báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài máy khắc laser

báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài máy khắc laser. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài máy khắc

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Khắc Hưng 2020602494 Bùi Anh Quân 2020603264 Lê Hà Thái Sơn 2020603169

Hà Nội – 2023

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Giáo viên hướng dẫn

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Hà Nội, ngày tháng năm 2023

Giáo viên phản biện

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ 2

1.1Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường 2

1.1.1 Nhu cầu thị trường 2

1.1.2 Nhu cầu người tiêu dùng và doanh nghiệp 3

1.2Cấu tạo máy khắc laser 7

1.3Thiết lập danh sách yêu cầu 7

NỘI DUNG 2 THIẾT KẾ SƠ BỘ 11

2.1Xác định các vẫn đề cơ bản 11

2.2Cấu trúc chức năng 11

2.2.1 Chức năng tổng thể 11

2.2.2 Xây dựng cấu trúc chức năng 12

2.3Phát triển cấu trúc làm việc 15

3.1.4 Xác định layout thô – xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính 22

3.2Thiết kế chi tiết 23

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Thị trường máy khắc laser 2

Hình 1.2 Bảng khảo sát nhu cầu khách hàng 3

Hình 1.3 Bảng khảo sát nhu cầu khách hàng 4

Hình 1.4 Biểu đồ khảo sát thông tin cá nhân 5

Hình 1.5 Biểu đồ khảo sát độ tìm hiểu máy khắc laser 5

Hình 1.6 Biểu đồ khảo sát mục địch sử dụng 6

Hình 1.7 Biểu đồ khảo sát vật liệu khắc 6

Hình 1.8 Biểu đồ khảo sát mức giá 7

Hình 3.11 Mica bắt giữ động cơ trục X 29

Hình 3.12 Mica bắt giữ, cân bằng động cơ trục X 29

Hình 3.13 Ke nhôm bắt giữ các khớp khung 30

Hình 3.14 Mica bắt giữ động cơ trục Y 30

Hình 3.15 Mica bắt giữ, cân bằng động cơ trục Y 31

Hình 3.16 Chân khung máy 31

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách yêu cầu 8Bảng 2.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng của máy khắc laser 15Bảng 2.2 Bảng đánh giá tiêu chí 3 biến thể 18

1

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, ngành Cơ Điện Tử có những bước phát triển vượt bậc, việc ứng dụng các sản phẩm cơ điện tử vào sản xuất ngày càng phổ biến giúp nâng cao năng suất lao động và hạ giá thành sản phẩm Song song với quá trình phát triển đó là yêu cầu ngày càng cao về độ chính xác, tin cậy, khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt với thời gian dài của các hệ thống cơ điện tử Vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống cơ điện tử là sự phát triển của các ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hoá đã và đang đạt được nhiều tiến bộ mới

Học phần Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử được đưa vào giảng dạy với mục đích giúp sinh viên có kiến thức và tư duy trong việc lập kế hoạch công việc theo trình tự hợp lý để có thể thiết kế được một hệ thống cơ điện tử hoạt động ổn định, tối ưu và hiệu quả Học phần cũng rèn luyện cho sinh viên khả năng tư duy hệ thống, kỹ năng làm việc nhóm và kiến thức về nhiều mảng khác nhau, giúp ích cho học tập và công việc sau này

Sau quá trình học tập và tự tìm hiểu về học tập và tìm hiểu và học phần, nhóm sinh viên đã lựa chọn và hoàn thành báo cáo bài tập lớn với đề tài: Thiết kế sản phẩm cơ điện tử “Máy khắc laser” Đây là một đề tài hay và có tính ứng dụng cao trong đời sống cũng như cơ sở cho những nghiên cứu và sản phẩm sau này của sinh viên

2

NỘI DUNG 1 PHÂN TÍCH NHIỆM VỤ THIẾT KẾ

1.1 Nhu cầu thị trường, công ty, môi trường 1.1.1 Nhu cầu thị trường

Ở nước ta hiện nay tuy có nhiều sức lao động và việc thuê nhân công rẻ nhưng bên cạnh đó so là con người thủ công nên có thẻ sai xót và không được ổn định Tuy vậy việc công nhân dồi dào nhưng nguồn lực chất lượng cao còn hạn chế, tác phong làm việc còn hạn chế Tại quý IV năm 2022, có hơn 38,3 triệu lao động Việt Nam đang làm việc trong các ngành nghề không đòi hỏi về trình độ chuyên môn hoặc chuyên môn thấp Phần lớn các doanh nghiệp đều phải đào tạo nghề cho công nhân Công nhân không lành nghề dẫn đến sản phẩm chất lượng thấp, năng suất cao, sản phẩm làm ra sẽ không nhiều trong cùng một đơn vị thời gian Đặc biệt các hoạt động in, ấn thủ công thì vẫn còn tốn khá nhiều thời gian và công sức của nhân công

Những nghành nghề in, ấn thủ công khắc bằng các vật dụng kim loại thô sơ có thể gây tổn thương cho công nhân tham gia công việc và cũng nhưu ảnh hưởng đến năng suất của quá trình Tốc độ đổi mới công nghệ còn chậm, chưa đồng đều và chưa có định hướng phát triển rõ rệt Phần lớn các doanh nghiệp của nước ta sử dụng các công nghệ tụt hậu so với các nước trên thế giới từ 2-3 thế hệ 80% - 90% công nghệ nước ta đang sử dụng là công nghệ nhập khẩu, 76% công nghệ máy móc nhập khẩu thuộc thập niên 50 – 60, 50% là công nghệ tân trang Sự lạc hậu về công nghệ sẽ tạo ra chất lượng sản phẩm thấp, điều này gây cho hàng hóa của chúng ta rất nhiều khó khăn trong vẫn đề cạnh tranh giá cả trên thị trường

Hình 1.1 Thị trường máy khắc laser

3

Hiện nay, nền công nghệ 4.0 cũng đang tác động đến như cầu toàn cầu về máy khắc laser Sự gia tăng nhu cầu về độ chính xác, tốc độ cao và tự động hóa từ các nghành công nghiệp khác nhau, chẳng hạn như thực phẩm, ô tô và đóng gói, là nguyên nhân chính dẫn đến việc áp dụng công nghệ này

Trên hết, thị trường máy dựa trên laser đang thiết lập sự tăng trườn thị trường mới Nó đang làm nhưu vậy cho các nghành công nghiệp may mặc, vải, bảng hiệu kỹ thuật số và bán lẻ, tiện ích và thiết bị thể thao Tương tự, các phẩm chất kim loại, chạm khắc gỗ và đồ trang sức đang khuyến khích thị trường này phát triển

1.1.2 Nhu cầu người tiêu dùng và doanh nghiệp

Nhóm đã đặt ra một số câu hỏi và tiến hành khảo sát ngườ tiêu dùng và doanh nghiệp để đưa ra cái nhìn khách quan nhất về thị trường Việt Nam hiện nay

Hình 1.2 Bảng khảo sát nhu cầu khách hàng

4

Hình 1.3 Bảng khảo sát nhu cầu khách hàng

5 Sau khi khảo sát thu được kết quả sau:

Hình 1.4 Biểu đồ khảo sát thông tin cá nhân

Hình 1.5 Biểu đồ khảo sát độ tìm hiểu máy khắc laser

Theo khảo sát, đa phần giới trẻ độ tuổi từ 18-22 tuổi đang đi làm tại các doanh nghiệp hoặc có doanh nghiệp đều biết đến sản phẩm máy khắc laser chiếm 96,8% Số người đã

6

biết và tìm hiểu về máy khắc laser lên đến 87,1%, số người biết nhưng chưa tìm hiểu 9,7% Nhìn chung gần hết số người đã tìm hiểu về máy khắc laser cho thấy máy phổ biến trên nhiều lĩnh vực và hoạt đông tại thị trường

Hình 1.6 Biểu đồ khảo sát mục địch sử dụng

Theo biều đồ ta thấy tỉ lệ chọn mục đích của máy khắc trên các loại vật chiếm gần hết tỉ lệ lựa chọn

Hình 1.7 Biểu đồ khảo sát vật liệu khắc

Theo nhu cầu thị trường tỉ lệ những người thích các đồ vật nghệ thuật tạo từ máy khắc laser từ vật liệu Gỗ chiếm 90,3% Đa phần các đồ nghệ thuật này đều bắt mắt, thường xuất hiện ở các khu du lịch là những sản phẩm đồ lưu niệm hay mang tính nghệ thuật cao

7

Hình 1.8 Biểu đồ khảo sát mức giá

Đa phần tỉ lệ những người có nhu cầu mong muốn giá từ 3 – 5 triệu chiếm 54,8% Từ bàng khảo sát ta nhu cầu khác hàng

- Độ tuổi: từ 18 – 22 tuổi

- Mục đích: khắc trên các vật liệu - Giá thành bán ra: 3 – 5 triệu

1.2 Cấu tạo máy khắc laser

Hệ thống máy khắc laser gồm hai thành phần chính:

Thành phần cơ khí: Hệ máy chính, cơ cấu chuyển động, đầu khắc laser Bộ phận

quan trọng nhất của máy là đầu khắc laser, đầu laser tạo ra một chùm tia năng lượng cao được sinh ra bởi máy phát laser sẽ được tập trung trên bề mặt chị tiết gia công nhờ hệ thống thấu kính Bên cạnh đó máy khắc còn có cơ cấu chuyển động cơ khí theo hai phương X-Y

Thành phần điều khiển: Có vai trò giám sát trạng thái và điều khiển máy khắc laser

hoạt động ổn định Thành phần điều khiển bao gồm bộ xử lý trung tâm, các thiết bị cảm biến giám sát hoạt động, thiết bị hiển thị và phát tín hiệu cảnh báo Việc điều khiển hoạt động máy khắc laser có thể can thiệp bởi con người qua hệ thống nhập liệu và các tác động cảnh báo với hệ thống

1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu

8

Bảng 1.1 Danh sách yêu cầu

Thay đổi

D

Chịu trách nhiệm

D

D D D D D W D D

D D D

D

D D W W D D D D D D D D

+ Trọng lượng: 7 – 10 kg

+ Có rãnh để con trượt trượt trên thanh có kích thước chiều rộng 8 – 12 mm, chiều sâu 20 – 25 mm

+ Sử dụng hợp kim cứng có độ bền cao, chống va dập, nhẹ + Chắc chắn bền bỉ, có khả năng chịu được lực lớn

+ Nhỏ gọn, dễ di chuyển, dễ tháo lắp + Chống ăn mòn, rỉ sét

 Thanh trượt ngang:

+ Kích thước: Chiều dài 300 – 400 mm Chiều rộng 50 – 100 mm Chiều cao 50 -100 mm + Có vị trí ghép nối vs mắt laser + Có rãnh để con trượt trên thanh

+ Sử dụng hợp kim cứng chất lượng cao, chống trầy xước, nhẹ, bền bỉ, có khả năng chịu lực tốt

 Chân máy:

+ Kích thước: Chiều dài 300 – 400 mm Chiều rộng 50 – 100 mm Chiều cao 50 – 100 mm

+ Gồm 4 chân để lắp vào 4 góc của khung máy để tạo độ thăng bằng

+ Làm từ các vật liệu có tính đàn hồi hoặc cứng + Chống ăn mòn, rỉ sét

+ Có khả năng giảm chấn

 Đầu khắc laser

+ Kích thước: 40 x 50 x 15 + Công suất 0,5 – 5,5 W

+ Độ chính xác định vị: ± 0,01 mm + Bước sóng laser: 445 – 635 nm + Nhiệt độ làm việc: 10 - 40°C

9 D

D D D D D W D D D

D D D D D D D

D D D D D D D D D D D D D D D W W

+ Chiều dài: 40 – 60 mm + Đường kính trục: 5 – 10 mm + Góc bước: 1,8 – 2,5 độ + Điện áp làm việc: 9 – 42 V

+ Tốc độ di chuyển: 80 – 100 mm/s + Động cơ: dẫn động các trục X hoặc Y

+ Có khả năng di chuyển mượt mà và dễ bảo trì

 Dẫn động

+ Chịu được lực kéo cao

+ Có độ bền cơ học cao, khó bị đứt hay xé rách

Năng lượng

+ Điện áp vào: AC 100 – 240V + Tần số: 50-60 Hz

+ Điện áp ngõ ra: 12 - 24 W + Công suất: 40 – 60 W

+ Nhiệt độ môi trường thích hợp: 10-50°C

Tín hiệu

 Đầu vào

+ Phím chức năng: nhận yêu cầu thiết lập từ con người

+ Bộ nhớ: lưu trữ các lệnh và dữ liệu truyền vào

+ Cổng kết nối: Nhận và truyền dữ liệu từ thiết bị ngoại vi + Vi xử lý: Điều khiển toàn bộ hoạt động, xử lý các yêu cầu dữ liệu

+ Cảm biến: Thu nhận các thông tin từ môi trường

 Đầu ra

+ Màn hình: Hiển thị thông số cần khắc

+ Khối gia nhiệt: Nóng chảy vật liệu tới nhiệt độ sử dụng + Khối tản nhiệt: Làm mát động cơ và tản nhiệt cho đầu khắc laser

+ Tín hiệu đèn báo hiển thị + Đèn cảnh báo

 Hiển thị

+ Hiển thị các thông số quá trình in trên màn hình

An toàn

+ Hệ thống: Bảo vệ quá dòng và quá nhiệt

+ Vật liệu: Sử dụng vật liệu thân thiện với môi trường + Con người: Bảo vệ khỏi rò rỉ điện

+ Có hệ thống dừng khẩn cấp + Có hướng dẫn sử dụng an toàn

Quản lý chất lượng

+ Sai số định vị: Trục X: 0.012 mm

10 W

D D W W W D W D D D W

W D

Trục Y: 0.012 mm Trục Z: 0.004 mm + Độ bền: trung bình 2-3 năm + Hao mòn: 5-10% trong 2-3 năm

Bảo trì bảo dưỡng

+ Dễ dàng tháo lắp và thay thế các bộ phận

+ Bảo trì thường xuyên (vệ sinh lau chùi, tra dầu) dễ dàng + Bảo trì định kì 6 tháng 1 lần

+ Chính sách bảo hành: 1-2 năm + Vòng đời sản phẩm: >= 36 tháng

- Kích thước: khung máy và đầu khắc laser phù hợp với môi trường sử dụng là

các nhà máy, xưởng sản xuất

- Cơ cấu chuyển động: động cơ êm ái, không gây tiếng ồn, di chuyển mượt mà,

truyền động ổn định

- Năng lượng: sử dụng nguồn điện tại nơi làm việc

- Tín hiệu vào/ra: chính xác, nhanh nhạy, không có tình trạng nhiễu loạn tín hiệu - An toàn: đàm bảo an toàn về điện, cảnh báo khi có trục trặc hay sự cố xảy ra,

đảm bảo an toàn về con người khi xảy ra vấn đề

- Sản xuất: sản xuất hàng loạt với số lượng lớn, chất lượng sản phẩm cao và tối

ưu hoá chi phi sản xuất

- Bảo trì bảo dưỡng: dễ dàng trong việc tháo lắp để vệ sinh sản phẩm, có thời

gian bảo trì định kì, thời gian bảo hành đẩm bảo và tuổi thọ sản phẩm cao

2.2 Cấu trúc chức năng 2.2.1 Chức năng tổng thể

Hình 2.1 Chức năng tổng thể của máy khắc laser

Chú thích

Đường tín hiệu Đường năng lượng Đường vật liệu

12

2.2.2 Xây dựng cấu trúc chức năng

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng tổng thể của máy khắc laser

14

- Kiểm soát vị trí

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát vị trí

- Kiểm soát tốc độ

Hình 2.8 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát tốc độ

- Kiểm soát nhiệt độ đầu khắc

Hình 2.9 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát nhiệt độ đầu khắc

15

- Kiểm soát cường độ laser

Hình 2.10 Sơ đồ cấu trúc chức năng kiểm soát cường độ laser - Nhập liệu

Hình 2.11 Sơ đồ cấu trúc chức năng nhập liệu

2.3 Phát triển cấu trúc làm việc

Bảng 2.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng của máy khắc laser

Giải pháp Chức năng con

Chống ngắn mạch

16

hướng

11

Kiểm soát vị trí

trình

Cảm biến tiệm cận

cơ

Cảm biến tiếp xúc

tính

cường độ laser

Đo chiều cao vật

chiều cao

cự

Ống kính tiêu cự khác nhau

cao máy 23

Nhập liệu

Thiết lập thông số

17

a Kết hợp nguyên tắc làm việc

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễn như trong bảng… Cụ thể nhưng nguyên tắc được ký hiệu sẽ tạo thành một biến thể Theo bảng…ta có thể thấy có ba biến thể khác nhau được chọn ra tương ứng với biến thể 1, biến thể 2, biến thể 3 Từ đâu ta xét tới tính khả thi của các biến thể được tạo ra

b Lựa chọn biến thể

Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc, ta được 3 biến thể tiểu biểu :

Biến thể 1 : 1.2 – 2.2 – 3.1 – 4.2 – 5.2 – 6.1 – 7.1 – 8.1 – 9.2 – 10.2 – 11.2 – 12.3 – 13.3 – 14.2 – 15.3 – 16.1 – 17.2 – 18.1 – 19.3 – 20.1 – 21.1 – 22.2 – 23.3 – 24.2 – 25.2 – 26.3

Biến thể 2 : 1.2 – 2.1 – 3.1 – 4.1 – 5.1 – 6.2 – 7.1 – 8.3 – 9.3 – 10.1 – 11.1 – 12.1 – 13.2 – 14.1 – 15.2 – 16.2 – 17.3 – 18.3 – 19.1 – 20.2 – 21.2 – 22.1 – 23.2 – 24.3 – 25.1 – 26.1

Biến thể 3 : 1.1 – 2.2 – 3.2 – 4.2 – 5.2 – 6.3 – 7.2 – 8.2 – 9.1 – 10.3 – 11.1 – 12.2 – 13.1 – 14.2 – 15.1 – 16.3 – 17.1 – 18.2 – 19.2 – 20.1 – 21.2 – 22.3 – 23.1 – 24.1 – 25.3 – 26.2

Để lựa chọn ra được biến thể phù hợp nhất, ta tiến hành xây dựng các tiêu chí để đánh giá và so sánh các biến thể Tuy nhiên độ phức tạp và quan trọng của các tiêu chí để đánh giá là khác nhau, vì thế có thể bao quát và thấy được mức độ quan trọng của các tiêu trí, ta xây dựng một xây mục tiêu

Trong cây mục tiêu bao gồm những tiểu chí đặt ra cho biến thể Trong các tiểu chí lớn có những tiểu chí nhỏ hơn được đặt ra Số điểm bên trải (W) là độ quan trọng của tiêu chí đó với tiểu chí lớn hơn, số bên phả (Wt) là độ quan trọng của tiểu chí đó với tổng thể hệ thống hình

2.4 Đánh giá các biến thể

18

Bảng 2.2 Bảng đánh giá tiêu chí 3 biến thể

Điểm tiêu

chí

Điểm đánh giá Biến

thể 1

Biến thể 2

Biến thể 3

1

Hệ thống điện an toàn, ổn

định

Bảo vệ hệ thống điện

Chống

ngắn mạch 0.035 0.015 0.01 0.01 Ngắt khi

quá tải 0.035 0.01 0.015 0.01 Chuyển đổi điện-cơ 0.04 0.02 0.01 0.01 Chuyển đổi điện-quang 0.04 0.02 0.01 0.01

2

Chất lượng

khắc

Kiểm soát cường đô

laser

Đo chiều

cao vật 0.1 0.03 0.04 0.03 Thay đổi

tiêu cự 0.1 0.05 0.025 0.025

3 Hoạt động trơn chu Dẫn động

Truyền

động 0.06 0.025 0.02 0.015 Dẫn

hướng 0.05 0.01 0.02 0.02 Giảm tốc 0.09 0.02 0.03 0.04

4

Khả năng ứng biến linh hoạt

Kiểm soát vị trí

Đo vị trí 0.025 0.01 0.007 0.008 Hiển thị 0.015 0.004 0.007 0.004 Điều chỉnh

vị trí 0.03 0.01 0.015 0.005

Khống chế tốc độ

Đo tốc độ 0.025 0.008 0.01 0.007 Hiển thị 0.015 0.007 0.004 0.004 Điều chỉnh

tốc độ 0.03 0.015 0.007 0.008

Kiểm soát nhiệt độ đầu khắc

laser

Đo nhiệt

Hiển thị 0.015 0.004 0.004 0.007 Báo quá

nhiệt 0.02 0.01 0.005 0.005 Tản nhiệt 0.045 0.025 0.02 0.025

5 Cài đặt

vận hành Nhập liệu

Nhập lệnh 0.02 0.008 0.006 0.006 Truyền dữ

liệu 0.025 0.007 0.01 0.008

19

Bộ nhớ 0.03 0.008 0.015 0.007 Hiển thị 0.025 0.009 0.01 0.006 Dừng khẩn cấp 0.05 0.03 0.01 0.01

Có thể thấy biến thể 1 có giá trị tổng thể cao nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất với trọng số chiếm 39,5% Tuy nhiên biến thể 2 theo sát phía sau Với xếp hạng trọng số là 33%, biến thể 1 đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kê phương án

20

NỘI DUNG 3 THIẾT KẾ CỤ THỂ

3.1 Thiết kế sơ bộ 3.1.1 Tạo sơ đồ hệ thống

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống

3.1.2 Nhóm chức năng

Hình 3.2 Nhóm chức năng hệ thống

21 Chú thích

Khối nguồn Khối bảo vệ

22 Chú thích

Khối nguồn Khối bảo vệ

3.1.4 Xác định layout thô – xác định các bộ phận thực hiện chức năng chính

Đây là một bước quan trọng trong việc thiết kế lớp sản phẩm Từ các khối chức năng tổng hợp được, nhóm thiết kế sẽ tiến hành bố trí hình học cho sản phẩm máy khắc laser bằng việc xây dựng một bản phác thảo biểu thị rõ vị trí hình học tương đối giữa các khối trong sản phẩm sao cho sản phẩm có thể hoạt động một cách thuận tiện nhất có thể Sau khi định hình layout vị cho các bộ phận, ta tiến hành ghép nhóm cho một số các các cụm bộ phận có chung thiết kế để bố trí trí hình học và có được bố trí hình học tương quan giữa các layout như sau