ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY KHẮC CNC LASER 3D CẢI TIẾN ĐIỀU CHỈNH TIÊU CỰ
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÁY KHẮC CNC LASER 3D CẢI TIẾN ĐIỀU CHỈNH TIÊU CỰ
Mục lục
Lời nói đầu. 6
Chương 1. Tổng quan về công nghệ máy cắt bằng Laser. 7
1.1. Một vài vấn đề về máy cắt bằng Laser7
1.1.1. Đặc điểm quá trình cắt bằng Laser7
1.1.2. Máy cắt bằng Laser10
1.1.3. Phân loại máy cắt bằng Laser36
1.1.4. Đặc điểm của Laser37
1.1.5. Khả năng ứng dụng của Laser37
1.1.6. Cơ chế gia công cắt gọt bằng chùm tia Laser37
1.2. Cơ tính của Laser dùng để loại bỏ các vật liệu. 38
1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình cắt bằng Laser38
1.3.1. Ảnh hưởng thông số của các thiết bị cắt39
1.3.2. Ảnh hưởng của công nghệ cắt41
1.4. Ứng dụng gia công CNC Laser44
1.4.1. Máy cắt CNC Laser44
1.4.2. Ứng dụng của Laser trong ngành điêu khắc. 45
1.4.3. Một số loại máy Laser thông dụng. 46
Kết luận Chương 1. 47
Chương 2. Thiết kế chế tạo máy khắc Laser. 48
Đặt vấn đề. 48
2.1. Phân tích và chọn kết cấu khung máy. 49
2.1.1. Các phương án thiết kế. 49
2.1.2. Thiết kế khung máy. 50
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy gia công máy khắc Laser thiết kế.55
2.2. Hệ thống điều khiển. 57
2.2.1. Hệ thống điều khiển bằng cơ khí57
2.2.2. Hệ thống điều khiển điện tử. 65
2.3. Tính toán thiết kế một số cơ cấu. 72
2.3.1. Chọn ổ lăn. 72
2.3.2. Thiết kế gối đỡ trục. 74
Chương 3. Thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết điển hình. 76
3.1. Phân tích chức năng làm việc của chi tiết.77
3.2. Phân tích tính công nghệ của chi tiết77
3.3. Xác định dạng sản xuất.78
3.4. Tính toán chế độ cắt80
3.4.1. Nguyên công 1: Cắt phôi80
3.4.2. Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm.. 81
3.4.3. Nguyên công 3:Tiện bậc trục Ø12, Ø8, tiện rãnh. 85
3.4.4. Nguyên công 4:Tiện bậc trục Ø10, Ø8, tiện rãnh, tiện ren (đầu còn lại)89
3.4.5. Nguyên công 5: Gia công rãnh vít me bi94
3.4.6. Nguyên công 6: Nhiệt luyện. 97
3.4.9. Nguyên công 9: Mài cổ trục Ø8. 103
3.4.10. Nguyên công 10: Kiểm tra. 105
3.5. Xác định thời gian nguyên công.106
3.5.1. Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm.. 106
3.5.2. Nguyên công 3 : Tiện bậc trục Ø12, Ø8 và tiện rãnh. 107
3.5.3. Nguyên công 4 : Tiện bậc trục Ø10, Ø8 và tiện rãnh (đầu còn lại)108
3.5.4. Nguyên công 5 : Gia công rãnh vít me bi109
3.5.5. Nguyên công 7 : Mài rãnh vít me bi109
3.5.6. Nguyên công 8 : Mài cổ trục Ø10 và Ø8. 109
3.5.7. Nguyên công 9 : Mài cổ trục Ø8 (đầu còn lại)110
3.6. Tính toán thiết kế đồ gá điển hình. 111
3.6.1. Định vị và kẹp chặt111
3.6.2. Tính toán lực kẹp. 111
3.6.3. Chọn cơ cấu kẹp. 113
3.6.4. Tính sai số chế tạo đồ gá. 114
Kết luận chung. 116
Tài liệu tham khảo. 120
Phụ lục. 121
Danh sách hình vẽ
Hình 1.1: Nguyên lý hình thành Laser 7
Hình 1.2: Phương pháp đột biến về nhiệt 8
Hình 1.3: Phương pháp cắt bằng “khoan” 8
Hình 1.4: Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi8
Hình 1.5: Phương pháp nóng chảy và thổi9
Hình 1.6: Phương pháp bay hơi 9
Hình 1.7: Phương pháp “cắt nguội” 9
Hình 1.8: Sơ đồ khối máy cắt Laser10
Hình 1.9: Kết cấu thanh trượt tròn và bạc trượt bi 11
Hình 1.10: Kết cấu ray trượt bi12
Hình 1.11: Bộ truyền đai răng. 12
Hình 1.12: Mô tả ăn khớp của đai răng. 13
Hình 1.13: Mô hình ứng suất trong chân răng 13
Hình 1.14: Các loại biên dạng đai răng. 14
Hình 1.15: Cách bố trí các sợi cốt và hướng xoắn của sợi15
Hình 1.16: Vitme đai ốc thường16
Hình 1.18: Kết cấu bộ truyền vit me - đai ốc bi 17
Hình 1.19: Cấu trúc bộ truyền vít me bi 18
Hình 1.20: Hệ thống đai ốc tải kép 19
Hình 1.21: Động cơ servo 21
Hình 1.22: Mặt cắt servo motor 22
Hình 1.23: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điều khiển động cơ bước 25
Hình 1.24: Sơ đồ nối dây trong động cơ. 27
Hình 1.25: Sơ đồ mạch động cơ bước. 28
Hình 1.26: Bộ điều khiển servo 30
Hình 1.27: Mạch vòng điều khiển. 31
Hình 1.28: Đầu phát Laser bằng khí CO233
Hình 1.29: Cấu tạo Laser Rubi34
Hình 1.30: Ảnh hưởng của công suất máy phát đến chiều sâu lỗ cắt40
Hình 1.31: Quan hệ giưa chiều sâu lỗ với số xung. 40
Hình 1.32: Sự phụ thuộc đường kính đầu mỏ cắt và vận tốc cắt41
Hình 1.33: Quan hệ của tốc độ cắt và chiều dày vật cắt41
Hình 1.34: Phụ thuộc tiết diện rãnh cắt vào tốc độ cắt42
Hình 1.35: Phụ thuộc hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm Laser42
Hình 1.36 a,b: Hình dạng của lỗ gia công và chiều sâu của lỗ phụ thuộc vào vị trí đặt tiêu điểm của chùm Laser43
Hình 1.37: Một số dạng mép cắt khi có sử dụng khí thổi43
Hình 1.38: Sự phụ thuộc vào thành phần lớp sơn phủ trên bề mặt thép 45 đánh bóng 44
Hình 1.39: Sự phụ thuộc bán kính lỗ vào áp lực phản lực của hơi 44
Hình 1.40: Máy CNC Laser 45
Hình 1.41: Một số sản phẩm gia công bằng máy Laser 45
Hình 1.42: Một số sản phẩm gia công bằng máy Laser 46
Hình 2.1 Một số sản phẩm máy khắc laser48
Hình 2.2: Mô hình máy cắt Laser50
Hình 2.3(a, b, c): Hình chiếu 2 chiều và hình không gian 3 chiều.52
Hình 2.4: Khung máy và mô hình phân tích phần tử hữu hạn khung máy. 53
Hình 2.5. Khung máy đỡ trục Y.. 54
Hình 2.6: Bàn máy mô phỏng trên Solidworks 2014. 55
Hình 2.7: Sơ đồ khối máy khắc Laser56
Hình 2.8: Sơ đồ lực tác lên trục trượt58
Hình 2.9: Sử dụng phần mềm Solidworks để kiểm nghiệm độ bền trục. 59
Hình 2.10: Biểu đồ quan hệ mô men và tốc độ động cơ. 60
Hình 2.11: Động cơ bước. 61
Hình 2.12: Hình ảnh khớp nối mềm.. 63
Hình 2.13 : Sơ đồ lực tác dung lên trục vít me bi64
Hình 2.14: Bo mạch Microstep Driver P441. 66
Hình 2.15 a: Hình vẽ đấu dây Microstep Driver P441. 67
Hình2.15 b: Hình vẽ đấu nối mạch đệm driver P441. 68
Hình 2.15 c: Hình vẽ đấu nối đầu vào mạch đệm.. 68
Hình 2.16: Giao diện của phần mềm Inkscape. 72
Hình 2.17: Thông số cơ bản của ổ lăn trục X.. 72
Hình 2.18: Kích thước ổ lăn trục X.. 73
Hình 2.19: Kích thước ổ lăn trục Y và Z. 73
Hình 2.20: Kích thước gối đỡ trục vít me X.. 74
Hình 2.21: Kích thước gối đỡ trục vít me Y và Z. 75
Hình 2.22: Kích thước gối đỡ trục trơn X.. 75
Hình 2.23: Kích thước gối đỡ trục trơn Y và Z. 76
Hình 2.24: Kích thước gối đai ốc vít me bi trục X.. 76
Hình 3.1. Nguyên công 1: Cắt phôi80
Hình 3.2. Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan tâm.. 81
Hình 3.4 : Nguyên công 4:Tiện bậc trục Ø10, Ø8, tiện rãnh, tiện ren (đầu còn lại)89
Hình 3.5. Nguyên công 5: Gia công rãnh vít me bi94
Hình 3.6. Nguyên công 6: Nhiệt luyện. 97
Hình 3.7. Nguyên công 7: Mài rãnh vít me bi99
Hình 3.8. Nguyên công 8: Mài cổ trục Ø10 và Ø8. 100
Hình 3.9. Nguyên công 9: Mài cổ trục Ø8. 103
Hình 3.10. Nguyên công 10: Kiểm tra. 105
Hình 3.11. Dưỡng kiểm tra vít me. 106
Hình 4.2: Hình ảnh một số sản phẩm gia công bằng máy sau khi hoàn thiện. 117
Danh sách bảng
Bảng 1.1: Tiêu chuẩn về Bước Góc của động cơ bước. 26
Bảng 1.2: Cơ tính của các loại vật liệu điển hình cắt bẳng Laser…………………………38
Bảng 1.3: Năng lượng riêng khi cắt của một số vật liệu phi kim 39
Bảng 2.1: Thông số một số động cơ bước. 61
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật điện ( thông số kỹ thuật )61
Bảng 2.3: Thông số khớp nối63
Bảng 2.4: Thông số hoạt động (nhiệt độ môi trường 25oC)67
Bảng 2.5: Thiết lập dòng điện. 67
Bảng 3.1: Thành phần hóa học thép C45. 77
Bảng 4.1. Bảng thông số kỹ thuật của máy khắc laser117
Bảng 4.2. Chế độ cắt bằng máy khắc Laser đối với một số vât liệu.118
Lời nói đầu
Ngày nay, nghành công nghiệp trang trí, điêu khắc trên các vật liệu khác nhau được hình thành và phát triển mạnh mẽ và cũng vì thế đòi hỏi những công cụ máy móc gia công chính xác và gia tăng năng xuất. Nắm được tầm quan trọng đó, nhóm em đã làm đề tài “ Thiết kế và chế tạo máy cắt khắc Laser “ nhằm điều khiển máy giúp vẽ, khắc logo,… ngày càng trở nên đơn giản.
Những kiến thức học được và năng lực đạt được trong quá trình học tập của chúng em tại trường được áp dụng vào việc thực hiện Đồ án tốt nghiệp lần này. Xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn Hữu Phấn đã định hướng, hỗ trợ và giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thưc hiện đề tài. Kết quả là những sản phẩm đạt được trong ngày hôm nay tuy không lớn lao nhưng nó là thành quả của 4 năm học tại trường là thành công đầu tiên của chúng em trước khi ra trường.
Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện đề tài không thể tránh khỏi những sai sót và sơ suất rất mong thầy cô thông cảm. Cuối cùng, chúng em rất mong được tiếp nhận những ý kiến đóng góp chuyên sâu của quý thầy cô và các bạn.
Nhóm sinh viên
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÁY CẮT BẰNG LASER
1.1. Một vài vấn đề về máy cắt bằng Laser
1.1.1. Đặc điểm quá trình cắt bằng Laser
a. Nguyên lý quá trình cắt
Laser (Light Amplifications by Stimulated Emission of Radiation) là năng lượng của chùm tia Laser tập trung vào phần nhỏ của phôi nhờ hệ thống thấu kính làm cho phần vật liệu phôi bị nóng chảy cục bộ (d£5mm). Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công bởi một dòng khí có áp lực cao, đồng trục với chùm tia Laser. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học. Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc bề mặt chi tiết theo một quỹ đạo và sinh ra vết cắt. Chuyển động được thực hiện bằng cách di chuyển chùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương CNC hoặc chuyển động cơ khí tấm vật liệu theo hai phương X-Y trên bàn máy CNC. Các hệ thống tự động hóa hoàn toàn cho phép cắt được các hình dáng 3D.
Hình 1.1: Nguyên lý hình thành Laser [3]
Trên hình 1.1 có thể thấy, trong hộp cộng hưởng quang học (4) ở hai phía là hai thấu kính phản chiếu (6 và 8) và giữa hai gương đó là môi trường hoạt tính 1 (hay thanh Laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi nguồn sáng có trạng thái ổn định 2. Các proton được phóng ra và hướng vào trục quang học của thanh Laser. Các proton này va chạm với nhau và tiếp tục tạo ra các proton khác, các proton này kết nối nhau cả về pha cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn ra cho đến khi các proton chuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ năng lượng để rời khỏi thanh Laser qua kính số 6, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá trình hình thành các proton. Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu 5 thì đầu ra sẽ hình thành một chùm tia nối tiếp nhau. Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm, nếu đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên tới 8000ºC trong 1 ms.
b. Các phương pháp cắt bằng Laser
Để tiến hành cắt có thể tiến hành theo 6 phương pháp cắt sau đây [2]:
- Phương pháp đột biến về nhiệt (Năng lượng tương đương (NLTĐ) - 1 lần): Đây là phương pháp lợi dụng sự tập trung nhiệt đột ngột tại một điểm rất nhỏ trên bề mặt vật cắt và liên tục phát triển với tốc độ cao (cm/s), gây nên sự gẫy đột biến và tạo nên rãnh cắt. Phương pháp này thường dùng khi cắt vật liệudòn.
Hình 1.2: Phương pháp đột biến về nhiệt [2]
- Phương pháp cắt bằng “khoan” ( NLTĐ là 1 lần): Cơ sở của phương pháp này là dùng tia Laser khoan các lỗ sâu hoặc không sâu, sau đó bẻ gẫy bằng cơ học. Phương pháp này thường dùng khi cắt vật liệu dòn.
Hình 1.3: Phương pháp cắt bằng “khoan” [2]
- Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi(NLTĐ gấp 10 lần): Làm cho vật liệu nóng chảy, cháy sau đó thổi các sản phẩm cháy đi,tạo nên rãnh cắt. Trong quá trình nóng chảy đồng thời xảy ra phản ứng cháy cung cấp nhiệt bổ sung nên năng lượng tương đương tăng lên rất nhiều (10 lần) so với khoan cắt.
Hình 1.4: Phương pháp nóng chảy, đốt cháy và thổi [2]
- Phương pháp nóng chảy và thổi (NLTĐ gấp 20 lần): Nung nóng chảy vùng bị cắt và dùng khí áp suất cao thổi chúng ra khỏi vùng cắt và tạo nên rãnh cắt.
Hình 1.5: Phương pháp nóng chảy và thổi [2]
- Phương pháp bay hơi(NLTĐ gấp 40 lần): Sử dụng nguồn nhiệt cao, tập trung làm cho vật liệu bay hơi tạo nên rãnh cắt.
Hình 1.6: Phương pháp bay hơi [2]
- Phương pháp “cắt nguội”(NLTĐ gấp 100 lần): Dùng Laser có dải tần số vùng cực tím có năng lượng siêu cao để cắt. Phương pháp này dùng để cắt vật liệu platic, vi phẩu thuật. Chất lượng mép cắt rất cao.
Hình 1.7: Phương pháp “cắt nguội” [2]
c. Đặc điểm quá trình cắt
Cắt bằng Laser có nhiều ưu điểm đối với vật liệu có chiều dày nhỏ với vật liệu phi kim loại và kim loại.
Ưu điểm:
- Chùm tia Laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao. Vì thế nó có thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó.
- Rãnh cắt hẹp; sắc cạnh; độ chính xác cao.
- Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kỳ.
- Mép cắt sạch đẹp, không cần các bước gia công phụ thêm.
- Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng.
- Đây là quá trình cắt không tiếp xúc; nó có thể cắt theo các hướng khác nhau.
- Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính.
- Khi cắt, không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau khi cắt. Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, biến dạng nhiệt ít.
- Có năng suất cao; có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiển bằng chương trình NC, CNC.
- Có thể cơ khí hoá và tự động hoá điều khiển quá trình cắt; Cắt vật liệu phi kim loại chiếm tỷ lệ khoảng 70 % (ví dụ: như cắt vật liệu ceramíc, kính, vật liệu compôzit đặc biệt là vải và các loại giấy); phần còn lại khoảng 30% là cắt kim loại. Thời gian gia công bằng chùm tia Laser khi tự động hoá có thể giảm từ 8 giờ xuống còn 4 phút.
- Không gây ồn; điều kiện lao động tốt. Ngoài ra điều kiện làm việc của công nhân được cải thiện rất nhiều do lượng bụi ít hơn so với các phương pháp gia công cơ khí.
- Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10 - 20mm (phụ thuộc vào công suất của nguồn Laser).
Nhược điểm:
- Giá thành thiết bị cao.
- Khó gia công các lỗ sâu không thông.
- Không gia công được các lỗ sâu quá 50 mm.
- Để lại các kim loại trên miệng hố gia công nên cần phải làm sạch chúng.
1.1.2. Máy cắt bằng Laser
Cấu tạo:
Hình 1.8: Sơ đồ khối máy cắt Laser [3]
Các thiết bị cắt Laser hiện nay thường có cấu tạo gồm các thành phần chính như sau:
1.1.2.1: Cơ khí:
Hệ thống cơ khí của máy là một hệ kết cấu khung máy, băng máy, các cơ cấu truyền động - dịch chuyển tọa độ chính xác, hệ điều khiển CNC. Nhiệm vụ của hệ thống cơ khí này là tạo lên một hệ truyền động cơ khí chính xác và di chuyển nội suy. Thực tế, thường gặp các máy có chức năng kết hợp như máy Đột dập + Laser, Cắt Laser + Hàn Laser,...ở các máy này, hệ thống cơ khí có kết cấu phức tạp hơn, được trang bị đầy đủ các bộ phận cần thiết để máy có thể thực hiện nhiều chức năng gia
.
Hình 2.4: Khung máy và mô hình phân tích phần tử hữu hạn khung máy
Kết luận: Thép hộp là thép CT3 có các thành phần như sau.:
Chương 2. THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER
Đặt vấn đề
Trên cơ sở những phân tích của kết trên thị trường thực tế: Các dòng máy Laser dùng trong sản xuất được chế tạo chủ yếu dạng khung gần giống với kết cấu của các máy phay truyền thống vạn năng hay máy phay CNC, nhưng máy cắt Laser thì bàn máy không chuyển động mà bàn máy sẽ đứng yên và đầu cắt Laser chuyển động dọc, chuyển động ngang,thẳng đứng. Động cơ trục truyền chuyển động trực tiếp vào trục vitme-bi thông qua khớp nối để điều khiển chuyển động của 3 trục X,Y,Z. Hệ thống dẫn hướng của các trục X, Y và trục Z thường sử dụng các thanh trượt dẫn hướng bi. Để phù hợp với mục đích và yêu cầu sử dụng cũng như tăng độ cứng vững, ta sử dụng kết cấu máy cắt Laser dạng hai trụ đứng. Với kết cấu khung như vậy và đầu cắt chuyển động thì không gian thao tác của máy được mở rộng, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận hành cũng như gá phôi và tháo chi tiết.
Trong xu thế đó nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể linh hoạt trong cuộc sống thực hiện được tại gia đình và chi phí thấp nhằm phục vụ trong việc khắc chữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh nên nhóm đã thực hiện đề tài Máy cắt khắc Laser 2w. Từ đó thì nhóm đã chọn máy Laser 3 trục . Với 2 trục X,Y có kết cấu như máy Laser thông thường và trục Z có khả năng di chuyển lên xuống để có thể điều chỉnh tiêu cự của đầu Laser cho phép cắt khắc những sản phẩm có kích thước đa dạng. Hình 2.1 là một số sản phẩm máy khắc laser:
Hình 2.1 Một số sản phẩm máy khắc laser [10]
2.1. Phân tích và chọn kết cấu khung máy
2.1.1. Các phương án thiết kế
Để hình thành khung máy, nhóm nghiên cứu các phương án thiết kế và đã chọn ra những vật liệu, chi tiết để phù hợp với yêu cầu đề tài nhưng vẫn đảm bảo kinh phí chế tạo.
Phương án bàn máy dịch chuyển:Phần cố định bao gồm khung máy hay bệ đỡ, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định với khung máy. Trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung. Trục X mang theo bàn máy và khi trục X di chuyển độc lập một mình không mang theo trục Y.
- Ưu điểm:Là cấu tạo máy đơn giản hơn, gia công lắp ghép các chi tiết của máy dễ dàng hơn, độ cứng vững cao hơn
- Nhược điểm: Không gian làm việc của đầu Laser bị giới hạn, nếu theo phương án này thì khi bàn máy dịch chuyển sẽ chiếm một diện tích lớn. Không lắp cố định được trục trên đế máy mà phải lắp trên bàn gá di động của trục X và do đó bàn gá phải đủ độ dày, kéo theo các chi tiết khác như thanh trượt, con trượt… phải đủ lớn để đảm bảo độ cứng vững khi gia công chi tiết có chuyển động quay quanh trục và sinh ra tải trọng va đập.
Phương án bàn máy đứng yên:Trục X chuyển động trên bệ máy, trục Y chuyển động trên trục X. Để trục X có thể trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được, thì nó thường phải có kết cấu vững chắc và có các thanh rằng ngang để toàn bộ phần trượt X không bị vênh, xộc xệch khi di chuyển, đồng thời hai bệ đỡ thanh ray hai bên phải đủ độ cứng vững, để khi gia công chi tiết không bị rung, rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số. Trục Y, Z trượt trên trục X, có gắn các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ…tất cả các bộ phận này chuyển động trên trục X.
- Ưu điểm: có tính đa năng, không gian làm việc của đầu cắt Laser lớn, có thể thiết kế cải tiến thêm đầu phay, cắt plasma đặt cố định trên bệ máy để có thể tiện phay kết hợp, do đó có thể nâng cấp lên thành một trung tâm CNC nhiều trục, nhiều tính năng.
- Nhược điểm: chi phí chế tạo máy cao do đòi hỏi độ cứng vững của các trục di động. thiết kế lắp ráp khó khăn. Bởi nếu lắp 2 thanh trượt trên trục X lệch, không song song thì hệ thống chạy không êm.
Nhận xét: Với mục đích thí nghiệm nên nhóm chọn phương án phôi cố định, tức là bàn máy sẽ cố định, trục X di chuyển mang theo trục Y và trục Z, trục Z di chuyển mang theo đầu cắt Laser.
Hình 2.2: Mô hình máy cắt Laser
2.1.2. Thiết kế khung máy
Kết cấu khung máy sử dụng các loại thép hộp H30x60x1.5, H50x25x1.5, H20x20x1.2 hàn tổ hợp, sau khi tổ hợp vạch dấu và gia công các hệ lỗ liên kết.
Từ sản phẩm là cắt khắc các tấm có chiều dài 490x255 thì nhóm đã thiết kế khung máy có kích thước 560x350x462mm.
Kết cấu của máy được thể hiện như sau:
Hình 2.3(a, b, c): Hình chiếu 2 chiều và hình không gian 3 chiều.
Chân máy: là phần chịu toàn bộ trọng lượng của máy nếu chân máy không đủ độ cứng vững thì không thể đảm bảo cho quá trình làm việc cũng như độ bền tuổi thọ.
Với trọng lượng của phần thân máy là 20kg sẽ tác dụng trực tiếp lên chân máy. Áp dụng phần mềm solidword simulation để tính phân tích độ bền của phần khung chân máy thì nhóm đã lựa chọn kết cấu phần khung sử dụng thép hộp H60x30x1,5 đồng thời để gia tăng thêm độ cứng vững của máy thì chúng ta sẽ sử dụng thêm 2 thanh giằng có kích thước H25x50x1,5.
Hình 2.4: Khung máy và mô hình phân tích phần tử hữu hạn khung máy
Kết luận: Thép hộp là thép CT3 có các thành phần như sau.:
Thép CT3 là thép các bon thông thường
Đặc điểm và tính chất của thép CT3:
- Độ bền kéo (MPa) 373-481
- Độ bền chảy (MPa) chia theo độ dầy: 100mm 216 Mpa.
Thành phần thép CT3 như sau:
|
Mác thép |
C |
Mn |
Si |
S |
P |
|
CT3 |
0,14-0,22 |
0,40-0,60 |
0,12-0,30 |
<=0,05 |
<=0,04 |
Từ việc phân tích bằng phần mềm solid như trên ta thấybmax = 481Mpa.b]
Vậy kết cấu khung đã chọn đủ bền.
Trên chân máy sau khi dùng phương pháp hàn để có được kết cấu thì sẽ mài phẳng mối hàn và được khoan các lỗ để bắt các gối đỡ trục trơn và trục vitme bi và bàn máy.
Khung Y.
Với kết cấu thép hộp có kích thước H25x50x1,2 .
Hình 2.5. Khung máy đỡ trục Y
Khung Y là phần chuyển động đồng thời cũng mang theo hệ thống cụm chuyển động trục Z có nhiệm vụ rất quan trọng về độ chính xác chuyển động của máy khi làm việc. Trên khung Y sẽ được lắp các gối trượt bi ,và toàn bộ khung Y này sẽ trượt trên trục trơn thông qua gối trượt.
Toàn bộ mặt bàn máy được tổ hợp từ thép hộp H20x20x1.2có khoảng cách để gá kẹp chi tiết gia công. Mặt bàn máy được liên kết với thân bằng hệ thống vít điều chỉnh để cân bằng bàn sau khi lắp ráp. Mặt bàn máy ta sử dụng kết cấu như hình vẽ.
Hình 2.6: Bàn máy mô phỏng trên Solidworks 2014
Từ việc nghiên cứu kết cấu bàn máy của các loại máy cắt khắc Laser cùng với việc nghiên cứu khả năng công nghệ cũng như đặc tính của tia Laser khi cắt mà nhóm thiết kế đã lựa chọn kết cấu bàn máy máy bằng những thanh răng để khi cắt, tia Laser không cắt vào bàn máy.Do máy Laser thiết kế cắt khắc tấm mỏng nên dưới bàn máy ta thiết kế hệ thống hút chân không để giữ cố định cho phôi trong quá trình gia công.
Kết cấu thân máy có thể sử dụng vật liệu nhôm tấm để chế tạo, bàn máy có thể sử dụng nhôm định hình có độ cững vững và độ chính xác cao tuy nhiên giá thành trên một kg kết cấu rất đắt. Vì lý do tài chính nên nhóm vẫn lựa chọn phương án dùng thép hộp hàn tổ hợp.
2.1.3. Nguyên lý hoạt động của máy gia công máy khắc Laser thiết kế.
Ta thiết kế được sơ đồ khối của máy:
Hình 2.7: Sơ đồ khối máy khắc Laser
Nguyên lý hoạt động và điều khiển của hệ thống máykhắc laser:
Từ những yêu cầu gia công ban đầu đặt ra (Hình ảnh, CAD định dạng DXF, JPEG) được nhập vào CPU; thông qua các phần mềm hỗ trợ, sẽ chuyển đổi thành dạng G-Code cấp cho Mạch đệm.
Tại Mạch đệm, dữ liệu dạng G-Code sẽ được sử lý tiếp thành các dòng xung thông qua Driver điều khiển động cơ để điều khiển động cơ ở các trục X,Y,Z; đồng thời cũng gửi tín hiệu xung đến Driver Laser để điều khiển đầu Laser để phát tia laser theo công suất yêu cầu.
Nguyên lý và cơ chế quá trình cắt:
Máy gia công Laser sử dụng đầu Laser có công suất max 2w một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát Laser sẽ được tập trung trên bề mặt chi tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính.
Chùm tia này đốt nóng vật liệu và tạo nên một vùng vật liệu nóng chảy cục bộ, thường có đường kính nhỏ hơn 0.5mm
Phần vật liệu nóng chảy bị đẩy ra khỏi vùng gia công. Đối với một số loại vật liệu thì dòng khí này làm tăng tốc quá trình cắt bởi tác động hóa học và lý học.
Vùng vật liệu bị nóng chảy cục bộ được di chuyển dọc theo bề mặt chi tiết theo một quỹ đạo vì thế sinh ra vết khắc. Chuyển động này được thực hiện bằng cách di chuyển chùm tia Laser hội tụ nhờ hệ thống gương phản xạ hay chuyển động cơ khí theo hai phương X-Y trên bàn máy dẫn động , máy được thiết kế cả hai loại chuyển động này.
Khi đó, chùm tia Laser này sẽ di chuyển theo một phương và chi tiết gia công được di chuyển theo phương còn lại để tạo ra hình dạng vết khắc.
Diod laser một loại laser có cấu tạo tương tự như một Điốt. Nó có môi trường kích thích là chất bán dẫn dạng p-n nối tiếp của diod. Diod laser hoạt động gần giống với diod phát quang. Nó cũng được gọi là đèn diod nội xạ và được viết tắt là LD hay ILD.
Khi ống diod 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 rới xuống mức năng lượng thấp (và bền) hơn, giải phóng năng lượng dư thừa qua photon 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 photon có cùng tần số được phát ra trong khoảng thời gian trên, nó sẽ kích thích sự phát xạ của photon khác, cùng một hướng, cùng độ phân cực và đồng pha với photon đầu tiên.
2.2. Hệ thống điều khiển
2.2.1. Hệ thống điều khiển bằng cơ khí
2.2.1.1: Hệ thống dẫn động
Do máy cắt Laser có công suất cắt thấp, lực cắt sinh ra trong quá trình gia công nhỏ nên phương án cho hệ thống dẫn hướng nhóm thiết kế lựa chọn ở đây là hệ thống thanh trượt tròn kết hợp với bạc trượt bi.
Tính toán lựa chọn trục trượt cho 3 trục:
Trục X: trục trượt ở trục X vừa có chức năng dẫn hướng vừa có nhiệm vụ đỡ tải trọng của trục Y và Z. Chính vì thế trục trượt ở trục X là một thanh chịu uốn.
Hình 2.8: Sơ đồ lực tác lên trục trượt
Giả sử trục chịu lực như hình vẽ , biểu thức của momen uốn và lực cắt trên một mặt cắt ngang nào đó là:
Với: : giới hạn bền uốn cho phép.
Ta có: Với tải trọng P=5.5kg =55N và chiều dài của trục là 560mm
Trục chế tạo từ thép C45 tôi :=630MPa
=6.225 mm
Kiểm nghiệm lại theo phần mềm solidwork:
Hình 2.9: Sử dụng phần mềm Solidworks để kiểm nghiệm độ bền trục
Từ việc phân tích bằng phần mềm solid như trên ta thấybmax = 113Mpa.b]
Trục Y và Z: Với P=2,5kg=25N chiều dài trục là 295mm ta có:
=3.06 mm
Kết luận:Từ tính toán ta và để phù hợp với kinh tế cũng như trong quá trình tìm hiểu đi mua trục ở bên ngoài thì nhóm đã chọn chọn đường kính trục trơn dẫn hướng có kích thước như sau:
- Trục trượt bạc bi của trục X: Ø16x480 mm
- Trục trượt bạc bi của trục Y: Ø12x293 mm
- Trục trượt bạc bi của trục Z: Ø12x200 mm
2.2.1.2: Động cơ
Nhờ vào việc phân tích trên nhóm đã lựa chọn động cơ Bước lưỡng cực 4 đầu dây. Vì ưu điểm là mô men động cơ Lưỡng cực chạy dài cho cả cuộn dây nên động cơ hoạt động tốt hơn so với động cơ Đơn cực.
