THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY GẮN CHIP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY GẮN CHIP” GVHD: NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: MAI TRỌNG NHÂN 12146127 LÊ QUANG NHẬT 12146129 NGUYỄN VĂN NHỚ 12146131 LỚP KHÓA: 20122016 121462 Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2016TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY GẮN CHIP” GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: MAI TRỌNG NHÂN 12146127 LÊ QUANG NHẬT 12146129 NGUYỄN VĂN NHỚ 12146131 LỚP KHÓA: 20122016 121462 Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 07 năm 2016i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY Độc lập Tự do – Hạnh phúc Bộ môn Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS. NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH Sinh viên thực hiện: MAI TRỌNG NHÂN MSSV: 12146127 LÊ QUANG NHẬT MSSV: 12146129 NGUYỄN VĂN NHỚ MSSV: 12146131 1. Tên đề tài: “Thiết kế chế tạo máy gắn chip” 2. Các số liệu, tài liệu ban đầu: .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 3. Nội dung chính của đồ án: Nghiên cứu và chế tạo máy gắn chip có khả năng gắn chip theo tọa độ được nhập sẵn theo board mạch được thiết kế sẵn. 4. Các sản phẩm dự kiến .................................................................................................................................. .................................................................................................................................. 5. Ngày giao đồ án: 2922016 6. Ngày nộp đồ án: 2772016 TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)  Được phép bảo vệ ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên)i 1 LỜI CAM KẾT Tên đề tài: MÁY GẮN CHIP GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH Ho ̣tên sinh viên: LÊ QUANG NHẬT MSSV: 12146129 MAI TRỌNG NHÂN MSSV: 12146127 NGUYỄN VĂN NHỚ MSSV: 12146131 Địa chỉ sinh viên: 511 Đường Lê Văn Chí Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh. Số điện thoại liên lạc: 01678949753. Email: 12146129hcmute.edu.vn. Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN): 2772016 Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khoá luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm”. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 07 năm 2016 Ký tênii 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án, nhóm em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, đóng góp ý kiến và chỉ bảo nhiệt tình của thầy cô, gia đình và bạn bè. Để thực hiện thành công đề tài này, nhóm em chân thành cảm ơn các thầy cô và nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em trong quá trình thực hiện đồ án, về tài nguyên, kiến thức cũng như những hổ trợ khác. Nhóm em đặc biệt cảm ơn sự chỉ dạy và hổ trợ của thầy PSG.TS Nguyễn Trường Thịnh đã giúp đỡ chúng em rất nhiều khi làm đề tài. Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè, đã luôn tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp. Tp. Hồ Chí Minh, Tháng 7 năm 2016 Nhóm sinh viên thực hiệniii 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong thời buổi công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế, khoa học kỹ thuật phát triển nhanh chóng, mọi thứ đang từng ngày thay đổi rất nhanh, thì bên cạnh đó sự thay đổi trong nền công nghiệp hiện đại cũng là điều tất yếu. Những dụng cụ thô sơ dần được thay thế bằng những máy móc hiện đại hơn, nhằm tăng năng suất, đạt được hiệu quả cũng như chất lượng tốt nhất, và còn tiết kiệm được thời gian. Trong các ngành công nghiệp nói chung và ngành công nghiệp điện tử nói riêng, thì việc sử dụng máy móc cũng đã và đang phát triển mạnh mẽ, ta có thể tạo ra nhiều mạch điện tử với nhiều nhiệm vụ khác nhau một cách dễ dàng, góp phần phát triển vào ngành công nghiệp sản xuất mạch điện tử một cách hiệu quả. Trong luận văn này, chúng tôi thực hiện thiết kế và chế tạo một hệ thống cơ khí có khả năng gắn chip vào board mạch có sẵn, có thể mang lại năng suất cao và hiệu quả tốt hơn.iv 1 ABSTRACT In the period of industrialization and modernization of the country, economy science and technology develope rapidly, so the changes in modern industry is inevitable. these rudimentary instrument were replaced by more modern machinery, in order to enhance productivity as well as achieve the best quality and save time. In the general industry and electronics industry in particular, the use of machinery has also been strong growth, we can create electronic circuits with many different tasks with ease , contributing to the development in manufacturing industry of electronic circuit effectively. In this thesis, we design and manufacture the mechanical symtems, which inductor by magnetic field in order to bend the steel under the processing request, bring the best productivity and efficiency.v 2 MỤC LỤC 1 LỜI CAM KẾT .................................................................................................. 1 2 LỜI CẢM ƠN.................................................................................................... ii 1 TÓM TẮT ĐỀ TÀI .......................................................................................... iii 1 ABSTRACT ..................................................................................................... iv 2 MỤC LỤC ......................................................................................................... v 3 DANH MỤC HÌNH ẢNH .............................................................................. viii 4 DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... x 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI............................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề: ......................................................................................... 1 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu: ....................................................................... 1 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: ...................................... 1 1.2.1 Nước ngoài: ....................................................................................... 1 1.2.2 Trong nước: ....................................................................................... 4 1.3 Mục tiêu đề tài: .................................................................................. 4 2 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ CHẾ TẠO ......... 5 2.1 Các phương án di chuyển của trục tọa độ:......................................... 5 2.1.1 Phương án board cố định: .................................................................. 5 2.1.2 Phương án board di chuyển trên 1 trục: ............................................. 6 2.1.3 Phương án board di chuyển trên 2 trục: ............................................. 7 2.1.4 Phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác:...................... 8 2.2 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu:.............................................. 8 2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động: ........................................................... 9 2.3.1 Vít me – đai ốc: .................................................................................. 9 2.3.2 Bộ truyền động dây đai:................................................................... 10 2.3.3 Bộ dẫn hướng:.................................................................................. 12 2.3.4 Các số liệu dùng trong thiết kế: ....................................................... 14 2.4 Vẽ thiết kế khung máy:.................................................................... 16vi 2.5 Lựa chọn cơ cấu công tác: ............................................................... 19 2.6 Mô phỏng ứng suất và chuyển vị: .................................................... 21 2.7 Tính toán thông số các bộ truyền:.................................................... 26 2.7.1 Chọn động cơ cho trục Z: ................................................................ 26 2.7.2 Chọn động cơ cho trục X: ................................................................ 27 2.7.3 Chọn động cơ cho trục Y: ................................................................ 28 2.8 Lựa chọn loại động cơ: .................................................................... 28 3 Chương 4: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY ........................ 31 3.1 Động học của máy: .......................................................................... 31 3.2 Động học vận tốc và động lực học của máy:................................... 33 4 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA MÁY 35 4.1 Các thiết bị điện: .............................................................................. 35 4.1.1 Nguồn chính của hệ thống: .............................................................. 35 4.1.2 Bộ điều khiển trung tâm: ................................................................. 35 4.1.3 Driver và động cơ bước(Motor): ..................................................... 35 4.1.4 Bộ điều khiển trung gian: ................................................................ 35 4.1.5 Bơm hút chân không SMT (Vacuums):........................................... 35 4.2 Mạch điện của hệ thống: .................................................................. 35 4.3 Cấu trúc của bộ điều khiển: ............................................................. 37 4.3.1 Phương pháp nội suy: ...................................................................... 38 4.4 Bộ điều khiển dùng trong hệ thống: ................................................ 44 4.4.1 Giới thiệu tổng quan: ....................................................................... 44 4.4.2 Giới thiệu về mạch điều khiển động cơ bước A4988. ..................... 48 4.5 Giải thuật nội suy: ............................................................................ 51 4.6 Lưu đồ giải thuật của hệ thống: ....................................................... 52 5 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ THỰC NGHIỆM ....................... 54 5.1 Máy gắn chip: .................................................................................. 54 5.2 Kiểm tra sai số của máy................................................................... 55 5.3 Thông số công nghệ: ........................................................................ 56vii 5.4 Giao diện của máy ........................................................................... 56 5.5 Kết quả đạt được: ............................................................................. 58 5.6 Đề nghị hướng phát triển: ................................................................ 58 6 Tài liệu tham khảo ........................................................................................... 59 3 4 5 6 7 8 9 10 11viii 12 13 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Thiết bị gắn chip SM421 của Samsung. ..................................................... 1 Hình 1.2 Board mạch sau khi hàn gắn bằng máy tự động ......................................... 2 Hình 1.3 Máy cấp linh kiện SMD. ............................................................................ 3 Hình 1.4 Máy gắn linh kiện. ...................................................................................... 3 Hình 1.5 Một dây chuyền gắn linh kiện ở Việt Nam ................................................ 4 Hình 2.1 Phương án board cố định. ........................................................................... 5 Hình 2.2 Phương án board đặt lên bàn trượt theo một trục. ...................................... 6 Hình 2.3 Phương án đặt board lên bàn trượt theo hai trục. ....................................... 7 Hình 2.4 Phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác................................ 8 Hình 2.5 Bộ truyền vít me – đai ốc ma sát trượt ....................................................... 9 Hình 2.6 Bộ truyền động dây đai............................................................................. 11 Hình 2.7 Thanh trượt. .............................................................................................. 12 Hình 2.8 Sơ đồ động học của cơ cấu gắn chip. ....................................................... 13 Hình 2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống. ...................................................................... 14 Hình 2.10 Nhôm PROFILE 20 X 20 (Chân đế). ..................................................... 15 Hình 2.12 Trục Z khung máy 1. .............................................................................. 17 Hình 2.13 Mặt trước khung máy 2. ......................................................................... 18 Hình 2.14 Các trục của khung máy2. ...................................................................... 18 Hình 2.15 Phương án 1 cơ cấu tay gắp. ................................................................... 19 Hình 2.16 Phương án 2 sử dụng hút chân không. ................................................... 20 Hình 2.17 Cơ cấu cấp mạch..................................................................................... 21 Hình 2.18 Ứng suất của của chân đế ....................................................................... 22 Hình 2.19 Độ chuyển vị nhôm PROFILE 20 x 20(chân đế) ................................... 22 Hình 2.20 Ứng suất của nhôm PROFILE 20 x 20 (Trục Y). .................................. 23 Hình 2.21 Chuyển vị của nhôm PROFILE 20 x 20(Trục Y). ................................. 23 Hình 2.22 Ứng suất của nhôm PROFILE 20 x 20(Trục X). ................................... 24ix Hình 2.23 Chuyển vị của nhôm PROFILE 20 x 20................................................. 24 Hình 2.24 Mô phỏng ứng suất. ................................................................................ 25 Hình 2.25 Mô phỏng chuyển vị. .............................................................................. 26 Hình 2.26 Động cơ bước NEMA 17 JAPAN. ......................................................... 28 Hình 2.27 Board điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4.............................................. 29 Hình 3.1 Mô hình hóa máy gắn chip dưới mô hình robot....................................... 31 Hình 4.1 Sơ đồ điện của hệ thống ........................................................................... 36 Hình 4.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển. ........................................................ 36 Hình 4.3 Sơ đồ của bộ điều khiển. .......................................................................... 38 Hình 4.4 Khái niệm cơ bản của nội suy. ................................................................. 39 Hình 4.5 Thuật toán midpoint. ................................................................................ 41 Hình 4.6 Điểm tròn với các điểm đối xứng. ............................................................ 43 Hình 4.7 Đường tròn với khoảng cách d1 và d2. .................................................... 43 Hình 4.8 Sơ đồ tổng quan của một mạch điều khiển............................................... 44 Hình 4.9 Dirver điều khiển động cơ bước A4988 .................................................. 49 Hình 4.10 Sơ đồ kết nối của mạch điều khiển A4988. ........................................... 50 Hình 4.11 Sơ đồ giải thuật nội suy .......................................................................... 51 Hình 4.12 Quỹ đạo của đầu công tác....................................................................... 51 Hình 4.13 Quỹ đạo chạy của đầu công tác theo thuật toán nội suy. ....................... 52 Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật của hệ thống ............................................................... 53 Hình 5.1 Mặt trước của máy gắn chip. .................................................................... 54 Hình 5.2 Mặt trên của máy gắn chip. ...................................................................... 55 Hình 5.3 Giao diện màn hình LCD. ........................................................................ 57 Hình 5.4 Bảng điều khiển của máy. ........................................................................ 57x 14 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Khối lượng các chi tiết trong máy. .......................................................... 14 Bảng 2.2 Số liệu về ứng suất, chuyển vị, chiều dài của các bộ phận khung máy. .. 25 Bảng 3.1 Bảng tham số DEVANIT – HARTENBERG. ......................................... 32 Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560............................................. 46 Bảng 5.1 Kích thước của máy gắn chip................................................................... 54 Bảng 5.2 Thông số công nghệ cuả máy................................................................... 56xi DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 5.1 Dung sai theo phương X. ..................................................................... 55 Biểu đồ 5.2 Dung sai theo phương Y. ..................................................................... 561 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề: 1.1.1 Đối tượng nghiên cứu: Trong các nhà máy sản xuất board mạch điện tử hiện nay, hầu hết việc găn các linh kiện điện tử vào board mạch đều được thực hiện bằng tay bởi công nhân. Bên cạnh đó việc gắn các linh kiện điện tử có chính xác hay không cũng phụ thuộc phần lớn vào tình trạng sức khỏe, độ tập trung của công nhân. Do đó việc gắn linh kiện điện tử vào board mạch điện tử không đảm bảo được độ chính xác cao. Phương pháp gắn linh kiện điện tử bằng máy móc tự đông là phương pháp tối ưa nhất. Việc sử dụng máy móc tự động vào quá trình hàn gắn linh kiện được ứng dụng từ lâu ở nước ngoài. Phương pháp gắn linh kiện điện tử hiện nay đang được đưa vào sử dụng nhiều hơn và cũng bước đầu được đưa vào sử dụng ở các nhà máy Việt Nam. 1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: 1.2.1 Nước ngoài: Quy trình hàn gắn linh kiện điện tử rất là phổ biến ở nước ngoài. Hình 1.1 là một thiết bị của Samsung được dùng để gắn chip. Hình 1.1 Thiết bị gắn chip SM421 của Samsung.2 Hình 1.2 Board mạch sau khi hàn gắn bằng máy tự động Hiện nay, các ngành công nghiệp điện tử trên thế giới hầu hết đều ứng dụng máy móc tự động vào việc gắn linh kiện điện tử. 1.2.1.1 Các máy tự động được dùng hiện nay : Trong các nhà máy sản xuất board mạch điện tử trên thế giới, thường sử dụng máy móc tự động được dùng để gắn chip hiện nay là : a. Máy cấp linh kiện : Mỗi linh kiện điện tử được đặt trong một túi trên một cuộn băng để đưa vào máy và linh kiện được hút ra bằng vòi chân không trên đầu cắm. Một hệ thống kiểm tra quang học kiểm tra lại cách bố trí và vị trí của mỗi linh kiện, sắp xếp chính xác cho đúng với vị trí. Hình 1.3 là loại máy có thể cung cấp linh kiện SMD tự động tại nhà máy Sony ở Pencoed, xứ Wales, nước Anh..3 Hình 1.3 Máy cấp linh kiện SMD. b. Máy gắn linh kiện: Hình 1.4 Máy gắn linh kiện. Các linh kiện điện tử được gắn lên board bằng máy tự động (Hình 1.4). các máy này có thể cắm được gần 25000 linh kiện mỗi, gắn từng linh kiện một cách chớp nhoáng và chính xác. Máy tự động (Hình 1.4) được sử dụng tại nhà máy sản xuất Raspberry Pi ở nước Anh.4 1.2.2 Trong nước: Tại các nhà máy sản xuất board mạch ở Việt Nam, quá trình hàn gắn linh kiện điện tử vào board phần lớn đều có sự tham gia của công nhân. Việc lựa chọn phương pháp thủ công sử dụng công nhân vào việc gắn linh kiện điện tử là để tiết kiệm chi phí ban đầu cho việc gắn linh kiện. Hình 1.5 Một dây chuyền gắn linh kiện ở Việt Nam 1.3 Mục tiêu đề tài: Với những ưu điểm đã nêu ở trên, đề tài sẽ đi vào nghiên cứu và chế tạo theo những tiêu chí sau:  Phương pháp tối ưu hóa quá trình gắn chip tự động.  Tự động hóa quá trình gắn chip vào board mạch có sẵn.  Nâng cao chất lượng cũng như năng suất, hiệu quả kinh tế trong quá trình gắn chip.5 2 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ CHẾ TẠO Để thực hiện gắn chip vào khe cắm chip, ta cần một hệ thống cơ khí có khả năng di chuyển đầu công tác từ vị trí khay chứa chip rồi mang chip tới vị trí của khe chip trên board. 2.1 Các phương án di chuyển của trục tọa độ: 2.1.1 Phương án board cố định: Hình 2.1 Phương án board cố định. Đặc điểm của phương án này: Board được cố định nên giảm thiểu sai số vị trí và sai số khi di chuyển. Trục Y ngoài chuyển động của nó còn kèm theo chuyển động trục X và trục Z do đó cần chế tạo cơ hệ có kết cấu vững chắc đảm bảo sự di chuyển ổn định của cơ hệ. Trục Z mang theo đầu giác hút. Phương án này board phải thay liên tục bằng tay nên không khả thi.6 2.1.2 Phương án board di chuyển trên 1 trục: Hình 2.2 Phương án board đặt lên bàn trượt theo một trục. Đặc điểm của phương án này: Board được gá đặt lên bàn trượt có thể di chuyển tịnh tiến. Ít rung động cho cơ hệ hơn phương án đặt board cố định. Tuy nhiên, khi board di chuyển dọc trục Y sẽ xuất hiện sai số khá lớn nếu cơ cấu truyền động trục Y không tốt.7 2.1.3 Phương án board di chuyển trên 2 trục: Hình 2.3 Phương án đặt board lên bàn trượt theo hai trục. Phương án này có những đặc điểm như sau: Board được gá đặt trên bàn trượt có thể chuyển động tịnh tiến theo 2 trục. Trục Z mang theo đầu hút. Đầu hút chỉ đứng yên một chỗ nên không thể lấy chip.8 2.1.4 Phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác: Hình 2.4 Phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác Phương án này có những đặc điểm như sau: Trục Z mang theo đầu hút. Khi thanh trượt trục X, Y di chuyển sẽ thay đổi vị trí của trục Z. Board được gá đặt trên bàn trượt có thể chuyển động tịnh tiến theo một trục. Board di chuyển không bị ảnh hưởng bởi các trục còn lại, hoạt động một cách độc lập. 2.2 Lựa chọn phương án di chuyển tối ưu: Trong thiết kế máy công cụ nói chung cũng như máy CNC nói riêng, cần đảm bảo sự ổn định cũng như sự rung động của máy ở mức chấp nhận được. Đối với phương án đặt board cố định, board mạch không được cấp tự động, gây khó khăn trong quá trình cung cấp board. Khối lượng di chuyển lớn dẫn đến sự rung động nhưng do khối lượng của đầu công tác không lớn nên không ảnh hưởng nhiều. Đối với phương án đặt board trên bàn trượt theo một hay hai trục thì giảm được kích thước của máy và tăng độ linh hoạt của máy nhưng không thể gắn chip liên tục được. Quá trình cấp chip không được linh hoạt. Đối với phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác, board mạch được cấp liên tục và hoạt động độc lập. Đầu công tác di chuyển linh hoạt có thể tới bất kỳ vị trí khác nhau. Theo yêu cầu của đề tài, board được cấp tự động và sau khi gắn chip xong sẽ được đưa ra ngoài tự động. Quá trinh di chuyển đầu công tác không sử dụng lực cắt nên lựa chọn phương án board di chuyển độc lập với đầu công tác.9 2.3 Lựa chọn cơ cấu truyền động: Với yêu cầu đặt ra cho máy là gắn nhiều chip vào một board có kích thước có kích thước giới hạn 41mm x 51mm và kích thước của chip 27mm x 9mm. Vì vậy, việc lựa chọn đầu công tác phải phù hợp với khích thước của chip. Ngoài ra, việc lựa chọn hành trình của đầu công tác và cấp board cũng phải phù hợp với khay chứa chip và kích thước của board. Do yêu cầu của để tài, mô hình được chia ra làm hai phần: phần cấp board và phần cấp chip. Với phần cấp board: chọn cơ cấu vít me – đai ốc. Với phần cấp phôi trục X và trục Y chọn cơ cấu bánh răng – dây đai. Trục Z có hành trình chuyển động động nhỏ, độ phân giải cao nên chọn cơ câu vít me – đai ốc. 2.3.1 Vít me – đai ốc: Vít me – đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren( giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên trục vít me) để biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Tuỳ theo tính chất tiếp xúc của cặp ren người ta chia làm hai loại: ma sát trượt và ma sát lăn. Vít me – đai ốc ma sát trượt: Hình 2.5 Bộ truyền vít me – đai ốc ma sát trượt Vít me – đai ốc ma sát trượt thường có bước ren nhỏ nên tốc độ của đai ốc sẽ nhỏ bù lại độ chính xác đạt được khá cao. Thêm một ưu điểm nữa là khả năng tạo lực10 đẩy dọc trục lớn. Tuy nhiên do ma sát trượt nên ren của trục vít và đai ốc mòn rất nhanh dẫn đến độ chính xác giảm nhanh chóng. Hiệu suất của bộ truyền ma sát trượt cũng không cao chỉ từ 3040% . Vít me được gắn đồng trục với động cơ. Khi động cơ quay, vít me quay. Động cơ và vít me được gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me. Đai ốc được gắn chặt vào bộ phận cân chuyển động (trục x,y), Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động. Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít. Vì vậy tốc độ di chuyển nhanh nhưng lại có độ chính xác khi di chuyển không cao. Tạo lực đẩy nhỏ khi gia công vật mẫu. Phương án này thường dùng trong các máy CNC công nghiêp. Từ những đặc điểm trên, để phù hợp với kích thước của khung máy, những trục vít me đai ốc được chọn để truyền động cho trục Z. Các thông số trục vít như sau: + Chiều dài trục vít : 120 mm. + Đường kính trong d1: 8 mm. + Bước ren : 4 mm. + Số mối ren : 4 mối. + vít me – đai ốc ma sát trượt Chọn trục vít me đai ốc cho phần cấp board. Các thông số trục vít như sau: + Chiều dài trục vít : 330 mm. + Đường kính trong d1: 8 mm. + Bước ren : 4 mm. + Số mối ren : 4 mối. + Vít me – đại ốc ma sát trượt. 2.3.2 Bộ truyền động dây đai: Bộ truyền dây đai là bộ truyền sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai đầu của đai được đặt vào 2 cái lỗ có cùng kích thước răng cưa với đai. Một lỗ bắt chặt vào trực động cơ, còn lỗ kia được gắn vào một trục quay ở phía bê kia của khu vực chuyển động, sao cho lỗ có thể quay tự do tại chỗ. Khi quay toàn bộ đai dịch chuyển và kéo theo bánh răng, vít me di chuyển theo.11 Hình 2.6 Bộ truyền động dây đai Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc động cơ và đường kính lỗ . Một vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng chu vi lỗ. Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển chậm nhưng độ chính xác cao lực đẩy lớn. Ưu, nhược điểm của bộ truyền dây đai:  Có thể truyền động giữa các trục xa nhau (>15m)  Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, do đó có thể truyền động với vận tốc lớn.  Tránh cho các cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải.  Kết cấu và vận hành đơn giản (do không cần bôi trơn), giá thành hạ. Nhược điểm:  Kích thước bộ truyền lớn ( kích thước lớn hơn 5 lần so với bộ truyền bánh răng nếu truyền cùng công suất)  Tỷ số truyền làm việc thay đổi do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng)  Tải trọng tác động lên trục và ổ lớn (lớn hơn 2 ÷ lần so với bộ truyền bánh răng) do phải căng đai ban đầu.  Tuổi thọ thấp (từ 1000 ÷ 5000 giờ) Sử dụng: Bộ truyền đai thường sử dụng khi khoảng cách giữa hai trục tương đối xa. Công suất truyền không quá 50 KW và thường đặt ở trục có số vòng quay cao.12 Vì những ưu nhược điểm đã được nêu nên chọn cơ cấu truyền động bánh đai – con trượt. 2.3.3 Bộ dẫn hướng: 2.3.3.1 Dẫn hướng bằng thanh trượt: Hình 2.7 Thanh trượt. Thanh trượt (Hình 2.10) hiện nay chủ yếu dùng các con lăn hình trụ hoặc dùng các viên bi bằng thép. Các viên bi được đặt trong hai rãnh ở hai phía của con trượt, giúp con trượt di chuyển nhẹ nhàng mà không tạo ra tiếng ồn. Sử dụng thanh trượt giúp việc lắp đặt và bảo dưỡng dễ dàng. Đối với việc gắn chip có kích thước nhỏ nên không đòi hỏi kích thước máy lớn, chiều dài hai trục X, Y không cần lớn không thể sử dụng bộ truyền rãnh mang cá do khó gá đặt, khối lượng lớn. Phương án sử dụng thanh trượt là tối ưu vì chiều dài và khối lượng thanh trượt phù hợp với yêu cầu. Do kích thước và khối lượng thiết bị tương đối nhỏ (khoảng 2 kg) nên lựa chọn thanh trượt dẫn hướng với các thông số: Trục Y: kích thước thanh trượt 15x10x520 mm. Trục X: kích thước thanh trượt 25x10x420mm. Tại trục vít me ma sát trượt trục Z, thanh trượt và trục vít được đặt song song với nhau và gắn chặt vào tấm đỡ. Thanh trượt sẽ là nhiệm vụ dẫn hướng và chia sẻ một phần tải trọng với trục vít. Kết cấu của mô hình máy gắn chip: Từ những yêu cầu về kích thước phôi, điều kiện gia công thì cấu trúc tổng thể của máy đã được xây dựng như sau:13 Hình 2.8 Sơ đồ động học của cơ cấu gắn chip. Kết cấu chung như (Hình 2.11) bao gồm: + Trục Z: mang chip ( đầu giác hút ). Di chuyển lên xuống bằng trục vít me ma sát trượt. Động cơ truyền động thông qua hộp giảm tốc 1:30 có tự hãm. + Trục Y: mang theo kết cấu của hai trục X và Z bằng các tấm đỡ và thùng đỡ. Động cơ truyền động thông qua nối trục, bộ truyền bánh răng thanh răng và hai cặp bánh lăn. + Trục X: các tấm đỡ mang theo kết cấu của trục Z và kết nối với thanh trượt bi bằng các con trượt. Động cơ truyền động qua nối trục và bộ truyền bánh răng thanh răng. Dẫn hướng bằng hai thanh trượt bi. + Trục X Workpiece mang theo board mạch. Di chuyển theo phương X bằng trục vít me ma sát trượt. Động cơ truyền động thông qua nối trục.14 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống: Hình 2.9 Sơ đồ lắp ráp của hệ thống. 2.3.4 Các số liệu dùng trong thiết kế: Khối lượng chi tiết được tính theo công thức: M=V.D M: khối lượng của chi tiết. V: thể tích của chi tiết. D: khối lượng riêng. Bảng 2.1 Khối lượng các chi tiết trong máy. STT Tên Số Lượng Khối lượng (Kg) 1 Nhôm định hình 10 2,37 2 Thanh ray trượt 3 1,6 3 Động cơ 5 1,24 4 Ổ lăn 6 0,6 5 Trục vít me 2 0,5 6 Đồ gá động cơ 3 0,8 7 Plastic 0,9 Tổng 8,0115 Thông số của nhôm định hình PROFILE 20 X 20 (Dùng làm đế ): Hình 2.10 Nhôm PROFILE 20 X 20 (Chân đế). Chiều dài: 150mm. Moment quán tính theo trục X : lx = 0,2 g.m2 . Moment quán tính theo trục Y : ly = 0,2 g.m2. Khối lượng riêng : 3,096 kgm2. Thông số của nhôm định hình PROFILE 20 X 20 W (Dùng làm trục Y): Chiều dài : 500mm. Khối lượng : 345,44 g. Moment quán tính theo trục X : lx = 7,2 g.m2. Moment quán tính theo trục Y : ly = 7,2 g.m2. Khối lượng riêng : 3, 096 kgm2. Thông số của nhôm định hình PROFILE 20 X 20 W (Dùng làm trục X): Chiều dài : 412 mm. Khối lượng : 284,64 g.16 Moment quán tính theo trục X : lx = 4,03 g.m2. Moment quán tính theo trục Y : ly = 4,03 g.m2. Khối lượng riêng : 3, 096 kgm2. 2.4 Vẽ thiết kế khung máy: Dựa vào những tiêu chí đã đề ra, và các thiết bị đã lựa chọn, nhóm đã đưa ra 2 phương án thiết kế khung máy như (hình 2.11) và (hình 2.13). Phương án thiết kế khung máy 1: Hình 2.11 Mặt trước khung máy 1.17 Hình 2.12 Trục Z khung máy 1. Ưu điểm: Do sử dụng vật liệu là nhôm định hình nên giảm được đáng kể khối lượng của máy. Khung máy vẫn giữ được độ cứng vững cần thiết và dễ dàng cho khi sử dụng, cũng như bảo trì hoặc sữa chữa. Nhược điểm: Độ cứng vững của máy không phù hợp khi chạy tốc độ cao, dễ gây ra sai số, do nhôm là vật liệu khá mềm (mềm hơn so với thép).18 Phương án thiết kế khung máy 2: Hình 2.13 Mặt trước khung máy 2. Hình 2.14 Các trục của khung máy2.19 Ưu điểm: Có thể vừa đáp ứng được yêu cầu tự động cấp board cũng như gắn chip. Khung máy gọn nhẹ có thể di chuyển nhanh gọn Nhược điểm: Độ cứng vững của máy không phù hợp khi chạy tốc độ cao, dễ gây ra sai số, do nhôm là vật liệu khá mềm (mềm hơn so với thép).  Lựa chọn phương án 2 để thi công khung máy, do khung máy 2 đáp ứng đủ các yêu cầu cần thiết của đề tài, và sử dụng chi phí rẻ hơn. 2.5 Lựa chọn cơ cấu công tác: Phương án 1: cơ cấu gắp: Hình 2.15 Phương án 1 cơ cấu tay gắp. Đặc điểm: Ưu điểm: Điều khiển dễ dàng, có thể gắp chip nhanh gọn. Nhược điểm: Dễ bị va chạm với các bộ phận khác trong mô hình.20 Phương án 2: Sử dụng hút chân không: Hình 2.16 Phương án 2 sử dụng hút chân không. Đặc điểm: Ưu điểm: Cơ cấu nhỏ gọn, hút được những vật nhỏ, gọn, nhẹ như là chip một cách dễ dàng. Nhược điểm: Phải sử dụng thêm máy bơm chân không để đi kèm với giác hút chân không.  Lựa chon phương án 2 để hút chip từ khay chứa chip tới board mạch cần gắn chip vì quỹ đạo của hút chân không chỉ là một đường thẳng nên ít bị va chạm với các bộ phận khác của mô hình.21 2.6 Lựa chọn cơ cấu cấp mạch: Hình 2.17 Cơ cấu cấp mạch. Cơ cấu hoạt động bằng cách: Mạch được đặt vào đồ gá ở đầu hành trình. Sau đó động cơ hoạt động đưa mạch di chuyển vào trong. Khi đến cuối hành trình, mạch được đưa lên trên để quá trình gắn chip được hoạt động. Ưu điểm: Cơ cấu hoạt động đơn giản, động cơ chỉ cần hoạt động thì có thể đưa mạch lên xuống một cách dễ dàng. 2.7 Mô phỏng ứng suất và chuyển vị: Sử dụng modun Simulation của Solidworks, ta có thể đặt các điều kiện biên cũng như đặt các tải trọng thử nghiệm lên kết cấu máy để có thể tính được độ bền, tìm ra các điểm có ứng suất nguy hiểm từ đó có phương án thay thế, hoàn thiện các bộ phận máy thật. Ở đây ta chỉ xét ứng suất và chuyển vị của máy tại trạng thái tĩnh ở một vị trí cố định, trục Z có cấu tạo phức tạp nên không thể phân tích được mà chỉ phân tích các chi tiết: thanh nhôm PROFILE 20 x 20 bao gồm trục x, y và chân đế.22 + Nhôm PROFILE 20x20 ( Dùng làm chân đế ): Hình 2.18 Ứng suất của của chân đế Hình 2.19 Độ chuyển vị nhôm PROFILE 20 x 20(chân đế)23 Thanh nhôm PROFILE 20 x 20 có chiều dài 150 mm được dùng làm chân đế của máy. Ứng suất max là 702772 Nm2 và ứng suất min là 337071 Nm2. Chuyển vị U = 0.000223654 (mm). + Nhôm PROFILE 20 x 20 ( Dùng làm trục Y): Hình 2.20 Ứng suất của nhôm PROFILE 20 x 20 (Trục Y). Hình 2.21 Chuyển vị của nhôm PROFILE 20 x 20(Trục Y).24 Thanh nhôm PROFILE 20 x 20 có chiều dài 500mm và được cố định 2 đầu, ứng suất max là 6.54969e + 6 Nm2 và ứng suất min là 3078.31 Nm2. Chuyển vị trong máy như Hình 2.31 tương đối nhỏ U = 0.0125595 (mm). + Nhôm PROFILE 20 x 20 ( Dùng làm trục X ): Hình 2.22 Ứng suất của nhôm PROFILE 20 x 20(Trục X). Hình 2.23 Chuyển vị của nhôm PROFILE 20 x 20.25 Thanh nhôm PROFILE 20 x 20 có chiều dài 412mm được dùng làm trục X của máy, cố định 2 đầu. Ứng suất max là 5.07635e +6 Nm2 và ứng suất min là 4086.63 Nm2. Chuyển vị U = 0.00727121 (mm). Bảng số liệu của các trục sau khi mô phỏng ứng với lực phải chịu là 100 (N). Bộ phận Ứng suất Chuyển vị(mm) Chiều Max(Nm2) Min(Nm2) dài(mm) Chân đế 702772 337071 0.000223654 150 Trục Y 6.54969e + 6 3078.31 0.0125595 500 Trục X 5.07635e +6 4086.63 0.00727121 412 Bảng 2.2 Số liệu về ứng suất, chuyển vị, chiều dài của các bộ phận khung máy. Dựa vào các số liệu bảng 2.2 ta thấy được độ chuyển vị của các trục là vô cùng nhỏ so với chiều dài của các trục nên các trục sẽ không bị ảnh hưởng trong quá trình hoạt động. Ngoài ra, ứng suất tối đa mà các trục có thể chịu được cũng lớn. Kết luận: Có thể sử dụng các trục trên. + Phần đồ gá chịu lực nhiều nhất: Hình 2.24 Mô phỏng ứng suất.26 Hình 2.25 Mô phỏng chuyển vị. Đồ gá được sử dụng có bề dày 5 mm, mô phỏng ứng suất và chuyển vị như Hình 2.24 và Hình 2.25 . Ứng suất max là 2.72054e+7 Nm2 và ứng suất min là 1624.29 Nm2 .Chuyển vị U = 1.662e1 (mm). Với các số liệu thu được sau khi mô phỏng, ta thấy được độ chuyển vị của độ gá động cơ là vô cùng nhỏ. Kết luận: có thể sử dụng đồ gá này. 2.8 Tính toán thông số các bộ truyền: 2.8.1 Chọn động cơ cho trục Z: Dùng bộ truyền vítme đai ốc ma sát trượt để tịnh tiến đầu giác hút lên xuống. Vì chip có khối lượng rất nhỏ nên ta giả định khối lượng của đầu công tác là: 0,5 kg. Tải trọng: Pz = 0,5 x 10 =5 N. Vì khối lượng của chip không lớn nên khối lượng không lớn nên tốc độ khi đầu công tác không mang chip cũng có tốc độ giống như lúc mang chip. Mặt khác, vì tải trọng nhỏ nên ta có thể chọn loại động cơ trước sau đó kiểm nghiệm độ bền của trục. Thông số trục vít: + Chiều dài trục vít : 120 mm. + Đường kính trong d1: 8 mm. + Bước ren : 4 mm.27 + Số mối ren : 4 mối. + vít me – đai ốc ma sát trượt Với thông số trục vít đã chọn, động cơ đã được chọn đó là: NEMA 17 JAPAN. Động cơ đã chọn phù hợp với yêu cầu về tải trọng. Thông số kỹ thuật của động cơ: + Loại: Standart. + Điện áp cung cấp: 1236VDC. + Cường dộ dòng điện: 0.9A + Số bước mỗi vòng: 200. + Góc tương ứng với 1 bước: 1.8 °. + Kích thước động cơ: 42 x 42 mm. + Chiều dài – động cơ: 37.5mm. + Đường kính Trục: 5.00mm. + Chiều dài Trục: 19.05mm. 2.8.2 Chọn động cơ cho trục X: Chuyển động bằng hệ bánh răng – dây đai. Tải trọng: P y = 3 x 10 = 30N. Công suất cần thiết với: Vmax = 0,16 ms. Pqt = 1000 Pz V = 1000 30  0,16 = 0,0048 (kW). Hiệu suất nói trục:  nt =1. Hiệu suất của bánh răng – dây đai: br =0,95. Hiệu suất chung của bộ truyền:  x = nt .br = 1 x 0,95 = 0,0,95. Công suất cần thiết cho động cơ: Pdc= x Pqt  = 0,95 0,0048 =0,005 (kW) = 5 (W). Chọn động cơ có công suất tối thiểu 10 W.28 2.8.3 Chọn động cơ cho trục Y: Chuyển động bằng hệ bánh răng – dây đai. Tải trọng: P y = 5 x 10 = 50 N. Công suất cần thiết với: Vmax = 0,16 ms. Pqt = 1000 Pz V = 1000 50 0,16 = 0,008 (kW). Hiệu suất nối trục:  nt = 1. Hiệu suất của bánh răng – dây đai: br =0,95. Hiệu suất chung của bộ truyền:  qt = gt .br = 1 x 0,95 = 0,95. Công suất cần thiết cho động cơ: Pdc= qt Pqt  = 0,95 0,008 =0,0084 kw = 8,4 w. Chọn động cơ có công suất tối thiểu 10 W. 2.9 Lựa chọn loại động cơ: Chọn động cơ bước NEMA 17 JAPAN và mạch điều khiển RAMPS 1.4 kết hợp với mạch điều khiển động cơ bước A4988. Hình 2.26 Động cơ bước NEMA 17 JAPAN. Mạch điều khiển RAMPS 1.4:29 Hình 2.27 Board điều khiển máy in 3D RAMPS 1.4 Thông số kỹ thuật của mạch RAMPS 1.4: Tích hợp 3 ngõ ra mosfet để điều khiển hotbed, fan và thermistor bằng PWM. Tích hợp cầu chì tự phục hồi 5A bảo vệ toàn bộ hệ thống mạch. Tích hợp cầu chì tự phục hồi 10A cho hotbed Điều khiển được 5 động cơ bước qua 5 socket Driver, đặc biệt 2 socket dùng cho 2 động cơ bước ở trục Z nối song song, có jumper để điều chỉnh dòng ra cho từng động cơ. Có ngõ ra cho giao tiếp I2C và SPI và kết nối với LCD và SD Card.30 Hình 2.28 Các thành phần trong board RAMPS 1.4 Board RAMPS 1.4 có thể kết nối với nhiều thành phần khác của máy: Quạt tản nhiệt cho bộ điều khiển, điều khiển động cơ các trục,...31 3 Chương 4: ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÁY Chương 4 này sẽ đề cập đến việc tính toán động học và động lực học của máy, để điều khiển chính xác vị trí của đầu công tác. 3.1 Động học của máy: Máy máy gắn chip được thiết kế với 3 khớp tịnh tiến trong không gian theo 3 trục X, Y, Z, cho phép di chuyển đầu tạo nhiệt trong không gian. Để giải bài toán động học, ta sử dụng phương pháp biểu diễn DenavitHartenberg. Đây là một phương pháp tiêu biểu để mô hình hóa các chuyển động. Mô hình hóa Denavit Hartenberg (viết tắt là phương pháp DH) là cách biểu diễn đơn giản mô hình các khâu và các khớp của robot, sử dụng cho bất cứ cấu hình robot nào, kể cả bài toán đơn giản hay phức tạp, và có thể dùng để biễu diễn cho bất kỳ hệ trục tọa độ nào như: Decard, trụ, cầu,…Kết quả của phương pháp còn được sử dụng cho các bài toán như: Jacobi, phân tích lực,… Hình 3.1 Mô hình hóa máy gắn chip dưới mô hình robot.32 Join L d   1 L1 0 90 0 2 0 L2 90 90 3 0 L3 0 0 Bảng 3.1 Bảng tham số DEVANIT – HARTENBERG. Trong đó: + L: khoảng cách giữa giao điểm trục zi1 và xi với gốc tọa độ hệ trục thứ i dọc theo trục xi. + d: là khoảng cách từ gốc tạo độ thứ i1 tới giao điểm của trục Zn1 và xi dọc theo trục Zn1. +  : là góc quay của trục zi1 tới zi xung quanh trục xi. +  : góc quay từ trục xi1 tới xi xung quanh trục zi1. Các tham số DEVANIT – HARTENBERG được chỉ ra ở Bảng 4.1, ta có bốn ma trận chuyển vị từ hệ trục tham chiếu bằng cách thay các tham số DH vào ma trận:                        0 0 0 1 0 sin cos sin cos cos cos sin sin cos sin cos sin sin cos 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 n n n n n n n n n n n n n n n n n n n d a a T               Ta có:     0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 l T      0 0 0 1 0 1 0 2 1 0 0 0 0 0 1 0 2 1 l T    0 0 0 1 0 0 1 3 0 1 0 0 1 0 0 0 3 2 l T Vị trí đầu công tác có thể xác định đầy đủ bằng 3 khớp tịnh tiến theo 3 trục X, Y, Z trong không gian. Vị trí đầu công tác so với hệ trục tham chiếu ban đầu được tính toán bằng cách nhân các ma trận chuyển vị từ hệ trục R đến hệ trục số 4. Ma trận chuyển vị có giá trị như sau:33  RT4 0T1 1T2 2T3 =     0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 2 0 0 1 1 3 l l l 3.2 Động học vận tốc và động lực học của máy: Nhiệm vụ của máy là phải điều khiển chính xác vị trí và vận tốc ở tất cả mọi điểm trên quỹ đạo di chuyển. Trong phần này, vận tốc đầu công tác và các mối quan hệ của nó với vận tốc biến khớp sẽ được làm rõ. Như đã biết ma trận Jacobi là một dụng cụ toán học cần thiết dành cho việc phân tích và điều khiển chức năng và hoạt động của robot cũng như máy dạng robot. Khi các khâu của máy được kích hoạt, đầu công tác sẽ di chuyển trong không gian hoạt động của nó. Vectơ vị trí của đầu tạo nhiệt được đưa ra dưới dạng véc tơ r với 3 tọa độ vị trí và 3 góc định hướng vì thế ma trận r có giá trị như sau: r = Px, Py, Pz, ,  , T Véc tơ vận tốc của đầu công tác có giá trị như sau: V = x y z x y z dt dP dt dP dt dP , , , , , T Các giá trị vận tốc trên các trục X, Y, Z thuần túy tịnh tiến trong không gian do đó vận tốc theo các trục của đầu công tác như sau: dt dP x = dt dl3 = x , dt dPy = dt dl1 = y , dt dP z = dt dl4 = z , Vậy ta có phương trình vec tơ vận tốc: V = 3 , 1 , 4 ,0,0,0 dt dl dt dl dt dl T = x, , y, , z , ,0 ,0 ,0T Ma trận Jacobi được kí hiệu là J, kích thước của J phụ thuộc vào chiều của không gian làm việc và số lượng bậc tự do. Số lượng hàng sẽ bằng kích thước của không gian làm việc và số cột bằng số khớp của máy. Vec tơ vận tốc thẳng trong không gian:34 V =   PPP x y z =   dPz dt dPy dt dPx dt =   0 0 1 0 1 0 1 0 0   xy z = J   xy z35 4 CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – HỆ THỐNG ĐIỆN CỦA MÁY 4.1 Các thiết bị điện: 4.1.1 Nguồn chính của hệ thống: Bộ nguồn : 12 VDC 1A. Nguồn cung cấp: 220 VAC 4.1.2 Bộ điều khiển trung tâm: Bao gồm có: Arduino Mega 2560. Nguồn cung cấp: 12 VDC 4.1.3 Driver và động cơ bước(Motor): Gồm có 5 bộ driver A4988 Xanh + động cơ, để điều khiển cho 3 trục của hệ thống và 1 trục vit me: + Trục X (2 bộ). + Trục Y (1 bộ). + Trục Z (1 bộ). + Trục vít me Nguồn cung cấp: + Driver: 5 VDC. + Động cơ bước: 5 VDC. 4.1.4 Bộ điều khiển trung gian: Bộ điều khiển trung gian là mạch điều khiển RAMPS 1.4. 4.1.5 Bơm hút chân không SMT (Vacuums): Thiết bị gia công bằng từ trường của hệ thống. Nguồn cung cấp: 12 V. Lực hút : 65 kPa. 4.2 Mạch điện của hệ thống: Sơ đồ điện:36 Hình 4.1 Sơ đồ điện của hệ thống Hình 4.2 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển.37 Chú thích các khối trong sơ đồ: (Hình 4.2) + Supply (Nguồn): Cung cấp nguồn 12 VDC cho mạch điều khiển RAMPS 1.4. + RAMPS: Đóng vai trò là thiết bị trung gian để kết nối các thiết bị: Arduino với LCD, Supply với các thiết bị arduino và LCD, arduino với driver và vacuums. + MCU : Hệ thống điều khiển nhận và xử lý tín hiệu từ màn hình các nút nhấn tích hợp với màn hình LCD, tương tác với màn hình LCD sau đó xuất tín hiệu điều khiển tới các driver. + Vacuums (máy bơm chân không): Thực hiện nhiệm vụ tạo lực hút chân không để đầu giác hút hút chip. + LCD: Tích hợp cùng với các nút nhấn để cài đặt thông số vị trí, nhận tín hiệu từ Arduino. + Driver: Nhận tín hiệu điều khiển từ Arduino thông qua mạch điều khiển RAMPS, xuất tín hiệu điều khiển động cơ (Motor). + Motor: Dùng để truyền động cho hệ thống. 4.3 Cấu trúc của bộ điều khiển: Bộ điều khiển thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy tính bao gồm bộ xử lý trung tâm, bộ nhớ và bộ xuấtnhập kết hợp với màn hình để hiển thị quá trình làm việc và đồng thời theo dõi sự thay đổi tọa độ trong dịch chuyển của các khâu. Toàn bộ các phần nói trên được bố trí bên trong tủ điều khiển chính và được sắp xếp theo từng môđun gồm các bo mạch điện tử, LCD và nguồn. Bộ điều khiển là thể hiện những đặc điểm kỹ thuật ưu việt của máy. Hình 4.3 trình bày sơ đồ khối đơn giản nhất của bộ điều khiển đó là một thiết bị có cấu trúc tương tự như máy tính thực thụ bao gồm các phần như sau:38 Hình 4.3 Sơ đồ của bộ điều khiển. + Mọi hoạt động của mô hình đều được điều khiển bởi Arduino Mega. + Sensor là cảm biến quang hành trình dùng để xác định vị trí giới hạn của đầu công tác. 4.3.1 Phương pháp nội suy: Nội suy đóng vai trò tạo ra dữ liệu chuyển động trục từ khối dữ liệu được sinh ra bởi trình biên dịch và là một trong những thành phần quan trọng của máy CNC, phản ánh độ chính xác của máy. 4.3.1.1 Giới thiệu: Một máy CNC có hơn hai trục điều khiển để gia công những hình dạng phức tạp. Hai loại điều khiển có thể được thực hiện: phương pháp điều khiển điểm – đến – điểm được sử dụng để di chuyển trục đến vị trí mong muốn, và phương pháp điều khiển chu tuyến được sử dụng để di chuyển dọc theo đường cong bất kỳ. Để mà thực hiện những phương pháp điều khiển này một cách hiệu quả, chuyển động của đầu từ phải được chia thành những thành phần tương ứng với mỗi trục, quỹ đạo của đầu từ thì được tạo ra thông qua sự kết hợp những sự dịch chuyển riêng lẻ của mỗi trục. Ví dụ như, nếu đầu từ di chuyển từ vị trí P1 đến P2 với tốc độ Vf trong mặt phẳng XY, được chỉ ra trong Hình 2.4.8, bộ nội suy chia chuyển động toàn bộ thành các dịch chuyển riêng lẻ dọc theo trục X và trục Y dựa trên tốc độ di chuyển của đầu từ. Cuối cùng, các khối câu lệnh điều khiển vận tốc cho 2 trục được tạo ra.39 Hình 4.4 Khái niệm cơ bản của nội suy. Bộ nội suy được phân loại thành bộ nội suy phần cứng và bộ nội suy phần mềm do phương pháp thực thi. + Bộ nội suy phần cứng: bao gồm những thiết bị điện khác nhau, được sử dụng rộng rãi cho đến khi máy CNC phát triển. Tuy nhiên, ngày nay, các bộ nội suy được sử dụng trong những hệ thống CNC hiện đại thì được thực thi thông qua việc sử dụng phần mềm. + Bộ nội suy phần mềm: Khái niệm của bộ nội suy phần mềm bắt nguồn từ bộ nội suy phần cứng và bộ nội suy phần cứng thì giới hạn để điều khiển những hệ thống đơn giản. Phương pháp xác định quỹ đạo: Việc xác định quỹ đạo tương đối của dao với phôi có thể dùng hai phương pháp: +Phương pháp gần đúng với lượng di động tuần tự theo hướng x,y gọi là phương pháp bậc thang. +Phương pháp gần đúng với lượng di động phối hợp đồng thời theo hướng x và y gọi là phương pháp dây cung. 4.3.1.2 Giải thuật nội suy cho quá trình: Thuật toán nội suy trong đề tài được thực hiện dựa trên phương pháp dây cung như trên và được thực hiện trước khi máy thực sự hoạt động. Do đó, vấn đề thời gian thực để đáp ứng hoạt động của máy không bị ảnh hưởng như trong trường hợp máy tính vừa thực hiện tính toán, vừa điều khiển máy. Trong trường hợp máy tính vừa tính toán vừa điều khiển máy thì yêu cầu thời gian thực của máy rất cao, do đó thường các phép nội suy không sử dụng các phép tính có các hàm lượng giác Sin, Cos (trong40 trường hợp nội suy các cung tròn, vì các hàm này vốn đòi hỏi nhiều thời gian thực thi). Tuy nhiên do đã nói ở trên, vấn đề tính toán của phần mềm trong trường hợp này không hề bị ảnh hưởng bởi vấn đề thời gian thực nên sử dụng trực tiếp các phép tính Sin, Cos và phương trình đường tròn để nội suy. Để di chuyển một trục thì đòi hỏi phải biết rõ vị trí đến của trục đó và vận tốc của nó. Như vậy, dù dữ liệu hình học là đường di chuyển đường thẳng hoặc cung tròn thì đều phải cung cấp đầy đủ tọa độ đích đến và vận tốc cho mỗi trục. Khi nút nhấn điều khiển quỹ đạo của đầu công tác là đường thẳng : + Điểm đầu đường thẳng là điểm hiện tại. + Điểm cuối đường thẳng là điểm khi ta thả nút điều khiển hoặc là một khoảng cách nhất định so với vị trí ban đầu. Nhấn nút đi thẳng thì động cơ chạy với tốc độ lớn nhất của trục. Do đó yêu cầu chính là di chuyển nhanh chóng đạt tới chính xác vị trí xác định để nâng cao năng suất hoạt động của máy. Như vậy thì cần tốc độ di chuyển của mô hình là lớn. Việc này được thực hiện bằng cách cho trục có đoạn đường di chuyển lớn hơn di chuyển với tốc độ cao nhất. Tốc độ di chuyển của trục còn lại được tính toán sao cho tỷ lệ vận tốc di chuyển đảm bảo hệ số góc của đường thẳng. Sau đó các dữ liệu này (vị trí và vận tốc) được nhân với một hệ số quy đổi để chuyển đổi thành đơn vị phù hợp. Đơn vị vị trí từ mm chuyển sang số xung. Đơn vị vận tốc mỗi trục từ mms chuyển sang tần số cấp xung. Cuối cùng, các dữ liệu này được chuyển đổi sang các đơn vị phù hợp trước khi được lưu vào mảng để xuất cho vi điều khiển của arduino xử lý.  Sử dụng thuật toán Midpoint vẽ đoạn thẳng: Nội dung thuật toán: Xác định những đoạn thẳng theo phương bất kì. Xây dựng thuật toán: Cho 2 điểm đầu mút M1(x1, y1), và M2(x2, y2). Phương trình đưởng thẳng đi qua M1, M2 có dạng 1 1 y y x x   = 2 1 2 1 y y x x    (y2 – y1)x – (x2 – x1)y + x2y1 – x1y2  Ax + By + C = 0 Với A = Dy, B = Dx, C = x2y1 – x1y241 Hình 4.5 Thuật toán midpoint. Tại bước thứ k+1 ta thực hiện hiện tăng x lên một đơn vị và tìm cách tính y theo x với các số nguyên. Gọi S, P lần lượt là các điểm có tọa độ là trung điểm của SP (điểm Midpoint), Q là điểm cần tìm. Điểm nhận giá trị nào phụ thuộc vào vị trí của điểm Q so với điểm M. Nếu Q nằm dưới M ta lấy điểm S , ngược lại lấy điểm P . Đặt . Ta có : Điểm M thuộc M1M2 F(M) = 0. Điểm M nằm phía trên M1M2 F(M)< 0. Điểm M nằm phía dưới M1M2 F(M) > 0. Để xác định vị trí của M, ta xét : . + Nếu Pk < 0 , M nằm phía trên M1M2 khi đó Q nằm dưới M , ta lấy điểm S, tức là y = yk. + Nếu Pk  0 , M thuộc hoặc nằm dưới M1M2 khi đó Q nằm trên M , ta lấy điểm P, tức là y = yk +1. Bây giờ ta tính toán giá trị ban đầu P1:42 Ưu điểm của thuật toán: Xây dựng đường thẳng một cách đơn giản hơn nhiều so với những thuật toán khác. Phương pháp nội suy đường tròn là sử dụng trực tiếp phương trình đường tròn: Các giá trị trên hoàn toàn có thể tính ra được bằng cách giải các phương trình trên. Tuy nhiên đối với dữ liệu của lệnh có chứa bán kính R thì khi giải phương trình bậc hai có thể có tới hai nghiệm tọa độ x, y của tâm đường tròn thỏa mãn phương trình trên. Ở đây ta sẽ sử dụng thuật toán Bresenham để vẽ đường tròn:  Sử dụng thuật toán Bresenham vẽ đường tròn: Trong hệ tọa độ Descartes, phương trình đường tròn bán kính R có dạng: Với tâm O (0,0) : x2 + y2 = R2 Với tâm C (xc,yc): (x xc )2 + (y yc )2 = R2 Trong hệ tọa độ cực : Với 0 thuộc 0, 2pi. Do tính đối xứng của đường tròn C (xem hình 1.7) nên ta chỉ cần vẽ 18 cung tròn, sau đó lấy đối xứng qua 2 trục tọa độ và 2 đường phân giác thì ta vẽ được cả đường tròn.(Hình 4.5)43 Hình 4.6 Điểm tròn với các điểm đối xứng. Các vị trí ứng với các tọa độ nguyên nằm trên đường tròn có thể tính được bằng cách xác định một trong hai pixel gần nhất với đường tròn thực hơn trong mỗi bước (Hình 4.7). Hình 4.7 Đường tròn với khoảng cách d1 và d2. Ta có : d1 = (yi)2 y2 = (yi)2 (R2 (xi + 1)2 ) d2 = y2 (yi 1)2 = (R2 (xi + 1)2 ) (yi 1)2 Pi = d1 d2 Tính Pi+1 Pi => Pi+1 = Pi + 4xi + 6 + 2((yi+1)2 (yi)2 ) 2(yi+1 yi) Nếu Pi < 0 : chọn yi+1 = yi. Khi đó Pi+1 = Pi + 4xi +6 Nếu Pi >= 0 : chọn yi+1 = yi 1. Khi đó Pi+1 = Pi + 4(xi yi ) + 10. P0 ứng với điểm ban đầu ( x0 , y0 ) = (0,R) là: P0= 3 2R.44 Cuối cùng các dữ liệu được chuyển đổi thành các đơn vị phù hợp và được lưu vào mảng để xuất cho vi điều khiển. 4.4 Bộ điều khiển dùng trong hệ thống: 4.4.1 Giới thiệu tổng quan: Hình 4.8 Sơ đồ tổng quan của một mạch điều khiển. Sơ đồ khối tổng quan của mạch điều khiển: MCU (Microcontrollers Unit): Bộ xử lý của mô hình. Nhận tín hiệu từ cảm biến( sensor) và nút nhấn (button) để xử lý tín hiệu sau đó xuất tín hiệu điều khiển tới các Driver. Sensor (Cảm biến): các cảm biến hành trình của mô hình. Button ( Nút nhấn): dùng để điều khiển đầu công tác chạy theo ý mình muốn. Bao gồm Start, Stop,... LCD: dùng để hiển thị các thông số hiện tại của đầu công tác. 4.4.1.1 Giới thiệu chung về Arduino: a. Giới thiệu chung: Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động, số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên về mức độ phổ biến.45 Arduino là gì mà có thể khiến ngay cả những sinh viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học danh tiếng như MIT, Stanford, Camegie Mellon phải sử dụng; hoặc ngay cả Google cũng muốn hỗ trợ khi cho ra đời bộ kit Arduino Mega ADK dùng để phát triển các ứng dụng Android tương tác với cảm biến và các thiết bị khác. Arduino thật ra là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chó