dài di chuyển dựa vào tuổi thọ đặt trước:

L0 = 2 Lht s 60 Lh = 2.50.1.60.86000 = 516 (km) – Tính sơ bộ khả năng tải động:

Chọn con trượt SCS8UU với thông số sau:

– Từ con lăn đã chọn, tính tải trọng đặt trước:

F pr = 0,02 C = 0,02.278 = 5,48 (N) – Tổng tải trọng trên con trượt:

F = P max + F pr = 7,25 + 5,48 = 12,7(N) – Tuổi thọ sống trượt lăn: fh ft C

Khi tính toán độ bền của hệ thống, cần lưu ý rằng chiều dài tối đa cho phép là 291268 km Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm hệ số độ cứng của bề mặt ray dẫn (HRC 58-60), hệ số ảnh hưởng bởi nhiệt độ làm việc (t o < 100 o C), và hệ số ảnh hưởng bởi vận tốc di chuyển (v < 15 m/ph) Việc xác định ký hiệu cho con trượt và thanh trượt cũng rất quan trọng trong quá trình thiết kế.

– Tên con trượt: SC 8UU

2.3 Tính toán chọn động cơ:

+ Cụm cơ cấu chấp hành Z: m = 2 (kg)

– Lực dọc trục khi gia công: F a1 = 21 (N)

– Tốc độ quay lớn nhất: n = 1500 (vg/ph)

– Gia tốc góc lớn nhất: γ = 2π n max

60 t 2.3.2 Tính toán momen cho đông cơ:

– Momen xoắn do tải trọng đặt trước:

– Momen xoắn trong điều kiện tác động bình thường:

– Momen quán tính: o Vít me:

– Momen xoắn cho quá trình tăng tốc:

– Momen xoắn để chọn động cơ:

T đc = 2 T = 55,24 NmmChọn động cơ PKP243D15A2 (42 mm) có thông số như sau:

Hình 3.5 Đồ thị quan hệ giữa tốc độ góc so với momen xoắn và cường độ dòng diện đặt vào driver

Lựa chọn tính toán trục X

3.1 Tính toán, lựa chọn vít me cho trục X:

Hình 3.6 Sơ đồ phân bố tải trọng trục X

– Gia tốc lớn nhất khi không gia công: a = 0,1 = 1 (m/s 2 )

– Khối lượng của cụm trục Z: m = 5(kg)

– Hệ số điều kiện làm việc: f b = 1,2 (Chế độ làm việc không rung động) – Kiểu lắp: supported-supported

F a1 = μmg + ma = 0,1.5.10 + 5.1 = 10(N) – Trong quá trình chuyển động đều:

Fa1 = μmg = 0,1.5.10 = 5 (N) – Trong quá trình giảm tốc:

 Lực dọc trục lớn nhất vít me phải chịu: F amax = 10 (N)

– Tải trọng dọc trục tổng cộng:

L t − Khoảng cách (Critical speed) (mm)

– Số vòng quay tối đa:

N = Nc 0,8 = 5569(v/ph) > nmax (thỏa) – Tính tải trọng tới hạn:

M f − Hệ số phụ thuộc kiểu lắp ổ. d r − Đường kính chân ren (mm)

F = Fc 0,5 = 241,7 (N) > Famax (thỏa) 3.2 Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn:

– Khoảng cách giữa 2 con trượt : c = 120(mm)

– Độ cao trọng tâm cụm trục Z so với thanh trượt: l = 70(mm)

– Độ cao trọng tâm cụm bàn gá so với thanh trượt: ℎ = 20 (mm)

– Trọng lượng của phôi và bàn máy: m = 5 (kg) → W = 50 (N) – Chiều dài hành trình: Lht = 300 (mm)

– Tuổi thọ mong muốn: L h = 86000 (giờ)

– Số hành trình tròn 1 phút: s=1 (hành trình/ph)

Hình 3.7 Sơ đồ mô tả tải trọng lên bộ phận dẫn hướng X

P e = P + P t = 15 + 8.5 = 22,1 (N) – Tính tổng chiều dài di chuyển dựa vào tuổi thọ đặt trước:

L0 = 2 Lht s 60 Lh = 2.300.1.60.86000 = 3096 (km) – Tính sơ bộ khả năng tải động:

Chọn con trượt SC 8UU với thông số sau: e

F = P max + F pr = 22,1 + 5,48 = 27,6 (N) – Tuổi thọ sống trượt lăn: fh ft C

Để tính toán độ bền của hệ thống, ta có công thức L0 = 28424 km, trong đó có các yếu tố ảnh hưởng như: hệ số ảnh hưởng bởi độ cứng của bề mặt ray dẫn (HRC 58-60), hệ số ảnh hưởng bởi nhiệt độ làm việc (t o < 100 o C), và hệ số ảnh hưởng bởi vận tốc di chuyển (v < 15 m/ph) Các ký hiệu con trượt và thanh trượt cũng được sử dụng trong quá trình tính toán này.

- Tên con trượt: SC 8UU

– Khối lượng: o Cụm trục X: m = 5 (kg) o Vít me: m1 o Nối trục: m

– Lực dọc trục khi gia công: Fa1 = 5 (N)

- Momen xoắn do tải trọng đặt trước:

- Momen xoắn trong điều kiện tác động bình thường:

- Momen quán tính: o Vít me:

- Momen xoắn cho quá trình tăng tốc:

- Momen xoắn để chọn động cơ:

Tđc = 2 T = 42,77 NmmChọn động cơ PKP243D15A2 (42 mm) có thông số như sau:

Lựa chọn tính toán trục Y

4.1 Tính toán, lựa chọn vít me cho trục Y:

Hình 3.8 Sơ đồ phân bố tải trọng trục Y

– Gia tốc lớn nhất khi không gia công: a = 0,1 = 1 (m/s 2 )

– Khối lượng của cụm truyền động XZ: m = 15 (kg)

– Hệ số điều kiện làm việc: fb = 1,2 (Chế độ làm việc không rung động) – Kiểu lắp: supported-supported

F a1 = μmg + ma = 0,1.15.10 + 15.1 = 30(N) – Trong quá trình chuyển động đều:

F a2 = μmg = 0,1.15.10 = 15(N)– Trong quá trình giảm tốc:

 Lực dọc trục lớn nhất vít me phải chịu: Famax = 30(N)

– Tải trọng dọc trục tổng cộng:

Lt − Khoảng cách (Critical speed) (mm)

– Số vòng quay tối đa:

N = Nc 0,8 = 3599(v/ph) > nmax (thỏa) – Tính tải trọng tới hạn:

N f − Hệ số phụ thuộc kiểu lắp ổ. d r − Đường kính chân ren (mm)

F = F c 0,5 = 160(N) > F amax (thỏa) 4.2 Tính toán và lựa chọn thanh trượt tròn:

– Khoảng cách giữa 2 con trượt : d = 60 (mm)

– Độ cao trọng tâm cụm trục XZ so với thanh trượt: l = 200(mm) – Trọng lượng của phôi và bàn máy: m = 10 (kg) → W = 100 (N) – Chiều dài hành trình: L ht = 400 (mm)

– Tuổi thọ mong muốn: Lh = 86000 (giờ)

– Số hành trình tròn 1 phút: s=0,5 (hành trình/ph) r

Hình 3.9 Sơ đồ mô tả tải trọng lên bộ phận dẫn hướng Y

– Tính tổng chiều dài di chuyển dựa vào tuổi thọ đặt trước:

L 0 = 2 L ht s 60 L h = 2.400.0,5.60.86000 = 2064 (km) – Tính sơ bộ khả năng tải động:

Chọn con trượt SCS10UU với thông số sau:

– Tuổi thọ sống trượt lăn: f h f t C 3

Khi tính toán độ bền của hệ thống, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng như độ cứng của bề mặt ray dẫn (HRC 58-60), nhiệt độ làm việc (t o < 100 o C) và vận tốc di chuyển (v < 15 m/ph) Công thức tính toán cho thấy rằng độ bền có thể đạt tới 2659 km, với các hệ số ảnh hưởng được điều chỉnh theo từng yếu tố cụ thể.

Tên con trượt: SCS10UU

– Khối lượng: o Cụm trục X và trục Z: m = 10 (kg) o Vít me: m1 = 0,48 (kg) o Nối trục: m2 = 0,022(kg)

– Lực dọc trục khi gia công: Fa1 = 15 (N)

– Momen xoắn do tải trọng đặt trước:

– Momen xoắn trong điều kiện tác động bình thường:

– Momen quán tính: o Vít me:

– Momen xoắn cho quá trình tăng tốc:

– Momen xoắn để chọn động cơ:

Tđc = 2 T = 76,29 NmmChọn động cơ PKP243D15A2 (42 mm) có thông số như sau:

Tính toán chọn ổ lăn, khớp nối

– Lực hướng tâm trên ổ lăn:

– Lực dọc trục lớn nhất: F a = 30 (N)

– Tuổi thọ tính theo giờ: L h = 86000 (giờ)

5.2 Lựa chọn và kiểm tra:

Chọn cụm gối đỡ BK-10, FF-10, BF-10:

Kiểu Tên Loại d (mm) Tải trọng động C(kN)

– Tải trọng động quy ước:

V = 1 − Hệ số khi vòng trong quay kt = 1 − Hệ số ảnh hưởng khi nhiệt độ dưới

105 o C k d = 1,2 − Hệ số ảnh hưởng của tải trọng nhẹ

X = 0,56, Y = 1,81 − Hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục (Bảng 11.4, tài liệu [6])

– Tải trọng tĩnh quy ước:

X = 0,5 − Hệ số tải trọng hướng tâm (Bảng 11.6 [6])

Y = 0,47 − Hệ số tải trọng dọc trục (Bảng 11.6 [6])

– Khả năng tải động tính toán:

C = Q L 3 = 85,41.7740 3 = 1689,5 (N) < C (thỏa) – Khả năng tải tĩnh tính toán:

Vậy ổ vừa chọn phù hợp với khả năng tải.

Lựa chọn dung sai lắp ghép giữa khung máy và ổ đỡ

Theo tài liệu [4], với đường kính 28mm của ổ FF10 và dung sai chế tạo, ta chọn loại ổ có cấp chính xác g8

Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật ỗ đỡ FF10 (“D” là đường kính ngoài của ổ)

Bảng 3.3 Dung sai lắp ghép của các loại ổ

Với cấp chính xác IT8 và mục đích lắp ghép lỏng, dung sai lỗ của thân máy được chọn là H8 Do đó, mối ghép giữa khung máy và ổ đỡ sẽ là H8/g8.

– Chiều dài dịch chuyển trục X: 300mm

– Chiều dài dịch chuyển trục Y: 400mm

– Độ hở lớn nhất và nhỏ nhất:

– Suy ra độ lệch tâm lớn nhất giữa 2 ổ bi:

Vậy sai số tối đa theo phương Z ở mỗi vít me: ΔZ = ±33μm Suy ra sai số tối đa của trục Z do hiện tượng lệch tâm gây ra:

Sai số tối đa theo phương X và Y:

= √(400 103)2 − (33)2 − 400 103 = −2μmVậy dung sai lắp ghép H8/g8 thỏa yêu cầu sai số.

Mô phỏng kiểm nghiệm ứng suất cho các khâu

Để phù hợp với lựa chọn ở phần phương án cùng với chi phí ổn nhất, luận văn chọn thép A36 – 8mm với thông số như sau:

Thuộc tính Giá trị Ứng suất đàn hồi 200 000 N/mm 2 Ứng suất cắt 79300 N/mm 2 Ứng suất kéo 400 N/mm 2 Ứng suất uốn 250 N/mm 2

Trong điều kiện tĩnh, lực tác dụng lên khâu trục X bao gồm khối lượng của bộ phận dẫn hướng, vít me và toàn bộ khâu trục Z cùng cơ cấu chấp hành Để thiết lập mô phỏng, tổng lực tác dụng lên khung được chọn là 50N, với điểm chịu lực tại các lỗ lắp đai ốc và thanh dẫn hướng.

Hình 3.10 Kết quả phân tích bền khâu trục X

Kết quả cho thấy không có khu vực nào của khâu vượt quá ứng suất cho phép.Khâu thỏa điều kiện bền

Tải trọng trên khung đỡ trục X bao gồm toàn bộ phần trên của máy, ước tính khoảng 13kg Trong thiết lập mô phỏng, tải trọng tác dụng là 15kg, tập trung tại vị trí biên của đai ốc, nơi lắp ổ lăn và thanh dẫn hướng Phần thép tấm dùng để lắp ổ lăn và thanh dẫn hướng được kết nối bằng 2 thanh nhôm định hình, sử dụng nhôm 6061 T6 cho mô phỏng.

Hình 3.11 Kết quả phân tích bền khâu trụm Y

Ta thấy khâu đáp ứng được tải trọng và thỏa bền.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Yêu cầu kỹ thuật

– Chế độ làm việc của driver vẫn đáp ứng đủ lượng momen xoắn phần cơ khí yêu cầu.

– Sai số cộng dồn từ driver và phần cơ khí không quá ±0.1mm.

– Tần số giao tiếp giữa Mach3 và driver TB6600 phải đáp ứng được tốc độ tới hạn

– Aptomat bảo vệ hệ thống không ảnh hưởng tới hệ thống điện của cửa hàng 220V – 10A.

– Các công tắc hành trình ngoài khả năng giới hạn còn đảm bảo cho nguồn đầu vào ổn định.

Vi điều khiển

Mạch Mach3 hiện có hai loại trên thị trường: LPT (chuẩn 25 chân máy in) và USB Loại LPT tích hợp relay nguồn tải cắt và lọc nhiễu, nhưng chỉ tương thích với hệ điều hành Windows 7 trở xuống Để phục vụ cho mô hình kinh doanh vừa và nhỏ, mạch Mach3 USB cùng với module relay và cuộn lọc nhiễu là sự lựa chọn tối ưu.

Mạch Mach3 USB sử dụng tín hiệu IO 24V để điều khiển relay, do đó, chúng tôi đã chọn module relay 24V – 2 kênh Với chênh lệch giá thị trường nhỏ giữa module 1 kênh và 2 kênh, module này sẽ đảm bảo một kênh được sử dụng cho điều khiển laser và một kênh dự phòng.

Hình 4.2 Module relay 24V 2 kênh a) Hình ảnh thực tế b) Sơ đồ nguyên lý mỗi kênh

DC +/- Chân cấp điện áp so sánh dương/ âm

IN Chân nhận tín hiệu áp

NO (normally open) Tiếp điểm thường hở

NC (normally close) Tiếp điểm thường đóng

COM Chân chung (không nhất thiết là chân GND

Bảng 4.1 Danh sách chân của module relay

Driver điều khiển

Hình 4.3 Driver TB6600 Ở chương 2 ta đã chọn driver TB6600 để điều khiển động cơ vì khả năng chống nhiễu tốt, có cách ly quang để bảo vệ mạch nguồn.

THÔNG SỐ Điện áp đầu vào (V) 9 – 42

Tần số phát xung tối đa (kHz) 20 (25% duty cycle)

Phương thức bảo vệ mạch Opto – phototransitor bước:

Bảng 4.2 Thông số tổng quan driver TB6600

3.1 Chọn thông số làm việc cho driver

Driver TB6600 có 6 công tắc dùng để diều chỉnh dòng tải tối đa và chế độ vi

Bảng 4.3 Thông số đầu vào của driver TB6600 a) Thông số cài đặt giới hạn dòng, b) Thông số cài đặt vi bước

Để đảm bảo máy hoạt động êm ái, trong phần Cơ khí, chúng ta chọn đồ thị động cơ và cài đặt dòng cấp driver ở mức 3A, đồng thời sử dụng chế độ vi bước 1/2A với 400 xung/vòng.

Với số vòng quay tới hạn đặt ra (1500 vòng/phút) động cơ đã chọn đáp ứng với momen xoắn 0,1 N.m.

Theo tài liệu [3], với chế độ vi bước 1/2A, động cơ chỉ giữ được 70,71% momen xoắn giữ Momen xoắn của động cơ khi ở chế độ vi bước:

Moment xoắn của động cơ đáp ứng tốt cho trục X và Z, nhưng không đủ cho trục Y (76,29 Nmm) Tuy nhiên, do trục Y là trục tải nặng, việc di chuyển với tốc độ tối đa (1500v/p – 7500mm/ph) hiếm khi xảy ra Khoảng chênh lệch moment không lớn (5.58 Nmm) nên có thể chấp nhận được Độ chia nhỏ nhất trên mỗi trục là p vitme 5.

∆= = = 0,0125(mm) xung/vòng 400 Vậy sai số do driver lớn nhất trên mỗi trục:

Cộng thêm sai số từ độ lệch tâm do dung sai:

Trục Sai số tối đa của driver (μm)

Sai số đối đa từ độ lệch tâm (μm)

Bảng 4.4 Bảng tổng sai số của từng trục

Ta thấy sai số đầu ra của mỗi trục đều thấp hơn 0.1 mm (100 μm) Vậy chế độ half step 1/2A phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

Tần số truyền tín hiệu tại tốc độ tới hạn (1500 vòng/phút):

Vậy driver chọn phù hợp với động cơ.

Laser khắc

Ta chọn laser diode 2,5W làm đầu khắc với thông số cơ bản như sau: Điện áp giới hạn 12V

Công suất tiêu thụ cực đại 10W Công suất đầu ra laser cực đại 2.5W

Bảng 4.5 Thông số cơ bản của laser diode Để điều chỉnh điện áp ngõ vào cho laser, ta dùng mạch IC LM2596

Hình 4.5 Module LM2596 và sơ đồ nguyên lý

Công tắc hành trình và vị trí lắp đặt

Hệ thống CNC vòng hở yêu cầu các thành phần thiết yếu như công tắc giới hạn cho hành trình các trục và nút dừng khẩn cấp Đối với công tắc giới hạn hành trình, lựa chọn tối ưu là Omron SS-5GL2 (30VDC-3A, NC), trong khi công tắc dừng khẩn cấp phù hợp là YJ139-LAY37 (440V-10A).

Tên Số lượng Tên thiết bị

Giới hạn hành trình trục X 2

Omron SS-5GL2 (NC) Giới hạn hành trình trục Y 2

Giới hạn hành trình trục Z 2

Ngừng khẩn cấp 1 YJ139-LAY37

Bảng 4.6 Danh sách các công tắc ngoại vi

Nguồn hệ thống điện

Hệ thống CNC bao gồm các thiết bị tiêu thụ điện như sau:

Tên thiết bị Số lượng Điện tiêu thụ tối đa (mỗi đơn vị)

Bảng 4.7 Danh sách thiết bị tiêu thụ điện

Đa số thiết bị điện hiện nay sử dụng điện áp 24VDC, và để giảm thiểu tình trạng sụt áp do dòng điện đột ngột từ motor, chúng ta chọn nguồn 24VDC10A làm bộ phận cung cấp năng lượng Để bảo vệ hệ thống điện và tránh làm sập nguồn cho các khu vực khác, aptomat BKN (loại 1 pha, 6A) được lựa chọn làm công tắc bảo vệ.

Sơ đồ mạch điện tổng thể

Với các lựa chọn ở trên, ta có được sơ đồ tổng thể cho hệ thống điện như sau:

Hình 4.7 Sơ đồ mạch điện tổng thể máy CNC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Tạo lập file Gcode

Nhiều chương trình chuyển đổi file ảnh sang Gcode hiện có, nhưng để phục vụ cho người dùng có trình độ vi tính cơ bản, luận văn này lựa chọn kết hợp hai phần mềm Inkscape và Jdpaint để tạo ra file Gcode.

2.1 Chuyển đổi file ảnh thành file dxf

Khởi động chương trình Inkscape, vào File > Import > Chọn ảnh > Open > OK

Hình 5.1 Giao diện chọn ảnh trong Inkscape Để chuyển file vừa mở thành dxf, đầu tiên cần chuyển ảnh về dạng nhị phân, vào Path > Trace Bitmap…

Hình 5.2 Giao diện Trace Bitmap

This article discusses three main filters used in the application: brightness cutoff, edge detection, and color quantization, with the last two being automatic filters Experimental results indicate that the brightness cutoff filter yields the best outcomes for exporting dxf files.

Hình 5.3 Kết quả bộ lọc (từ trái): cường độ sáng, dò cạnh, lượng tử màu

Phương pháp cường độ sáng được xác định bằng cách cộng ba tín hiệu màu đỏ, xanh da trời và xanh lá cây, sau đó so sánh với một ngưỡng tín hiệu chỉ định để phân loại thành màu trắng hoặc màu đen Ngưỡng này có giá trị từ 0.0 (màu đen) đến 1.0 (màu trắng) và được thiết lập qua ô “ngưỡng” Khi ngưỡng tăng cao, số lượng pixel được coi là màu trắng giảm, dẫn đến ảnh trung gian tối hơn Ví dụ, ảnh 5.3 là kết quả của bộ lọc với ngưỡng thiết lập ở mức 0,55.

Sau khi đã có được kết quả ưng ý, ta xóa ảnh gốc rồi vào File > Save as > Lưu dưới định dạng dxf

Hình 5.4 Kết quả sau khi xuất dxf

Jdpaint là phần mềm thiết kế đường chạy dao cho máy phay, được nhiều cơ sở gia công mỹ nghệ CNC ưa chuộng Với một số điều chỉnh đơn giản, phần mềm này cũng có thể được sử dụng để tạo đường chạy dao cho khắc laser.

Khởi động chương trình Jdpaint và vào File > Import > 2D drawing để chọn file dxf đã lưu Tiếp theo, nhấn tổ hợp phím Alt + 4 để nhập chiều rộng và chiều dài của khung ảnh.

Để thiết lập đường chạy dao trong phần mềm, chọn file đã mở và truy cập vào Toolpath > Toolpath Wizard > Rough Pocket, lưu ý điều chỉnh Cutdepth về 0.00 trước khi nhấn Next.

Hình 5.6 Hộp thoại chọn phương pháp gia công

Sau khi thực nghiệm, bản khắc laser đạt kết quả tối ưu khi sử dụng dao phay tròn 1mm ( [Ball]JD-1.00 ) với sai số cho phép là 0,01.

Hình 5.7 Hộp thoại chọn dao

Chương trình này chỉ được sử dụng để tạo đường chạy do, vì vậy trong hộp thoại này, chúng ta chỉ cần chú ý đến thông số Stepover, đó là lượng ăn dao sau mỗi chuyển động.

Hình 5.8 Hộp thoại chọn lượng ăn dao

Trong quá trình thực nghiệm, thông số stepover tối ưu để nâng cao chất lượng sản phẩm và rút ngắn thời gian thi công thường được khuyến nghị là 0,5 cho gỗ thông và từ 0,2 đến 0,3 cho các vật liệu như vinyl và gỗ đỏ.

Chuyển tới hộp thoại tiếp theo, tại mục Rough pocket chọn “Linear” và ở mục Move type chọn 3 ô Finish boundary, Zigzag, Optimize path orders và chọn Finish

Hình 5.9 Hộp thoại lựa chọn phương pháp di chuyển

Click chọn phần đường chạy dao vừa tạo, vào mục Toolpath > Export toolpath

> chọn nơi lưu, nhấn Save > Pick 3D Point > Chọn gốc tọa độ > OK

Khởi động chương trình NCConverter (đính kèm với Jdpaint) chương trình có giao diện như sau:

Hình 5.10 Menu chuyển đổi của NCConverter

– Plunge speed: Tốc độ tịnh tiến nhanh tới điểm cần gia công

– Cuting speed:Tốc độ chạy khi tiến hành khắc laser

– Safe height: Độ cao an toàn của dao so với mặt Oxy chứa gốc

– Relief height: Độ cao khi chuyển vùng gia công

Để tạo đường cong rời rạc trong mặt phẳng XY, người dùng cần sử dụng tính năng Discrete arc Trong giao diện, người dùng có thể thêm nội dung vào đầu và cuối đoạn Gcode thông qua phần Header và End of file Đặc biệt, tại phần End of file, hãy thêm “M5” trước dấu “%” để đảm bảo Mach3 tắt đầu laser khi kết thúc công đoạn Nếu người dùng sử dụng hệ tọa độ riêng, có thể điền vào phần Header (ví dụ: G54,…).

Điều chỉnh thiết lập thông số cho phần mềm Mach3

Để phù hợp với công việc khắc laser, ta chọn giao diện Mach3 Plasma làm giao diện điều khiển

3.1 Khai báo thông tin chung Để khai báo đơn vị, vào Config > Select native units > Chọn “MM’s” > OK Tiếp tục vào phần Config >Ports and Pins tại thẻ đầu tiên chọn thông số như sau:

Hình 5.11 Hộp thoại lựa chọn cổng giao tiếp

Giao diện đã tích hợp sẵn 4 cơ cấu chấp hành, bao gồm 3 động cơ step và một đầu laser, do đó không cần khai báo Mortor Outputs Tuy nhiên, để điều chỉnh thông số điều khiển cho động cơ step, người dùng cần truy cập vào Config > Motor Tuning.

Trong thiết kế điện, chúng ta lựa chọn chế độ half step cho driver với 400 xung mỗi vòng và vít me có bước 5mm Do đó, số bước cần thiết để cơ cấu chấp hành di chuyển 1mm trên mỗi trục là 80 bước.

Vận tốc tới hạn của mỗi trục: 1500 vòng/ph Vận tốc di chuyển lớn nhất của cơ cấu chấp hành (trên mỗi trục):

V max = 1500.5 = 7500 (mm/phút)Gia tốc chọn 1000 mm/s 2

Đối với trường hợp các thanh vít me đã qua sử dụng lâu hoặc không xác định được bước chính xác, người dùng có thể thực hiện việc hiệu chỉnh ba trục thông qua hộp thoại "Set Steps per unit" trong giao diện Motor tuning.

3.2 Thiết lập thông số cổng input và output Đối với các tín hiệu đầu vào ta cần, hai tín hiệu giới hạn ở mỗi trục và nút dừng khẩn cấp Vào Config> Ports & Pins> Input Signal và thiết lập thông số như sau:

Để cấu hình tín hiệu đầu ra cho laser, cần thiết lập cổng output 1 làm tín hiệu đầu ra và sử dụng các lệnh M3-M5 để bật và tắt laser.

Hình 5.14 Các hộp thoại thiết lập thông số output

3.3 Thiết lập chế độ Home:

Vào Config> Homing/Limits và chọn các thông số như sau:

Hình 5.15 Hộp thoại thiết lập thông số cho chế độ Home

Sau khi thiết lập thông số, tại cửa số MDI, ta lần lượt nhập các lệnh G28 Z0; G28 X0; G28 Y0 để xác lậ tọa độ máy.

Vào Config> Fixtures để thiết lập gốc tọa độ gia công (G54-59).

Trong hai phần tiếp theo, luận văn này sẽ sử dụng ngôn ngữ Python để chuyển đổi file nc đã có trước đó thành file nc mới, bao gồm các đường quỹ đạo cùng với cao độ tương ứng theo phương trình mặt cong đã được xác định, với các tiêu chí cụ thể.

– Hình dạng của tranh không thay đổi với góc nhìn từ trên xuống.

– Góc tạo bởi pháp tuyến mặt phẳng tức thời so với mặt phẳng bàn máy không nhỏ hơn 45 0 và mặt cong không bị che chắn.

– Hướng ăn mòn vật liệu của laser vuông góc với bàn máy.

Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt trụ tròn

File nc thu được từ phần 2 sẽ có dạng như sau:

Hình 5.17 Một đoạn Gcode thu được từ chương trình JdPaint và NcConverter

Máy thuộc loại Moving Gantry có trục Y chịu tải trọng nặng nhất trong ba trục Quá trình tạo ra các mảng màu đen được thực hiện bằng cách di chuyển theo phương X Do đó, để tạo hình mặt trụ, cần nội suy đường tròn trong mặt Oyz.

Từ đoạn Gcode phía trên, về nội dung, ta phân ra 3 loại:

– Đoạn Gcode có chứa tọa độ Y.

– Đoạn code có chứa tọa độ Z.

Phần chứa tọa độ Z trong JdPaint được chia thành hai loại: một loại là tọa độ Z khi dao di chuyển an toàn và loại còn lại là tọa độ Z khi dao hạ từ từ xuống bề mặt gia công.

Vậy để chuyển đổi file nc này từ quỹ đạo 2D sang quỹ đạo phù hợp mới mặt phẳng tròn ta cần:

– Lấy dữ liệu từ file nc gốc.

– Xóa bỏ phần tọa độ Z khi dao hạ từ từ.

– Tách phần tọa độ Y ở các dòng lệnh (nếu có) và tính ra được tọa độ Z phù hợp.

– Đưa dữ liệu vừa tạo vào 1 file nc mới.

Hình 5.18 Quỹ đạo gia công trước (bên trái) và sau khi chuyển đổi

Ta thấy kết quả phù hợp với tiêu chí không bị biến dạng khi nhìn vuông góc với mặt phẳng Oxy (bàn máy).

Xây dựng chương trình khắc laser trên mặt cầu, mặt eclipse

Khác với trụ tròn, quỹ đạo cơ cấu chấp hành chạy theo mặt cong eclipse cần tọa độ X và Y tại mỗi điểm Vì vậy, trong phần mềm JdPaint, chúng ta không sử dụng quỹ đạo thẳng (linear) mà chuyển sang quỹ đạo xoắn (spiral) để đáp ứng yêu cầu này.

Hình 5.19 Hộp thoại chọn quỹ đạo xoắn ốc và kết quả quỹ đạo

File nc của quỹ đạo có dạng như sau:

Hình 5.20 Đoạn Gcode với quỹ đạo gia công xoắn ốc

Trong loại quỹ đạo này, mỗi dòng code ngoài các ký tự “Z” và “F” còn có một cặp tọa độ X và Y, nhưng đôi khi chỉ có một trong hai tọa độ Đối với các trường hợp chỉ có tọa độ X hoặc Y, tọa độ còn lại sẽ được lấy từ dòng trước đó.

Sau khi đưa các tọa độ XY vào cuối mỗi dòng code, chúng ta tiến hành tách tọa độ X và Y, sau đó tính toán cao độ Z dựa trên phương trình mặt eclipse.

– Nếu chỉ có tọa độ X, ta lấy tọa độ Y từ dòng trước đó (tương tự với trường hợp chỉ có tọa độ Y).

Hình 5.21 Quỹ đạo gia công xoắn ốc trước (bên trái) và sau khi chuyển đổi

Kết quả từ phần mềm Mach3 cho thấy hình dạng ảnh trên mặt phẳng Oxy không thay đổi Tuy nhiên, có một điểm trừ khi chuyển giao từ công đoạn dịch dao nhanh sang gia công, laser được bật sớm hơn một nhịp, tạo ra một vết hằn nhỏ trên bức ảnh Vấn đề này có thể được khắc phục bằng cách hạ thấp cao độ của vùng di chuyển an toàn.

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ TỔNG KẾT

Kết quả thực nghiệm

1.1 Thông số mô hình thực nghiệm

Luận văn sử dụng mô hình thực nghiệm là khung máy CNC cũ, với các thông số như sau:

– Cơ cấu máy: Moving gantry.

– Cơ cấu truyền động trục X : Vít me dai ốc bi 12 bước 5 (supported – supported).

– Cơ cấu truyền động trục Y: Vít me đai ốc bi 16 bước 5 (supported – supported).

– Cơ cấu truyền động trục Z: Vít me đai ốc T8 bước 2 (Fixed – Free). – Cơ cấu dẫn động: Step motor size 42mm.

– Laser 2,5W (công suất tối đa).

– Hệ thống điều khiển: Mach3 – driver TB6600.

Hình 6.1 Mô hình thực nghiệm máy CNC khắc tranh (giai đoạn phục chế)

1.2 Một số sản phẩm thực tế

Sản phẩm logo Bách Khoa TpHCM (50x50mm):

Sản phẩm 2 (50x50mm – bề mặt trụ tròn bán kính 35mm):

Tổng kết

Do tình hình xã hội phức tạp, thời gian dành cho mô hình không đủ để phát triển nhiều sản phẩm và máy chạy với tốc độ tối đa.

– Chưa thực hiện được công đoạn điều chỉnh 3 trục và kiểm tra độ chính xác của từng trục.

– Chưa thông thạo hoàn toàn phần mềm Mach3.

Thiết kế hiện tại khiến giá vật tư chế tạo vẫn ở mức cao, chưa thực sự phù hợp với nhu cầu của các hộ kinh doanh vừa và nhỏ.

– Xây dựng được mô hình thực tế.

– Có được sản phẩm tranh vẽ ở dạng 2D và trụ tròn

– Tìm hiểu các bộ phận cấu thành nên một hệ thống CNC.

– Biết được cách lắp ghép, điều chỉnh các chi tiết máy và kiểm ra độ ổn định, độ chính xác của hệ thống.

– Thiết kế và kiểm tra độ bền cấu trúc cơ khí.

– Học cách sử dụng phần mềm JdPaint, InkScape, NcConverter để tạo file Gcode.

– Học được cách sử dụng môi trường Anaconda – PyCharm.

Biết cách sử dụng phần mềm QtDesigner để thiết kế giao diện là rất quan trọng Chúng ta cần thiết kế một chương trình, bao gồm giao diện, nhằm chuyển đổi quỹ đạo Gcode từ định dạng 2D sang hình trụ tròn và hình ellipse.

2.3 Phương hướng phát triển luận văn

– Phát triển giao diện xử lý ảnh và xuất Gcode riêng cho máy.

– Nghiên cứu tối giản kết cấu máy nhằm giảm giá thành vật tư.

– Thay đổi đầu laser diode thành laser CO2 nhằm gia công được trên nhiều loại vật liệu.

– Tiến hành đo đạt sản phẩm nhắm xác định và tối ưu độ chính xác của hệ thống.

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	11,24 MB