BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC
LASER ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CNC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
HẢI PHÒNG – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG
ISO 9001:2008
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY KHẮC
LASER ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CNC
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
NGÀNH ĐIỆN TỰ ĐỘNG CÔNG NGHIỆP
Sinh viên: Hoàng Minh Vũ
Người hướng dẫn: GS-TSKH Thân Ngọc Hoàn
HẢI PHÒNG – 2016
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Độc lập – Tự Do – Hạnh Phúc
—————-o0o—————–
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÒNG
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Sinh viên : Hoàng Minh Vũ – MSV : 1412102109
Lớp : ĐC1802- Ngành Điện Tự Động Công Nghiệp
Tên đề tài : Thiết kế, chế tạo mô hình máy khắc Laser ứng dụng
công nghệ CNC
NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI
1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp (
về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính toán và các bản vẽ).
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………..
3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp………………………………………………………………..:
CÁC CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
Người hướng dẫn thứ nhất:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Thân Ngọc Hoàn
GS. TSKH
Trường Đại học dân lập Hải Phòng
Toàn bộ đề tài
Người hướng dẫn thứ hai:
Họ và tên :
Học hàm, học vị :
Cơ quan công tác :
Nội dung hướng dẫn :
Đề tài tốt nghiệp được giao ngày 31 tháng 9 năm 2016
Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 31 tháng 12 năm 2016
Đã nhận nhiệm vụ Đ.T.T.N
Sinh viên
Hoàng Minh Vũ
Đã giao nhiệm vụ Đ.T.T.N
Cán bộ hướng dẫn Đ.T.T.N
GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn
Hải Phòng, ngày……..tháng……..năm 2016
HIỆU TRƯỞNG
GS.TS.NGƯT TRẦN HỮU NGHỊ
PHẦN NHẬN XÉT TÓM TẮT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
1.Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Đánh giá chất lượng của Đ.T.T.N ( so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong
nhiệm vụ Đ.T.T.N, trên các mặt lý luận thực tiễn, tính toán giá trị sử dụng,
chất lượng các bản vẽ..)
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2016
Cán bộ hướng dẫn chính
(Ký và ghi rõ họ tên)
NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ CỦA NGƢỜI CHẤM PHẢN BIỆN
ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP
1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số
liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính toán chất lượng
thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài.
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………………………..
2. Cho điểm của cán bộ chấm phản biện
( Điểm ghi bằng số và chữ)
Ngày……tháng…….năm 2016
Người chấm phản biện
(Ký và ghi rõ họ tên)
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ………………………………………………………………………………….. 10
CHƢƠNG 1. TỔNG QUÁT VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN
……………………………………………………………………………………………… 11
1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC. ………………………….. 11
1.1.1. Sơ lược về máy CNC và quá trình phát triển.
…………………………. 11
1.1.2. Cơ sở của máy CNC.
…………………………………………………………… 12
1.1.3. Đặc điểm và phân loại.
………………………………………………………… 13
1.2. NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ.
…. 14
1.2.1. Chương trình gia công một chi tiết. ………………………………………. 14
1.2.2. Khối điều khiển. …………………………………………………………………. 14
1.2.3. Điều khiển Logic.
……………………………………………………………….. 14
1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ thống CNC. ……………………. 15
1.3.2. Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC.
……………………… 17
CHƢƠNG 2. CÔNG NGHỆ MÁY CNC ỨNG DỤNG TIA LASER
……. 19
2.1. NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN. …………….. 19
2.2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TIA LASER. ………………………………….. 20
2.2.1. Cấu tạo máy Laser.
……………………………………………………………… 21
2.2.2. Cơ chế hoạt động ……………………………………………………………….. 22
2.2.3. Phân loại.
…………………………………………………………………………… 22
2.2.4. Tính chất của tia laser. ………………………………………………………… 23
2.2.5. An toàn trong sử dụng tia Laser.
…………………………………………… 23
2.2.6. Ứng dụng tia laser trong máy công cụ CNC.
………………………….. 24
CHƢƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÁY KHẮC LASER 2 TRỤC
…………………………………………………………………………………………………………. 27
3.1. NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY PHAY CNC 3
TRỤC TIÊU CHUẨN.
…………………………………………………………………….. 27
3.1.1. Động cơ AC Servo. ………………………………………………………………… 28
3.1.1.1. Lựa chọn động cơ.
……………………………………………………………. 29
3.1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
………………………………………… 30
3.1.1.3. Bộ điều khiển động cơ AC Servo. ……………………………………… 30
3.1.2. Mạch điều khiển AKZ 250.
……………………………………………………… 32
3.1.2.1. Giới thiệu mạch AKZ 250
…………………………………………………. 32
3.1.2.2. Đặc điểm của mạch AKZ 250.
…………………………………………… 32
3.1.3. Trục chính và điều khiển tốc độ trục chính………………………………… 33
3.1.4. Công tắc hành trình. ……………………………………………………………….. 34
3.2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY KHẮC LASER CNC. 34
3.2.1. Sơ đồ nguyên lý và các phần tử hệ thống. ……………………………… 34
3.2.2.Động cơ bước. …………………………………………………………………….. 35
3.2.3. Driver động cơ bước. ………………………………………………………….. 37
3.2.4. Vi điều khiển Arduino Nano.
……………………………………………….. 40
3.3 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TRUNG TÂM …………………………. 42
3.3.1 Giới thiệu chức năng mạch điều khiển Laser CNC ………………….. 42
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển laser CNC. ………………………… 45
3.3.3. Phần mềm điều khiển máy khắc Laser. …………………………………. 46
3.4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY KHẮC CNC 2 TRỤC. ………………….. 47
KẾT LUẬN……………………………………………………………………………………….52
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………….53
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam. Máy
CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công
nghiệp. Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số
nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, giá thành các máy CNC đều rất cao.
Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ
dừng lại ở mức độ “chế máy CNC chạy được”. Do vậy em đã quyết định chọn
đề tài “thiết kế, chế tạo máy khắc Laser ứng dụng công nghệ CNC” do
GS. TSKH Thân Ngọc Hoàn hướng dẫn.
Đề tài gồm các nội dung sau:
Chương 1: Tổng quan về máy CNC và hệ thống điều khiển.
Chương 2: Công nghệ máy CNC ứng dụng tia Laser.
Chương 3: Thiết kế và xây dựng máy khắc Laser 2 trục.
CHƢƠNG 1.
TỔNG QUÁT VỀ MÁY CNC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. KHÁI QUÁT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC.
1.1.1. Sơ lƣợc về máy CNC và quá trình phát triển.
Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các
quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ. Về thực chất, đây
là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt
kim loại, rô bốt, băng tải vận chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho
quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng
mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký
tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống.
Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích về quân sự và hàng
không vũ trụ khi mà yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng của các máy bay, tên
lửa, xe tăng… là cao nhất. Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá
trình phát triển không ngừng cùng với sự phát triển trong lĩnh vực vi xử lý từ
4 bit, 8bit… cho đến nay đã đạt đến 32 bit cho phép thế hệ sau cao hơn thế hệ
trước và mạnh hơn về khả năng lưu trữ và xử lý.
Hiện nay, lĩnh vực sản xuất tự động trong chế tạo cơ khí đã phát triển và
đạt đến trình độ rất cao như các phân xưởng tự động sản xuất linh hoạt và tổ
hợp CIM(Computer Integrated Manufacturing) với việc trang bị thêm các
rôbốt cấp phôi liệu và vận chuyển, các hệ thống đo lường và quản lý chất
lượng tiên tiến, các kiểu nhà kho hiện đại được đưa vào áp dụng đã mang lại
hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Hình 1.1 mô tả tổ hợp CIM.
Hình 1.1: Mô hình điều khiển sản xuất tổ hợp CIM.
1.1.2. Cơ sở của máy CNC.
Các trục của máy CNC được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác định tọa độ
các bàn máy và của dụng cụ cắt. Khi bàn máy di chuyển thì các dụng cụ đo
lường phát ra tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu điện này và xác
định vị trí chính xác của bàn máy trong hệ trục tọa độ được biểu diễn bởi hình
1.2.
Hình 1.2: Cơ sở của các máy CNC.
Theo tiêu chuẩn ISO, các chuyển động cắt gọt khi gia công chi tiết trên
máy CNC phải nằm trong một hệ trục tọa độ Descarte theo nguyên tắc bàn tay
phải. Trong đó có ba chuyển động tịnh tiến theo các trục và ba chuyển động
quay theo các trục tương ứng. Một máy công cụ CNC có thể điều khiển tới 6
trục gồm tịnh tiến theo X, Y, Z, và các trục A, B, C quay quanh các trục Z, Y,
Z. Một điểm trong không gian hệ tọa độ Descarte được xác định tọa độ qua
hình chiếu của nó lên ba trục X, Y, Z như hình 1.3.
Hình 1.3: Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề Các.
1.1.3. Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo
các đặc điểm sau:
– Truyền động: Thủy lực, khí nén và điện …..
– Phương pháp điều khiển: Tọa độ hay quỹ đạo …
– Hệ thống định vị: Định vị kích thước tuyệt đối và định vị nối tiếp
– Các vòng lặp điều khiển: vòng hở, vòng kín, vòng nửa kín.
– Số trục tọa độ: 3 trục, 4 trục, 5 trục…..
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:
-Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một
phôi đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài….
-Nhóm máy khoan, doa để khoan, doa các phôi.
-Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo
ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi
nguyên công bằng các thay dụng cụ cắt, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
-Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục,
mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ…
-Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa…
1.2. NGUYÊN LÝ VẬN HÀNH MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ.
1.2.1. Chương trình gia công một chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển số và
dữ liệu. Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và
lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó
được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích.
Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu hiệu chỉnh
máy, các số liệu về dụng cụ cắt… được nạp vào từ bẳng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính
chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ DNC).
1.2.2. Khối điều khiển.
Chức năng của khối điều khiển là thực hiện chương trình gia công chi
tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài. Nhận các giá trị vị trí
của các trục từ Sensor đo vị trí Encoder, và tốc độ của các trục. Thực hiện các
chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động
cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và điều
khiển tốc độ các trục.
1.2.3. Điều khiển Logic.
Điều khiển toàn hộ hoạt động của hệ như sau: tốc độ chạy nhanh (không
cắt) tối đa, bố trí xắp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ
điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá
lắp, dụng cụ), lệnh đóng ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số
vòng quay cho trục chính, lệnh thay dụng cụ.
Đầu ra khối điều khiển Logic điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van
thủy lực, van khí nén, các rơ-le…
1.2.4. Cấu trúc các khối chức năng của hệ thống CNC.
Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc các khối của hệ CNC.
Chú thích:
1 Màn hình.
2 Bảng điều khiển.
3 Mạch ghép nối.
4 Tay quay điện tử.
Màn hình dùng để hiển thị tọa độ hiện tại của các trục truyền động, trạng
thái làm việc của toàn hệ thống…
Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài
đặt hệ thống…
Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu
chỉnh máy, do chi tiết… mà phải mở cửa làm việc
Các khối vào ra (I/O), các bộ phận điều khiển truyền động (BĐK) liên
lạc với CPU thông qua một Bus hệ thống. Các khối Flash + Ram để lưu trữ
các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua Bus
trong của CPU.
1.3. Hệ thống tính toán và điều khiển.
1.3.1. Khái niệm phân loại.
Hệ điều khiển CNC thực hiện lưu đồ điều khiển như hình 1.5. Giai đoạn
đầu tiên, những thông tin về kích thước đông nghệ được đưa sang khâu chuẩn
bị chương trình, sau đó là cộng việc lập trình điều khiển.
Hình 1.5: Lưu đồ điều khiển hệ CNC.
Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo
thành tín hiệu điều khiển cho các hệ truyền động điện tự động.
Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm:
NC và CNC. Trong hệ CNC các chương trình điều khiển được đưa vào khối
xử lí sao cho chương trình sau đó qua đầu vào đưa đến các khối giả mã nhằm
tạo ra các mã tương thích của máy. Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối
điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến bộ nội suy để tính toán
phân ra các chuyển động trên các trục tọa độ. Mặt khác thông tin điều khiển
còn đưa ra các lệnh điều khiển công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay
dao…
1.3.2. Chuẩn bị chƣơng trình điều khiển cho hệ CNC.
1.2.2.1. Chuẩn bị trƣơng trình từ máy vi tính.
Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với
chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo.
Ngày nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính. Đặc
trưng của lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định
hướng đối tượng. Hình 1.6. mô tả cách thức lập trình bằng máy.
Hình 1.6: Lưu đồ lập trình bằng máy.
Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:
– Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không cần
thực hiện các tính toán bằng tay.
– Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng
lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công.
– Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện.
– Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó
hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ
thuật gia công.
– Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và
các chu trình công tác cần thực hiện.
– Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần
cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán.
Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy
tính sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán
các toạ độ điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số
khoảng cách đẳng trị. Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các
bước sau:
– Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có
đủ khả năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển
động với lời diễn tả đơn giản dễ sử dụng.
– Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể
phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công.
– Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt
ra.
– Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể.
CHƢƠNG 2.
CÔNG NGHỆ MÁY CNC ỨNG DỤNG TIA LASER
2.1. NHẬN XÉT VỀ CÁC MÁY CÔNG CỤ CNC CỔ ĐIỂN.
Các máy CNC cổ điển như máy CNC khoan, phay, tiện, doa…đã được
phát triển ngày càng hoàn thiện và tinh vi. Đặc điểm chung của nhóm máy
công cụ này là đều sử dụng cơ cấu dao tác động trực tiếp vào phôi trong quá
trình gia công nhằm đánh bay phoi thừa khỏi chi tiết gia công, chúng có
những đặc điểm sau:
Ưu điểm:
– Gia công được trên hầu như mọi vật liệu, chỉ cần thay dao thích hợp.
– Thỏa mãn được độ phức tạp trong hình khối của hầu hết chi tiết cần gia
công.
Nhược điểm:
– Số trục tối thiểu là 3 trục, càng nhiều trục càng gia công được những
chi tiết tinh xảo hơn, điều này dẫn đến giá thành máy thường rất cao.
– Đòi hỏi cơ cấu cơ khí phụ trợ phải đáp ứng được các chỉ số vật lý phức
tạp.
– Quá trình nghiên cứu chế tạo mất nhiều thời gian và chi phí.
Nhận thấy những đặc điểm trên của máy công cụ CNC cổ điển là không
phù hợp với đề tài của sinh viên, em đã quyết định dựa trên công nghệ CNC
để thiết kế chế tạo máy khắc CNC Laser với những đặc điểm sau.
Ưu điểm:
– Chỉ cần 2 trục X Y, dẫn đến đơn giản giản hóa trong thiết kế.
– Hệ thống giá đỡ, ray trượt không yêu cầu quá nặng nề tốn kém.
– Phần cứng mạch điều khiển đơn giản hơn do ít trục, tận dụng phần
cứng nguồn mở giá thành rẻ.
– Phần mềm nguồn mở miễn phí, giảm giá thành nghiên cứu.
– Máy sử dụng đi-ốt Laser 2W tiết kiệm năng lượng, giá thành không quá
cao.
– Tổng chi phí nghiên cứu và hoàn thiện sản phẩm rẻ hơn nhiều so với
CNC 3 trục.
Nhược điểm:
– Chỉ có thể gia công cắt hoặc khắc nhiệt, chỉ phù hợp với một số vật liệu
cụ thể.
2.2. GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ TIA LASER.
Laser (đọc là la-de hoặc lây-dơ) là tên viết tắt của cụm từ Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng Anh, và có
nghĩa là “khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích”. Biểu diễn ở hình 2.1.
Hình 2.1: Các loại tia Laser.
2.2.1. Cấu tạo máy Laser.
Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng
chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng
cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.
Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả
năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1
phôton tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 phôton khác bật ra
bay theo cùng hướng với phôton tối. Mặt khác buồng công hưởng có 2 mặt
chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các phôton khi bay tới, mặt kia
cho một phần phôton qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt phôton va
chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ phôton lớn. Vì thế
cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ
thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser.
Hình 2.2: Cấu tạo của Laser Rubi.
2.2.2. Cơ chế hoạt động .
Một ví dụ về cơ chế hoạt động của Laser có thể được miêu tả cho Laser
thạch anh. Dưới sự tác động của hiệu điện thế cao, các Electron của thạch anh
di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái
nghịch đảo mật độ tích lũy của Electron. Ở mức năng lượng cao, một số
Electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh
sáng được gọi là phô-tông. Các hạt phô-tông này sẽ toả ra nhiều hướng khác
nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích Eletron ở các
nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các phô-tông cùng tần số, cùng pha
và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh
sáng. Các hạt phô-tông bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các
gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng. Một số phô-tông thoát ra ngoài
nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser.
2.2.3. Phân loại.
2.2.3.1. Laser chất rắn.
Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất
laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:
YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng
thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể
phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz.
Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion
chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng.
Bán dẫn: loại thông dụng nhất là điốt Gallium Arsen có bước sóng
890nm thuộc phổ hồng ngoại gần.
2.2.3.2. Laser chất khí.
He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ
ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW.
Trong y học được sử dụng làm Laser nội mạch, kích thích mạch máu
Argon: hoạt chất là khí Argon, bước sóng 488 và 514,5nm.
CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ
có thể tới mW. Trong y học ứng dụng làm dao mổ.
2.2.4. Tính chất của tia 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 đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng)
duy nhất. Do vậy chùm Laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của
hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà
không nguồn sáng nào có.
Tính đồng bộ của các phô-ton trong chùm tia Laser: Có khả năng phát
xung cực ngắn: cỡ mili giây, nano giây, pico giây, cho phép tập trung năng
lượng tia Laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
2.2.5. An toàn trong sử dụng tia Laser.
Laser với cường độ thấp, chỉ là vài mW, cũng có thể nguy hiểm với mắt
người. Tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt,
nhờ tính đồng nhất và sự định hướng cao của Laser, một công suất năng
lượng lớn có thể tập trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mắt. Kết quả là
một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh viễn trong vài giây, thậm
chí có thể nhanh hơn. Độ an toàn của Laser được xếp từ I đến IV. Với độ I, tia
Laser tương đối an toàn. Với độ IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm
hỏng mắt hay bỏng da. Các sản phẩm Laser cho đồ dân dụng như máy chơi
CD và bút Laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III.
Để vận hành máy Laser một cách an toàn, người vận hành cần trang bị
kính chống tia bức xạ tiêu chuẩn, hoặc máy khắc Laser phải được che chắn
bằng vật liệu chống tia bức xạ chuyên biệt như hình 2.3.
Hình 2.3: Kính chống bức xạ tia Laser.
2.2.6. Ứng dụng tia laser trong máy công cụ CNC.
Vào thời điểm được phát minh năm 1960, Laser được gọi là “giải pháp
để tìm kiếm các ứng dụng”. Từ đó, chúng trở nên phổ biến, tìm thấy hàng
ngàn tiện ích trong các ứng dụng khác nhau trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện
đại, như quân sự, y tế phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không
gian, trong các phản ứng hợp nhất hạt nhân… Laser được cho là một trong
những phát minh ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20.
Ích lợi của 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 nanômét đối với Laser dùng ánh sáng. Tính
chất này cho phép Laser có thể lưu trữ vài gigabyte thông tin trên các rãnh
của DVD. Cũng là điều kiện cho phép Laser với công suất nhỏ vẫn có thể tập
trung cường độ sáng cao và dùng để cắt, đốt và có thể làm bốc hơi vật liệu
trong kỹ thuật cắt bằng Laser.
2.7. Đi-ốt Laser.
Đi-ốt Laser một loại Laser có cấu tạo tương tự như một đi-ốt. Nó có môi
trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của đi-ốt. Đi-ốt Laser hoạt
động gần giống với đi-ốt phát quang. Nó cũng được gọi là đèn đi-ốt nội xạ và
được viết tắt là LD hay ILD
Hình 2.4: Đi-ốt Laser blue.
Khi ống đi-ốt được kích ứng, ví dụ như được đặt dưới hiệu điện thế, các
lỗ trống trong phần bán dẫn loại p chuyển qua phần bán dẫn loại n và các
Electron trong phần bán dẫn loại n sang phần bán dẫn loại p. Khi các Electron
gặp các lỗ trống, chúng rơi xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải
phóng năng lượng dư thừa qua phô-tông với năng lượng bằng với chênh lệch
năng lượng trong và ngoài lỗ trống.
Trong điều kiện thích hợp, các Electron và các lỗ trống có thể cùng tồn
tại trong cùng một diện tích trong một khoảng thời gian (tính trên phần triệu
giây) trước khi chúng sát nhập. Nếu phô-tông có cùng tần số được phát ra
trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của phô-tông khác,
cùng một hướng, cùng độ phân cực và đồng pha với phô-tông đầu tiên. Hình
2.5. mô tả các loại đi-ốt Laser.
