Đề tài Thiết kế, chế tạo máy CNC dùng tia laser

ỨU Họ và tên sinh viên: Nguyễn Minh Đức MSSV: 15031989 Ngày, tháng, năm sinh: 15/06/1997 Nơi sinh: Vũng Tàu Chuyên Ngành: Tự động I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy CNC Dùng Tia Laser II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu công dụng của từng thiết bị điện, điện tử. - Đưa ra các phương án nghiên cứu. - Thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia Laser. - Kiểm tra, đánh giá tính ứng dụng của đề tài. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI: 01/11/2018 IV. NGÀY HOÀN THÀNH ĐỀ TÀI: 31/03/2019 V. HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Th.S. Phạm Chí Hiếu CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên) ThS. Phạm Chí Hiếu Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày... tháng ..năm 2019 SINH VIÊN THỰC HIỆN CHÍNH (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Đức PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (Ký và ghi rõ họ tên) TRƯỞNG VIỆN (Ký và ghi rõ họ tên) TS. Phan Ngọc Hoàng Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu khoa học này tổng quát lại kết quả quá trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, hình ảnh, thông tin trong đề tài đều trung thực, do tôi tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu. Đề tài này không sao chép các đề tài đã có từ trước. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình. Trường đại học BÀ RỊA-VŨNG TÀU không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có). Vũng Tàu, ngày 10 tháng 05 năm 2019 Người cam đoan Nguyễn Minh Đức Lời nhận xét của hội đồng phản biện Chủ tịch hội đồng Lưu Hoàng Phản biện 1 Phạm Văn Tâm Phản biện 2 Phan Thanh Hoàng Anh Ủy viên Châu Nguyễn Ngọc Lan Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức MỞ ĐẦU CNC–Viết tắt Computer (ized) Numerical (ly) Control (led) (điều khiển bằng máy tính), đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại), các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G. Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng. Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác. Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác. Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận. Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết. Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất. Ngày nay máy CNC đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong công nghiệp sản xuất, nó chiếm ưu thế trong tiết kiệm lao động và độ chính xác cực kỳ cao, vì vậy có thể nói nó là một phần không thể thiếu trong công nghiệp sản xuất hiện đại. Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả những ứng dụng trong thực tế của máy CNC, sau một thời gian học tập em đã nghiên cứu đề tài “thiết kế và chế tạo máy CNC dùng tia Laser”. Hệ thống này giúp ta có thể hàn, cắt hay khắc chi tiết chính xác. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức LỜI CẢM ƠN Trước khi bắt đầu nghiên cứu khoa học, với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin cảm ơn quí thầy cô ngành Điện-Điện tử đã tận tình truyền đạt kiến thức cũng như giúp đỡ em trong quá trình học tập tại trường. Đặc biệt, em xin ghi nhớ sự nhiệt tình của thầy Phạm Chí Hiếu, người trực tiếp hướng dẫn và đã giúp em hoàn thành đề tài này. Sau cùng, em cũng xin cảm ơn những người bạn đã đóng góp ý kiến và hỗ trợ thông tin để hoàn thiện đề tài. Vũng tàu, ngày ..tháng.. năm 2019 Sinh viên thực hiện chính (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Minh Đức Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức MỤC LỤC Đề mục Trang NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI LỜI CAM ĐOAN MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................... 01 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 01 1.2. Mục tiêu của đề tài............................................................................. 01 1.3. Tính tối ưu của đề tài......................................................................................... 01 CHƯƠNG 2. THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ............................ 02 2.1. Giới thiệu máy CNC.............. 02 2.1.1. Khái niệm máy CNC............... 02 2.1.2. Trục máy CNC............. 02 2.1.3. Hệ thống điều khiển máy CNC............ 02 2.1.3.1. Tổng quát........... 02 2.1.3.2. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục......... 03 2.1.4. Phần cứng máy CNC............... 03 2.1.5. Phần mềm máy CNC........... 04 2.1.6. Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC.......... 05 2.1.7. Cấu trúc chương trình.......... 05 2.1.8. Những chức năng hỗ trợ.......... 05 2.1.9. Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối....... 06 2.2. Chương trình gia công CNC.......................................... 06 2.2.1. Mã lệnh G cơ bản......... 07 2.2.2. Mã lệnh M cơ bản........... 08 2.3. Lợi ích của máy CNC................................................................ 09 2.3.1. Tự động hóa sản xuất....... 09 2.3.2. Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm....... 09 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 2.3.3. Tính linh hoạt máy CNC.......... 09 2.3.4. Phạm vi sử dụng máy CNC......... 10 2.4. Giới thiệu về tia Laser............................................................. 10 2.4.1. Giới thiệu chung.......... 10 2.4.2. Lịch sử......... 10 2.4.3. Cấu tạo........ 11 2.4.4. Cơ chế hoạt động................................................................. 11 2.4.5. Phân loại.......... 12 2.4.5.1. Laser chất rắn........ 12 2.4.5.2. Laser chất khí........ 12 2.4.5.3. Laser chất lỏng....... 12 2.4.6. Tính chất.......... 12 2.4.7. Các chế độ hoạt động........... 13 2.4.8. An toàn......... 13 2.4.9. Ứng dụng của laser.......... 14 2.5. Giới thiệu về Mạch Arduino NANO..................................... 14 2.5.1. Nguồn sử dụng............ 15 2.5.2. Các chân năng lượng............. 15 2.5.3. Bộ nhớ sử dụng.......... 16 2.5.4. Các cổng vào/ra trên Arduino Board..................................... 16 2.5.5. Lập trình cho Arduino....... 18 2.5.5.1. Cấu trúc chương trình...... 21 2.5.5.2. Cách viết chương trình trên IDE............................................ 21 2.5.5.3. Chương trình giao tiếp với máy tính...... 22 2.5.5.4. Nạp bootloader cho arduino....... 23 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH MÁY CNC 25 3.1. Sơ đồ khối của máy CNC... 25 3.1.1. Phần điều khiển... 25 3.1.1.1. Máy tính cài sẳn phần mềm điều khiển..... 25 3.1.1.2. Mạch Arduino Uno R3...... 26 3.1.1.3. Mạch CNC Shield...... 27 3.1.2. Cơ cấu chấp hành...... 29 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 3.1.2.1. Module Driver Laser..... 29 3.1.2.2. Động cơ chấp hành.... 29 3.1.2.3. Đầu Laser 2.5w..... 29 3.2. Mô hình thực.... 30 3.2.1. Mô hình sườn máy và bàn máy.... 30 3.2.2. Mô hình thực của máy CNC.... 32 3.3. Viết chương trình cho máy CNC..... 32 3.3.1. Phần mềm tạo Gcode Inkscape..... 32 3.3.1.1. Khái niệm....... 32 3.3.1.2. Các bước sử dụng Inkscape tạo file Gcode khác Laser.... 32 3.3.2. Phần mềm điều khiển Universal Gcode Sender....... 34 3.4. Một số kết quả đạt được của đề tài...... 40 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI. 41 4.1. Kết Luận.. 41 4.1.1. Ưu điểm của đề tài.. 41 4.1.2. Nhược điểm của đề tài.... 41 4.2. Hướng phát triển. 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 42 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặt vấn đề Công nghệ Laser đang ngày càng quan trọng đối với việc cho ra đời các sản phẩm đạt chất lượng của ngành công nghiệp hỗ trợ. Tại Việt Nam, các thiết bị Laser công nghiệp đã có mặt trên thị trường trong nhiều năm và phần lớn được cung cấp bởi các công ty hoạt động thương mại. Các máy CNC cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. Trong xu thế đó, nhằm mục đích chế tạo một máy công cụ chính xác có thể vẽ tranh, khắc chữ trên gỗ, nhựa, giấy, da, vải, phục vụ cho mỹ nghệ, quà lưu niệm, tranh ảnh một cách tự động, nên nhóm đã thực hiện đề tài này. Ngoài ra, sản phẩm được chế tạo với thiết kế đẹp mắt, chi phí sản xuất và bảo trì thấp so với sản phẩm cùng loại của nước ngoài, do đó phù hợp với túi tiền của người dùng. Sản phẩm là ứng dụng cụ thể của hệ thống tự động hóa có độ chính xác cao vào đời sống và sản xuất, mang lại hiệu quả cao hơn so với các phương pháp cắt khắc truyền thống. Sản phẩm có các phần mềm hỗ trợ trực quan, dễ hiểu nên mọi người đều có thể sử dụng một cách dễ dàng sau vài giờ tìm hiểu, nên có khả năng đưa ra sử dụng rộng rãi, phổ biến. 1.2. Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu mô hình hệ thống máy CNC dùng tia Laser. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để xây dựng mô hình dựa trên các kiến thức đã học. - Ứng dụng các công nghệ hiện đại để xây dựng hệ thống. 1.3. Tính tối ưu của đề tài - Tạo tính tư duy cho sinh viên trong quá trình nghiên cứu. - Có tính linh động và mở rộng cho sinh viên thiết kế mô hình dựa trên cơ sở thực tế. - Mô hình đơn giản nhưng rất hữu ích. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 2 CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ VÀ CÁC GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2.1. Giới thiệu máy CNC 2.1.1. Khái niệm máy CNC CNC là một dạng máy điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước theo yêu cầu. 2.1.2. Trục máy CNC Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mối quan hệ này có thể được thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ. Hệ tọa độ Decac được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC. Khi đó không gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công. 2.1.3. Hệ thống điều khiển máy CNC 2.1.3.1. Tổng quát Các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định. Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím. Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc thực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi. Sau đó hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi đi. Như vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thông theo một vòng kín). Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 3 Hình 2.1. Truyền dữ liệu trong vòng kín 2.1.3.2. Chọn động cơ cho cơ cấu dẫn động các trục Động cơ dẫn động trên máy CNC cho các trục trong thực tế là các động cơ servo, với khả năng điều khiển chính xác, đồng thời có một bộ phận phản hồi và bù sai số. Vì là mô hình thí nghiệm nên phương án dùng loại động cơ này là không khả thi, vì thực tế động cơ servo có giá thành rất đắt và hiếm thấy ở Việt Nam, nên chúng em thống nhất phương án dùng động cơ bước để dẫn động các trục, vì loại động cơ này dễ điều khiển, dễ mua và có giá thành hợp lý. Tuy nhiên do không kèm theo bộ phận phản hồi bù sai số nên trong một số trường hợp như quá tải, quá nhiệt động cơ sẽ không giữ được độ chính xác theo yêu cầu, xảy ra tình trạng tụt bước hay mất bước. Khi tính toán thiết kế chúng em sẽ cố gắng giảm sự sai lệch không mong muốn này về mức tối thiểu. Phổ biến ở thị trường hiện nay là loại động cơ bước có công suất khoảng 50W. Hình 2.2. Động cơ bước 2.1.4. Phần cứng máy CNC Trong một máy CNC bất kỳ, dù đơn giản hay phức tạp đều có sự hiện diện của các phần cứng cơ bản sau. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 4 v Bộ xử lý trung tâm (CPU): Hình 2.3. Sơ đồ khối của CPU v Bộ nhớ: Một số bộ nhớ mở rộng được sử dụng: ROM, EEPROM, RAM. v Hệ thống truyền dẫn (BUS): Hệ thống CNC đòi hỏi sự liên hệ giữa CPU và các bộ phận khác trong hệ thống. Thiết bị truyền dẫn của CNC chính là BUS. Có thể hiểu BUS là hệ thống các đường giao thông làm nhiệm vụ truyền dẫn thông tin từ CPU đến các bộ phận khác và ngược lại. Dưới đây là sơ đồ khối thể hiện vị trí vai trò của BUS trong hệ thống điều khiển CNC. Hình 2.4. Hệ thống liên lạc thông qua BUS 2.1.5. Phần mềm máy CNC Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy công cụ. Cũng như những chiếc máy tính khác, Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 5 CNC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mềm hệ thống. Chúng được thiết kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại máy là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ hoạ giả lập hay quá trình gia công nếu có. 2.1.6. Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC Các thao tác gia công của máy CNC được thực hiện thông qua một đoạn chương trình. Đoạn chương trình này mô tả chi tiết trình tự của các bước gia công, theo thứ tự để tạo ra sản phẩm như ý. Bộ điều khiển CNC thực thi các lệnh gia công dựa trên những dữ liệu mà nó nhận được, những thông số gia công có thể nằm ngay trên những dữ liệu nhận được hay nằm trong bộ nhớ của bộ điều khiển. Một điều rất quan trọng mà các bộ CNC phải tuân theo, đó là phải đi theo một dạng lập trình đã được chuẩn hoá, dựa trên một văn bản do hiệp hội chuẩn hoá quốc tế (ISO) đề ra. Ở Hoa Kỳ, chủ yếu theo chuẩn EIA RS244 hoặc RS358. 2.1.7. Cấu trúc chương trình Một chương trình gia công bao gồm nhiều dòng lệnh. Mỗi dòng lệnh bao gồm các ký tự và con số đi theo mỗi ký tự. Số lượng ký tự trong mỗi dòng lệnh là không cố định. Mỗi dòng lệnh thường bắt đầu bằng ký tự N và một con số liền sau đó dùng để chỉ thứ tự dòng lệnh trong chương trình. 2.1.8. Những chức năng hỗ trợ Trước khi máy thực hiện những chuyển động và gia công, những thông số về hình dáng và công nghệ phải được nhập vào bộ điều khiển. Sau đó các thông tin sẽ được tính toán và đưa ra các chức năng thích hợp. Thông số về hình dáng được xác định: - Vị trí điểm đến. - Hướng chạy dao. - Chương trình gia công. Ngoài ra cũng cần đưa thêm các thông số công nghệ như loại dao dùng gia công, tốc độ trục quay, hướng quay, tốc độ chạy dao. Những chức năng hỗ trợ được dùng cho mục đích này, thường dùng các ký tự F, H, M, S, và T. Còn lại D, E, L, P là những ký tự còn dư cho lập trình, dùng cho những bộ điều khiển khác nhau, của các hãng khác nhau. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 6 2.1.9. Hệ tọa độ tuyệt đối – Tọa độ tương đối Thông số hình dạng có thể được nhập ở dạng tuyệt đối hay tương đối, và cả hai đều được chấp nhận ở các máy CNC ngày nay. Hình 2.5. Những kiểu định tọa độ 2.2. Chương trình gia công CNC Một chương trình gia công CNC là toàn bộ tất cả các lệnh cần thiết giúp cho máy CNC tiến hành công việc gia công chi tiết, được mô tả một cách cụ thể và được chuẩn hoá trong chương trình CNC cơ bản là hệ máy FANUC và hệ máy FAGOR. Tùy thuộc vào nơi sản xuất các bộ điều khiển, có các quy định cụ thể, đặc trưng. Thông thường thuộc vào kích thước biểu thị theo đơn vị inch hoặc mm, ở đây chỉ trình bày cho trường hợp hệ mm. Nội dung của chương trình được tạo thành từ các khối lệnh, mô tả quá trình hoạt động của máy gia công theo từng dòng lệnh trong khối. Mỗi khối mô tả cho một bước gia công hình học hoặc một chức năng gia công cụ thể. Các khối của các bước gia công liền nhau được xếp liên tiếp nhau và cách nhau bởi mã lệnh kết thúc khối (End of block). Mỗi khối được lập bởi các ký tự chữ và số gọi là chương trình gia công, được lưu trong bộ nhớ máy tính được định dạng theo quy định, là tập hợp các dòng lệnh. Một dòng lệnh được viết liên tục với các khối mã lệnh, giữa các khối mã lệnh không có khoảng trắng. Một loạt các dòng lệnh liên tiếp cấu thành nên khối chương trình, tập hợp các khối chương trình là toàn bộ chương trình gia công. Chương trình sẽ gởi các yêu cầu đến máy tính, bộ điều khiển trung tâm, trực tiếp vận hành máy hoặc thu nhận thông tin phản hồi. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 7 ¯ Bảng 2.1. Mã lệnh CNC theo thứ tự Alpha: Mục đích là gởi tiếp các tín hiệu, yêu cầu đến hệ thống điều khiển máy công cụ. Nó xác định các thông số toán học liện quan đến sự di chuyển của các thành phần của máy, điều khiển sự di chuyển của đầu khắc theo các trục, tốc độ di chuyển của đầu khắc, sự phát tia Plasma ..v.v Thông tin dòng lệnh được bắt đầu với một mã lệnh và các số liền sau đó, với mỗi thay đổi của các số mới sẽ được truyền vào bộ điều khiển. Những số kết hợp với mã lệnh N thường gia tăng từ 5 đến 10 đơn vị, cho phép ta có thể chèn thêm các dòng lệnh khác khi cần thiết với các đối số đi kèm mã lệnh N lúc này nằm trong khoảng giữa hai đối số liên tiếp. 2.2.1. Mã lệnh G cơ bản Mã lệnh G báo hiệu bắt đầu một hàm chức năng. Khi sử dụng mã lệnh này, nó báo hiệu sự thay đổi hoạt động. Có hai loại mã lệnh G: cho phép (modal) và không cho phép (nonmodal). Mã lệnh Ý nghĩa F Tốc độ di chuyển đầu phun. G Báo hiệu một hàm nội suy, thực thi chương trình (đây là mã cơ bản nhất của chương trình gia công). I Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục X. J Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Y. K Thông số xác định tâm của đường tròn theo trục Z. L Lập lại chu trình gia công. M Chức năng pha tạp tùy theo giá trị theo sau M, có nhiều chức năng khác nhau (xem bảng chức năng của mã lệnh M). N Chỉ số dòng lệnh hiện tại. O Số hiệu (tên) của chương trình gia công. P Chỉ số dòng lệnh bắt đầu một khối lệnh gia công. R Bán kính thiết kế của đường cong. X Xác định vị trí theo phương của trục X. Y Xác định vị trí theo phương của trục Y. Z Xác định vị trí theo phương của trục Z. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 8 Mã lệnh G loại cho phép: được lưu trong bộ nhớ chương trình cho đến khi một mã lệnh G khác cùng loại được gọi, mã lệnh sau sẽ hủy bỏ mã lệnh trước trong chương trình điều khiển. Mã lệnh G loại nonmodal chỉ áp dụng cho dòng lệnh đang xét, nơi nó xuất hiện. ¯ Bảng 2.2. Mã lệnh G-code: Mã lệnh G Chức năng G00 Đặc tính điều khiển điểm, chạy nhanh G01 Nội suy thẳng G02 Nội suy vòng G03 Nội suy vòng G04 Thời gian duy trì G17 Chọn mặt phẳng tọa độ G18 Chọn mặt phẳng tọa độ G19 Chọn mặt phẳng tọa độ G20 Hệ đơn vị inch G21 Hệ đơn vị met G41 Chọn hướng di chuyển G42 Chọn hướng di chuyển G54 Dịch chuyển điểm 0 G55 Dịch chuyển điểm 0 G56 Dịch chuyển điểm 0 G57 Dịch chuyển điểm 0 G58 Dịch chuyển điểm 0 G59 Dịch chuyển điểm 0 G60 Dừng chính xác G61 Dừng chính xác G90 Các số liệu đo điều khiển tuyệt đối G91 Các số liệu đo điều khiển tương đối G92 Set điểm Home 2.2.2. Mã lệnh M cơ bản Dưới đây là bảng mã lệnh thường được dùng trong chương trình của máy cắt plasma. ¯ Bảng 2.3. Mã lệnh M: Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 9 Mã lệnh M Chức năng M00 Dừng chương trình M01 Dừng tạm thời chương trình M02 Dừng chương trình và chạy lại từ đầu M11 Bắt đầu phát tia Plasma M21 Ngừng phát tia Plasma M25 Ngừng phát tia Plasma để chuyển sang biên dạng kế tiếp M90 Bắt đầu chương trình M95 Bắt đầu đánh dấu Mode (enable marking mode). M96 Ngừng đánh dấu Mode (disable marking mode). M97 Tăng vận tốc cắt M99 Thoát chương trình 2.3. Lợi ích của máy CNC 2.3.1. Tự động hóa sản xuất Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trong nhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v. Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp. Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác. 2.3.2. Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được. Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho “ra lò” hàng loạt sản phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn. 2.3.3. Tính linh hoạt máy CNC Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trình gia công mới. Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách hàng. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 10 2.3.4. Phạm vi sử dụng máy CNC Các máy CNC cỡ trung bình, bộ điều khiển theo biên dạng không đắt hơn nhiều so với máy vạn năng. Công nghệ CAD/CAM cho phép lập trình cho máy CNC trở nên đơn giản. Máy CNC ngày càng được sử dụng phổ biến và dần dần thay thế máy vạn năng cả trong gia công thông thường. 2.4. Giới thiệu về tia Laser 2.4.1. Giới thiệu chung Laser (Light Amplficationby Stimulated Emissionof Radiation), là khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích. Electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt trong một nguyên tử. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các hạt electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại. Các quá trình này có thể sinh ra hay hấp thụ các tia sáng (photon) theo giả thuyết của Albert Einstein. Bước sóng (màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức. Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các thành phần từ trạng thái chất rắn. Hình 2.6. Hình ảnh tia Laser 2.4.2. Lịch sử Laser được phỏng theo maser, một thiết bị có cơ chế tương tự nhưng tạo ra tia vi sóng hơn là các bức xạ ánh sáng. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 11 Laser hồng ngọc, một laser chất rắn, được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1960, Hồng ngọc là ôxít nhôm pha lẫn crôm. Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh lá cây và xanh lục, để lại duy nhất tia sáng màu hồng phát ra. Robert N. Hall phát triển Laser bán dẫn đầu tiên, hay Laser diod vào năm 1962. Thiết bị của Hall xây dựng trên hệ thống vật liệu gali-aseni và tạo ra tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại. 2.4.3. Cấu tạo Hình 2.7. Cấu tạo tia 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, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra Laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất Laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm Laser được khuếch đại lên nhiều lần. 2.4.4. Cơ chế hoạt động Một ví dụ về cơ chế hoạt động của laser có thể được miêu tả cho Laser thạch anh. Ø 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. Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 12 Ø 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 photon. Ø Các hạt photon 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 photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng. Ø Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng. Ø Một số photon ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu, tia sáng đi ra chính là tia Laser. 2.4.5. Phân loại 2.4.5.1. 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 1060 nm 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 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng. · Bán dẫn: Loại thông dụng nhất là Diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. 2.4.5.2. Laser chất khí · He-Ne: Hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8 nm 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 514,5 nm. · CO2: Bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ. 2.4.5.3. Laser chất lỏng · Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là Laser màu. 2.4.6. Tính chất Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 13 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 photon trong chùm tia Laser: Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, picro giây, cho phép tập trung năng lượng tia Laser cực lớn trong thời gian cực ngắn. 2.4.7. Các chế độ hoạt động Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ Laser cho những ứng dụng khác nhau. · Chế độ phát liên tục Trong chế độ phát liên tục, công suất của một Laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động Laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn. · Chế độ phát xung Trong chế độ phát xung, công suất Laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể. Các dao Laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn. Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như: o Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching) o Phương pháp kiểu khoá (modelocking) o Phương pháp bơm xung (pulsed pumping) 2.4.8. An toàn Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, 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 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT SVTH: Nguyễn Minh Đức 14 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. 2.4.9. Ứng dụng của Laser Vào thời điểm được phát minh năm 1