Là một sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, tôi muốn dùng những kiến thức đã được học trên giảng đường cũng như tự tìm hiểu để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một hệ thống cấp
TỔ NG QUAN
Tổng quan về laser
Laser được viết tắt từ cụm từ “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”được hiểu là sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích
Laser là một nguồn ánh sáng nhân tạo Nhờ vào sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra trong điều kiện kích hoạt cao độ các phần tử của môi trường vật chất mà ta thu được laser
Hình 1.1: Tia laser 1.1.2 Nguyên tắc phát tia laser [2]
Dưới tác động của hiệu điện thế lớn, các electron của môi trường hoạt chất di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ của electron
Giai đoạn đầu: Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng ánh sáng gọi là hạt photon
Giai đoạn thứ hai: 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 tửnày 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
Giai đoạn thứ ba: Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương đểtăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng
Giai đoạn cuối cùng: Một số photon thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi ra chính là tia laser
Có khá nhiều loại laser khác nhau và chúng thường được phân biệt với nhau dựa và nguồn phát, một số loại laser phổ biến như:
Laser khí: Loại laser trong đó dòng điện được phóng qua trong một môi trường chất khí được sử dụng làm môi trường hoạt chất thì được gọi là laser khí Đây là loại laser được ứng dụng trong trường hợp đòi hỏi ánh sáng laser có độ kết dính và chùm sáng cao
Laser bán dẫn: Còn gọi là laser diot và đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống như:đọc đĩa Compact, máy in laser, làm bút chỉ bảng, máy chống trộm
Laser rắn: Hiện nay có khoảng 200 chất rắn có thể làm môi trường hoạt chất laser, ví dụnhư: vật liệu thủy tinh, thủy tinh thể… Loại laser có ứng dụng cao phổ biến hiện nay và được tìm ra đầu tiên là laser ruby
Laser lỏng: Chất lỏng mà được sử dụng làm môi trường hoạt chất được gọi là laser lỏng Laser bước nhuộm là ví dụcơ bản cho loại laser này, chúng sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ để làm môi trường hoạt chất
1.1.4 Giới thiệu cơ bản về phần mềm điều khiển laser EzCad2
EzCad2 là phần mềm điều khiển laser phổ biến hiện nay Phần mềm chuyên để sử dụng cho các máy khắc, máy cắt: laser Fiber, laser CO2, laser UV, laser Mopa… Phần mềm hỗ trợ rất nhiều phiên bản cho hệ điều hành Windows, từ Windows XP cho tới Windows 10 Để sử dụng được phần mềm này với máy Laser thật cần có “USB dongle”, nó là chìa khóa kích hoạt bản quyền cho phần mềm EzCad, nếu không có USB dongle thì chương trình chỉ cho phép dùng thửđiều này đồng nghĩa với việc không thểđiều khiển được máy laser
Phần mềm có giao diện thân thiện với người dùng, dễ sử dụng với các chức năng chính như:
Hỗ trợđọc dữ liệu text qua cổng serial
Hỗ trợđọ dữ liệu text qua cổng mạng
Hỗ trợ nhiều font chữ, các mã QRCode, mã vạch một chiều
Hỗ chợ tựđộng nhảy text khi khắc
Tính năng Hatch mạnh mẽ
Hỗ trợ các file dạng vector như ai, dxf, plt…
Hỗ trợđịnh dạng ảnh như png, bmp, tif…
Xử lý ảnh (chuyển đổi grayscale, đen/trắng, thay đổi độtương phản…)
Có thể tiến hành chỉnh các thông số để tìm được các thông số phù hợp cho từng vật liệu và mục đích sử dụng cụ thể Một vài thông số hay sử dụng như:
Loop Count: số vòng lặp của việc khắc laser
Speed (MM/Second): tốc độ quét tia laser
Frequency (KHz): tần số phát laser
Start TC (US): cài đặt giá trịđộ trễ phát laser
Laser off TC: thời gian trễđể tia laser tắt hoàn toàn
Hình 1.4: Bảng chỉnh thông số cắt laser 1.1.5 Cách kết nối giữa vi điều khiển và máy laser Để hệ thống và máy laser hoạt động được cần phải kết nối giữa chúng Ởđây hệ thống cần xuất tín hiệu cho laser hoạt động và tương tự laser phải xuất tín hiệu đã khắc xong cho hệ thống để hệ thống đưa ra lệnh điều khiển tương ứng Như vậy cần phải tạo kết nối giữa Arduino Mega 2560 và mạch điều khiển của laser Thông qua tìm hiểu và tựđo đạc thì tín hiệu điều khiển cho laser và tín hiệu trả về của laser đều là tín hiệu TTL, nó tương thích với tín hiệu của Arduino Mega 2560
Hình 1.5: Mạch điều khiển máy laser Ở Con4 của mạch điều khiển laser, ta có tín hiệu trả về laser đã khắc xong được xuất ra ở chân số 9, ta cần nối chân này với một chân trong Arduino Mega 2560 và khai báo đó là chân input Khi laser khắc xong, mạch điều khiển sẽ xuất tín hiệu 5V cho chân số 9, lúc này Arduino Mega 2560 bắt được tín hiệu điện áp thay đổi từ 0V lên 5V và gửi tín hiệu điều khiển tương ứng Vì tín hiệu khắc cho laser dùng là tín hiệu chập nên ta
8 cần chập cân số 1 với đất ở mạch điều khiển, vì vậy cần dùng relay để chập chân số 9 và GND mỗi khi có tín hiệu từvi điều khiển Lưu ý cần nối chung đất giữa mạch điều khiển laser và Arduino Mega 2560 để kết nối giữa chúng.
T ổ ng quan v ề h ệ th ố ng c ấ p phôi t ự độ ng
1.2.1 Hiệu quảđem lại của hệ thống cấp phôi tựđộng
Hệ thống cấp phôi tựđộng đã và đang được ứng dụng rộng rãi, và cung cấp giải pháp cấp phôi tối ưu cho nhiều loại máy móc trong nhiều lĩnh vực từ cơ khí chế tạo, nông nghiệp, thực phẩm,… Ngày càng có nhiều những hệ thống cấp phôi hiện đại được tích hợp vào dây chuyền sản xuất nhằm mục đích cấp sản phẩm, thiết bị, linh kiện cho dây chuyền lắp ráp, đóng gói và chế tạo Việc cung cấp hệ thống cấp phôi tựđộng giúp cho dây chuyền sản xuất tựđộng hóa được nâng cao, hoàn thiện và linh động hơn, cùng với đó nhờ những hệ thống cấp phôi tựđộng này mà chi phí sản xuất giảm, điều đó đồng nghĩa với giá sản phẩm rẻhơn và có lợi cho người tiêu dùng Ngoài ra hệ thống cấp phôi còn giúp tối ưu thời gian sản xuất, giảm sức lao động của con người và còn cung cấp số lượng sản phẩm ổn định giúp doanh nghiệp chủđộng trong sản xuất và kinh doanh 1.2.2 Một số hệ thống cấp phôi tựđộng
Hệ thống cấp phôi tự động được sử dụng để cấp phôi cho nhều dạng phôi khác nhau, mỗi dạng phôi lại có đặc tính, kích cỡ, hình dạng riêng biệt Bởi vậy tùy theo yêu cầu của người sử dụng mà sẽ nghiên cứu, thiết kế, đo đạc các thông sốvà điều chỉnh hệ thống sao cho phù hợp nhất với phôi được cấp liệu được sử dụng Dựa vào hình dạng phôi, có thể chia các hệ thống cấp phôi thành ba dạng chính đó là:
Hệ thống cấp phôi dạng cuộn sử dụng cho: vải, lá thép, cuộn da,…
Hệ thống cấp phôi dạng thanh sử dụng cho các thanh phôi có hình dạng, đường kính, kích thước khác nhau như: tròn, vuông, tam giác,…
Hệ thống cấp phôi rời từng chiếc sử dụng cho các chi tiết tải trọng lớn, chi tiết nhỏhình dáng đơn giản như: ốc vít, nắp chai, linh kiện điện tử,…
1.2.3 Lựa chọn hệ thống cấp phôi cho máy laser
Hiện nay, ngành gia công may mặc ởnước ta phát triển mạnh mẽ, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong tăng trưởng của nền kinh tế nên việc tăng tỉ trọng máy móc trong nhóm ngành này đang diễn ra rất nhanh, vì vậy xuất hiện rất nhiều máy móc hỗ trợ cấp phôi cho vải nói chung hay các phôi dạng cuộn nói riêng xuất hiện Nhìn chung đa phần các máy móc, hệ thống này có xuất sứ từnước ngoài như: Nhật Bản, Đức, Hàn
Quốc, Trung Quốc,… thường rất ít có những hệ thống xuất sứ từchính nước ta Là một sinh viên, công dân Việt Nam, tôi muốn thấy các hệ thống cấp phôi xuất sứ từ chính nước nhà có mặt nhiều hơn và dần thay thế các hệ thống cấp phôi của nước ngoài, điều này góp phần thể hiện trí tuệ, sáng tạo của người Việt Nam Chính vì vậy tôi muốn nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho các máy công nghiệp, cụ thểởđây là máy cắt laser công nghiệp
1.2.4 Hệ thống cấp phôi dạng cuộn
Hệ thống cấp phôi dạng cuộn dùng cho các vật liệu như cuộn vải, cuộn da, cuộn thép,… Do đặc điểm của phôi dạng cuộn nên cơ cấu nhả phôi của hệ thống thường được chế tạo bằng các lô cuốn quay tròn, cơ cấu này có thể sử dụng một, hai hoặc thậm trí một hệ lô cuốn
Hình 1.7: Cơ cấu nhả phôi dạng cuộn sử dụng một lô cuốn
Lô cuốn được gắn với động cơ, gọi là lô cuốn chủđộng Khi động cơ quay thì lô cuốn cũng quay cùng, lúc này tùy vào cách bốtrí cơ cấu mà cuộn phôi sẽ quay theo và phôi được nhả ra
Sau khi được nhảra, phôi được đưa đến vùng làm việc của máy laser để gia công và tạo ra thành phẩm
10 Ưu điểm của hệ thống cấp phôi dạng cuộn là có thể làm việc với nhiều kích thước phôi, tải trọng khác nhau, thiết kế và cơ chế hoạt động không phức tạp, tiếng ồn nhỏ, phôi của hệ thống dễ dàng vận chuyển
Hình 1.8: Cơ cấu nhả phôi dạng cuộn sử dụng hai lô cuốn
Với thiết kếcơ cấu nhả cuộn hình 1.7, cơ cấu sự dụng một lô cuốn được gắn cùng với động cơ, khi động cơ và lô cuốn quay, phôi được nhả ra theo chiều quay của lô cuốn Nhìn chung cơ cấu này khá phức tạp vì cần điều chỉnh vịtrí các con trí để có thể giữ chắc phôi, thêm nữa với những phôi nặng, trọng lượng lớn thì hoàn toàn có thể xảy ra vấn đề với phần lô cuốn, ngoài ra việc bảo trì, sữa chữa hệ thống cũng khó khăn vì cơ cấu phức tạp
Thiết kế nhả cuộn hình 1.8 sử dụng hai lô cuốn, gồm một lô cuốn chủđộng được gắn với động cơ, và một lô cuốn bịđộng có chức năng đỡ và hỗ trợ chuyển động quay cuộn phôi Khi lô cuốn chủđộng quay, phôi và lô cuốn bịđộng quay theo và từđó phôi được nhả ra Thiết kếcơ cấu nhảphôi hình 1.8 nhìn chung đơn giản hơn so với cơ cấu nhả phôi hình 1.7 vì không cần dùng cơ cấu giữ phôi phức tạp, việc bảo trì, sửa chữa hệ thống cũng dễ dàng hơn.
Với những ưu điểm của cơ cấu nhả phôi dạng cuốn sử dụng hai lô cuốn, hệ thống cấp phôi tựđộng cho máy laser công nghiệp sẽ sử dụng cơ cấu nhả cuộn tương tự
THIẾ T K Ế CƠ KHÍ
T ổ ng quan ph ần cơ khí
2.1.1 Kết cấu phần cơ khí
Hệ thống cấp phôi tựđộng cho máy cắt laser công nghiệp có một vài yêu cầu sau đây với phần cơ khí: phải hoạt động ổn định, tính di động cao, giá thành rẻ, ít gây tiếng ồn, độ chính xác cao, dễ bảo dưỡng, sửa chữa, sản phẩm sau khi cắt phải đẹp, thời gian hoàn thành 1 sản phẩm phải nhanh Để tạo ra một hệ thống chạy tốt, một chiếc máy tốt thì phần cơ khí phải được tốt, chính vì vậy việc xác định được kết cấu cơ khí rất quan trọng Với đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho máy cắt laser công nghiệp, kết cấu cơ khí được chia làm hai phần:
Phần 1: Cơ cấu nhả phôi
Phần 2: Cơ cấu băng tải
Phôi dạng cuộn trong công nghiệp có thể là những cuộn vải, cuộn thép, cuộn da… nhìn chung kích thước phôi dạng này rất lớn, trọng lượng nặng, một cuộn phôi thậm chí có thểđủ để cấp cho máy laser chạy trong vài ngày Do đề tài lần này mang tính chất nghiên cứu và thiết kế nên phôi dùng cho hệ thống cần sự nhỏ gọn và vẫn phải đảm bảo hệ thống thửđược các tính năng cần thiết, tối ưucác cơ cấu trước khi thực hiện làm các hệ lớn hơn dành cho những vật liệu dạng lớn hơn Vì vậy, tôi dùng băng cuốn bảo ôn làm phôi cho đề tài này Việc lựa chọn băng cuốn bảo ôn làm phôi cho đề tài dựa vào một sốlí do chính sau đây:
Hình 2.1: Băng cuốn bảo ôn
Dễ mua, giá thành rẻ
Có thể cắt khắc lên bề mặt
Độdày tương đồng với vải
Kích thước và trọng lượng phù hợp với đề tài (dài 10000 mm, rộng 85 mm, trọng lượng 300g )
Sau khi lựa chọn được loại phôi, bắt đầu tiến hành chế tạo hệ thống cấp phôi tự động dạng cuộn cho máy cắt Laser trong công nghiệp.
Thiết kế hệ thống cơ khí
2.2.1 Lựa chọn vật liệu làm khung cơ khí
Do hệ thống yêu cầu hệ cơ khí nhỏ gọn, ổn định, tính di động cao, giá thành rẻ cùng với đó hệ thống phải chắc chắn, dễ ghép nối, tháo lắp, thay thế… Từ những yêu cầu đó nhôm định hình 20x20mm đã được lựa chọn để làm bộ khung cho hệ thống
Hình 2.2: Nhôm định hình 20x20 mm Nhôm định hình là những thanh nhôm đã qua quá trình xử lý kim loại nhằm phát huy tối đa các đặc tính vật lý của nhôm, phù hợp cho các thiết kế kỹ thuật Nhôm định hình ngày càng có nhiều ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, kiến trúc, năng lượng Nhờ quá trình xử lý đùn ép và xử lý nhiệt nên nhôm định hình rất bền vững, có tính chống ăn mòn cao, nhẹ, dễgia công cơ khí, thêm vào đó nhôm định hình rất dễ lắp ghép
2.2.2 Tính toán thiết kế lô cuốn
Lô cuốn có 2 loại: lô cuốn chủ động và lô cuốn bị động Lô cuốn được sử dụng rộng rãi trong băng tải, băng chuyền, cơ cấu lăn, cơ cấu dệt vải… Cấu tạo của lô cuốn khá đơn giản gồm:
Trục lô cuốn: Tùy theo lực mà lô cuốn phải chịu mà chọn cơ cấu trục lô cuốn khác nhau
Ống cho lô cuốn: Tùy vào yêu cầu thiết kế của đề bài, ống lô cuốncó thể làm bằng thép, nhựa, inox với độ dày khác nhau
Mặt bích: Là miếng hình tròn thường làm bằng kim loại có đường kính phụ thuộc vào ống rullo Để chế tạo lô cuốn ta phải xác định được độ dài trục rullo, độ dài ống rullo, đường kính mặt bít Với đề tài này, lô cuốn được dùng đểkéo băng tải cũng như làm cơ cấu nhả phôi vì thế nên việc lựa chọn vật liệu làm ống lô cuốn rất quan trọng Vật liệu làm ống lô cuốn phải đảm bảo độ bền, chịu được lực từbăng tải và từ trọng lượng của phôi Qua tham khảo và thử nghiệm, trục lô cuốn được chọn là trục inox có đường kính d 6mm, đặc ruột Ống lô cuốn có đường kính ngoài d1 = 25mm, đường kính trong d2 24mm
Hình 2.3: Mặt bích lô cuốn và ống lô cuốn
Mặt bít lô cuốn được ghép từ hai miếng Mica đen độdày 3mm, có đường kính lần lượt là 23.9mm và 26mm được khớp với nhau Nhờ sử dụng công nghệ cắt Laser nên đường kính mặt bit được đảm bảo có độ sai số cực kỳ nhỏ
2.2.3 Tính toán thiết kếcơ cấu nhả phôi
Do bề rộng của phôi là 85mm nên lô cuốn phải được thiết kế độ dài lớn hơn 85 mm Chọn độ dài lô cuốn là 106mm
Hình 2.4: Cơ cấu nhả cuộn sau khi hoàn thành
Chọn khoảng cách giữa hai lô cuốn của cơ cấu là 4mm Hai lô cuốn được cốđịnh bằng nhựa Mica độdày 5mm và động cơ được nối với lô cuốn chủđộng bằng khớp nối mềm trục 6mm Ưu điểm của hệ thống này là khảnăng chịu tải lớn do có hai lô cuốn cùng chịu lực, dễ thiết kế, dễ làm, hiệu quả cao
2.2.4 Nghiên cứu, thiết kếcơ cấu băng tải
Băng tải là một hệ thống ứng dụng trong sản xuất với nhiều tiện ích với chức năng là vận chuyển đồ từ một điểm này đến một điểm nào đó mà không phải tốn sức, giúp tiết kiệm thời gian, sức lao động, nhân công và tăng tiện ích Vì thếnên băng tải là một bộ phận quan trọng trong các dây truyền thuộc nhà máy, xí nghiệp hay những hệ thống cấp phôi tựđộng
Băng tải thường có cấu tạo như sau:
Khung băng tải: có nhiệm vụ chịu lực chính và định hình băng tải có thểđược làm bằng nhôm định hình, inox, thép mạ kẽm
Dây băng tải: tùy vào tải trọng và yêu cầu của sản phẩm mà dây băng tải sẽ được làm từ những chất liệu và độ dày khác nhau: dây PVC, dây PU, dây cao su…
Lô cuốn: một băng tải có ít nhất hai lô cuốn gồm lô cuốn chủđộng được gắn trực tiếp với động cơ hoặc gián tiếp qua các cơ cấu dây đai, lô cuốn bịđộng hỗ trợ chuyển động quay cho dây băng tải
Động cơ băng tải: truyền động cho băng tải
Bộ truyền động: với truyền động trực tiếp động cơ thường được gắn trực tiếp với lô cuốn chủđộng thông qua các khớp nối mềm, truyền động gián tiếp động cơ truyền động vào lô cuốn chủđộng thông qua bộ truyền xích hoặc dây đai.
Bộđiều khiển tốc độ: có thể dùng biến tần, sensor, PLC, Arduino…
Có rất nhiều loại băng tải với các hình dáng, kích thước khác nhau, dưới đây là 1 vài loại băng tải thông dụng hiện nay:
Băng tải cao su: chịu nhiệt và sức tải lớn
Băng tải xích: khá tốt trong các ứng dụng tải dạng chai, sản phẩm cần độ vững chắc
Băng tải lô cuốn: băng tải lô cuốn nhựa, băng tải lô cuốn nhựa PVC, băng tải lô cuốn thép mạ kẽm, băng tải lô cuốn truyền động bằng motor
Băng tải đứng: vận chuyển hàng hóa đi lên thẳng đứng
Băng tải PVC: tải nhẹ, linh hoạt, được sử dụng nhiều trong các hệ lắp ráp
Băng tải góc cong: chuyển hướng sản phẩm
Băng tải mini: Được sử dụng nhiều trong các mô hình hệ thống cấp phôi tự động, dễ làm, chi phí thấp
2.2.4.4 Chọn băng tải cho hệ thống
Sau khi tìm hiều các loại băng tải ở trên thì với đề tài hệ thống cấp phôi tựđộng cho máy cắt Laser công nghiệp này, yêu cầu nghiên cứu thiết tạo ra mô hình cấp phôi
16 gọn nhẹ, chính vì vậy việc chế tạo cơ cấu băng tải cũng cần hết sức gọn nhẹvà cơ cấu băng tải mini thực sự phù hợp
Khung băng tải được ghép từcác thanh nhôm định hình 20x20mm có độ dài 115mm và 365mm được ghép lại bằng ke nhôm Khung băng tải cao 135mm, rộng 155mm và dài 365mm
Cơ cấu dẫn động gồm có lô cuốn chủđộng và lô cuốn bịđộng, chiều dài lô cuốn 106mm, đường kính ngoài d1= 25mm, được làm bằng nhựa
Mặt phẳng băng tải: mặt băng tải được làm từ gỗkích thước 155×360mm
Mặt băng tải được làm từ da công nghiệp, kích thước 100×915mm
Cơ cấu đỡ lô cuốn và làm căng dây băng tải được làm từ nhựa mica
Động cơ bước và trục quay của lô cuốn được nối với nhau bằng khớp nối mềm trục 6 mm
Hình 2.6: Cơ cấu băng tải sau hoàn thành
Gi ớ i thi ệ u các linh ki ện điệ n, thi ế t b ị s ử d ụ ng
Thiết bịđiều khiển là thiết bị quan trọng trong các hệ thống tựđộng Thiết bịđiều khiển là trung tâm xử lý của cả hệ thống, nhận các tín hiệu đầu vào sau đó xử lý chúng và cuối cùng là gửi lệnh đầu ra cho cơ cấu chấp hành hoạt động theo một chu trình đã được cài đặt sẵn Thiết bị điều khiển có thể là bộđiều khiển PLC, Arduino, máy tính, thậm trí là Relay
3.1.2 So sánh đặc tính kỹ thuật các thiết bị
Bảng 3.1: So sánh đặc tính kỹ thuật các thiết bịđiều khiển Đặc tính kỹ thuật Relay Arduino PLC Máy tính
Giá thành Khá Thấp Thấp Khá cao Cao
Kh ả năng điề u khi ể n ch ứ c năng phức tạp Không Có Có Có
Kh ả năng thay đổi điề u khiển Rất khó Đơn giản Khá đơn giản Khá đơn giản
Tôc độ điề u khi ể n Ch ậ m Nhanh Nhanh Nhanh
Kh ả năng chố ng nhi ễ u R ấ t t ố t T ố t T ố t T ố t
Qua bảng so sánh trên, có thể thấy Arduino có rất nhiều ưu điểm trong điều khiển: giá thành thấp, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng thay đổi khảnăng điều khiển, tốc độđiều khiển cũng như khả năng chống nhiễu tốt, dễ dàng trong sử dụng Vì thế, Arduino là một lựa chọn phù hợp với hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho máy laser công nghiệp
Arduino có nhiều chủng loại, từ những Arduino nhỏ gọn như Arduino Nano đến thông dụng nhưArduino Uno R3… Vì đề tài lần này sử dụng khá nhiều các chân I/O cũng như cần tốc độ xử lý nhanh chóng thế nên cần sử dụng loại Arduino có cấu hình mạnh mẽ, số chân I/O lớn Do đó, Arduino Mega 2560 - một trong những phiên bản mới
18 nhất của Arduino là lựa chọn phù hợp nhất cho đề tài hiện tại cũng như các bước cải tiến, mở rộng hệ thống sau này
3.1.3 Tìm hiểu về Arduino Mega 2560 [1]
Arduino Mega 2560 là phiên bản nâng cấp của Arduino Mega hay còn gọi là Arduino Mega 1280 Sự khác biệt lớn nhất với Arduino Mega 1280 chính là chip nhân Ở Arduino Mega 1280 sử dụng chip ATmega1280 với flash memory 128KB, SRAM 8KB và EEPROM 4 KB Điểm khác biệt của Arduino Mega2560 với tất cả các vi xửlý trước giờ nằm ở việc nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB thay vì dùng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB
Còn Arduino Mega 2560 là phiên bản hiện đang được sử dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều hơn Arduino Mega 2560 được trang bị chip ATmega2560 có bộ nhớ flash memory 256 KB, 8KB cho bộ nhớ SRAM, 4 KB cho bộ nhớ EEPROM Nhờ có Arduino nên việc viết những chương trình phức tạp điều khiển các hệ thống lớn trở nên dễ dàng hơn.
Arduino Mega 2560 là một vi điều khiển hoạt động dựa trên chip ATmega2560 Bao gồm:
54 chân digital (trong đó có 15 chân có thể được sủ dụng như những chân PWM là từ chân số 2 → 13 và chân 44 45 46).
6 ngắt ngoài: chân 2 (interrupt 0), chân 3 (interrupt 1), chân 18 (interrupt 5), chân 19 (interrupt 4), chân 20 (interrupt 3), and chân 21 (interrupt 2)
16 chân vào analog (từA0 đến A15)
4 cổng Serial giao tiếp với phần cứng:
1 thạch anh với tần sốdao động 16 MHz
1 nút reset Đặc biệt với các ứng dụng liên quan đến Matlab thì Arduino Mega 2560 cũng là một sự chọn lựa tuyệt vời Nó còn được tích hợp sẵn thư viện dành cho Matlab
Arduino Mega 2560 có thể sử dụng hầu hết các shiled dành cho các mạch Arduino Uno hay hoặc các mạch trước đây như Duemilanove hay Diecimila với cách cài đặt và nối chân tương tựnhư Arduino Uno.
Hình 3.2: Sơ đồ chân Arduino Mega 2560 3.1.4 Lựa chọn động cơ [4] Động cơ điện đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng dạng điện năng thành năng lượng dạng cơ năng để phục vụ các hoạt động sản xuất, chính vì lí do này nên việc lựa chọn động cơ hết sức quan trọng Nếu động cơ không phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất của hệ thống cũng như ảnh hưởng đến đến hiệu quả sản xuất Nếu động cơ có năng suất thấp mà phải kéo trọng tải nặng thì động cơ sẽ nhanh bị nóng lên và nhanh hỏng hơn, ngược lại nếu không sử dụng hết năng suất của động cơ
20 thì lại gây ra lãng phí Có rất nhiều loại động cơ khác nhau nên việc lựa chọn động cơ phù hợp rất khó khăn Dưới đây là ưu điểm và nhược điểm của một vài loại động cơ có thể sử dụng cho hệ thống:
Động cơ DC có chổi than: Ưu điểm là khảnăng điều chỉnh tốc độ tốt, dễ dàng điều khiển vì tốc độ động cơ tỉ lệ với điện áp đầu vào Nhược điểm của động cơ DC có chổi than là cần bảo trì thường xuyên cũng như tuổi thọ của động cơ không cao do phần chổi than bị mài mòn khi sử dụng đặc biệt với cường độ làm việc cao, khó khăn trong việc điều khiển chính xác vị trí
Động cơ DC không chổi than: Ưu điểm là vận hành ít phát ra tiếng ồn, có khả năng tăng và giảm tốc trong khoảng thời gian ngắn, nhỏ gọn, tốc độ lớn, điều khiển tốc độ dựa vào giá trịđiện áp đầu vào Nhược điểm động cơ có giá thành cao, khó khăn trong điều khiển chính xác vị trí
Động cơ Servo: điều khiển dạng vòng kín nên kiểm soát được tốc độ, vị trí, vận hành ổn định, độchính xác cao Nhược điểm của Servo là khi hoạt động gây tiếng ồn, nhiệt độ cao khi vận hành, có quán tính lớn khi giảm tốc độ, yêu cầu bảo trì, bảo dưỡng cao và giá thành cao, mạch điều khiển phức tạp, rung lắc khi ở vị trí dừng
Động cơ bước: dễdàng điều khiển vị trí chính xác mà không cần mạch phức tạp vì góc quay của động cơ tỉ lệ với sốlượng bước, mô men xoắn cực đại khi ở vị trí dừng, tuổi thọ cao nhược điểm của động cơ bước là có thể bị trượt bước, tốc độ thấp, sử dụng liên tục khiến động cơ nóng.
Với đềtài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho máy cắt laser công nghiệp”, mục tiêu đặt ra ởđây là cắt chính xác độdài phôi quy định vì thế nên hệ thống cần sựổn định và chính xác cao của động cơ Ngoài ra, động cơ cũng phải khỏe để chịu tải của phôi cũng như làm quay cơ cấu Với động cơ DC mặc dù có giá thành rẻ và những đặc tính kỹ thuật tốt nhưng lại gặp phải vấn đề về độ chính xác khá thấp, không đảm bảo an toàn khi rung lắc, khó khăn trong điều khiển chính xác vị trí, dễ xảy ra cháy nổ Còn với động cơ Servo thì giá thành cao, kích thước lớn ngoài ra độổn định không cao, khi không hoạt động động cơ bị rung mạnh gây nguy cơ làm lệch phôi
Với ưu điểm nhỏ gọn, giá thành rẻ, độổn định, tính chính xác cao, dễ dàng sử dụng, động cơ bước thực sự là lựa chọn hợp lý về mặt chi phí cũng như kỹ thuật cho đề tài này
Mạch điện và sơ đồ ghép nối
Hình 3.13: Sơ đồ ghép nối hệ thống
Hình 3.13 là sơ đồ ghép nối của hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho máy cắt laser công nghiệp Hệ thống gồm 7 thành phần: khối cảm biến, khối mạch điều khiển trung tâm, khối mạch điều khiển động cơ, khối chấp hành, khối nguồn, khối giao tiếp, khối nút nhấn
Khối cảm biến: gồm hai module cảm biến hồng ngoại E18-D80NK, hai cảm biến này được cấp nguồn 5V từ Arduino, được bố trí đặt gần nhau Hai cảm biến đã được chỉnh sao cho khoảng cách phát hiện vật lần lượt là 3cm và 10cm Tín hiệu đầu ra của hai cảm biến được kết nối với mạch điều khiển trung tâm là Kit Arduino 2560 Về cơ
29 bản hai cảm biến hoạt động giống với công tắc hành trình Khi cả hai cảm biến đều không phát hiện vật thì động cơ hoạt động, phôi được nhảvà ngược lại khi cả hai phát hiện vật thì động cơ dừng, phôi không được nhả
Khối mạch điều khiển trung tâm: bộKit Arduino Mega 2560 là nơi thu thập tất cả dữ liệu từ cảm biến, từ máy tính, máy laser cũng như bộđiều khiển bằng tay gửi về, sau khi thu thập nó sẽ xử lý tín hiệu và đưa ra các tín hiệu điều khiển theo chương trình đã tạo cho các đầu ra thực thi Có thểnói đây chính là phần quan trọng nhất của hệ thống
Khối mạch điều khiển động cơ: gồm 2 mạch điều khiển động cơ TB6600 Khối này nhận tín hiệu từ mạch điều khiển trung tâm và điều khiển hoạt động của động cơ: chiều quay, sốbước quay,…
Khối chấp hành: gồm hai động cơ bước lai Nema-17, một động cơ kéo băng tải và một động cơ làm quay cơ cấu cấp phôi
Khối nguồn: bao gồm hai nguồn bước riêng biệt, 1 nguồn cấp cho mạch điều khiển trung tâm, nguồn còn lại dùng để cấp cho mạch điều khiển động cơ.
Khối giao tiếp: sử dụng cổng USB-B có sẵn của Arduino Mega 2560 giao tiếp với máy tính thông qua giao thức truyền thông nối tiếp Máy tính sẽ gửi các thông số vềđộ dài phôi cần cắt, tốc độ và cuối cùng là gia tốc cho các động cơ cho khối điều khiển trung tâm
Hình 3.14: Khối nút nhấn điều khiểnNgoài những nút Start (chạy chương trình), Stop (dừng chương trình), nút EMERGENCY (dừng khẩn cấp) và công tắc Switch (chọn chế độ) thì ở chế độ điều
30 khiển bằng tay chúng ta còn có thểđiều khiển chuyển động của động cơ bằng các nút nhấn như trên hình Hai nút xanh dùng để điều khiển động cơ của cơ cấu nhả cuộn, và hai nút màu đỏdùng đểđiều khiển động cơbăng tải Ngoài ra, bảng điều khiển còn có nút laser, khi nhấn nút này máy laser hoạt động Hộp điều khiển được gắn trên phần khung của cơ cấu nhả phôi giúp tiết kiệm không gian cũng như dễ dàng quan sát hệ thống khi sử dụng.
PHẦN 4: THIẾT KẾCHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Sơ đồ thu ậ t toán
Đối với hệ thống cấp phôi tự động này, thuật toán điều khiển hệ thống được chia ra làm hai phần khác nhau gồm: thuật toán cho cơ cấu nhả cuộn và thuật toán cho cơ cấu cắt phôi Điều này giúp cơ cấu hoạt động, phần lập trình cũng như các phát triển hệ thống sau này được thực hiện dễdàng hơn.
4.1.1 Thuật toán cơ cấu nhả cuộn
Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán cho cơ cấu nhả cuộn
Giải thích sơ đồ thuật toán:
Nhấn nút Start trên bảng điều khiển để khởi tạo hệ thống (các cổng vào ra, bộ đếm,…) Sau đó, ta có thể lựa chọn một trong hai chế độ điều khiến: chế độ bằng tay (Manual) hoặc chếđộ tựđộng (Auto)
Với chế độ bằng tay (Manual), cơ cấu nhả cuộn được cài đặt tốc độ, gia tốc mặc định Nhấn các nút di chuyển trên bộ điều khiển cơ cấu nhả cuộn sẽ thực hiện chuyển động theo lệnh Nút laser trên bảng điều khiển cho phép người dùng có thể thực hiện cắt phôi ở chếđộ bằng tay
Với chế độ tựđộng (Auto), nếu không có dữ liệu gửi từ máy tính xuống cơ cấu nhả cuộn được cài đặt tốc độ, gia tốc mặc định Nếu có dữ liệu từ máy tính gửi xuống, cơ cấu nhả cuộn di chuyển theo vận tốc, gia tốc đã gửi Tùy vào tín hiệu trả về của cảm biến mà động cơ hoạt động, cùng với đó phôi được nhả ra
Nhấn nút Stop để kết thúc quy trình
4.1.2 Thuật toán cơ cấu cắt phôi
Hình 4.2: Sơ đồ thuật toán cho cơ cấu cắt phôi
Giải thích sơ đồ thuật toán:
Nhấn nút Start trên bảng điều khiển để khở tạo hệ thống (các cổng i/o, serial, MPU, timer… ) Sau đó, ta có thể lựa chọn chếđộđiều khiển: chếđộ bằng tay (Manual) hoặc chếđộ tựđộng (Auto)
Với chếđộ bằng tay (Manual), băng tải được cài đặt tốc độ, gia tốc Khi nhấn các nút di chuyển trên bộđiều khiển băng tải sẽ thực hiện chuyển động theo lệnh Nút Laser trên bảng điều khiển cho phép người dùng có thể thực hiện cắt phôi ở chếđộ bằng tay
Với chế độ tựđộng (Auto), nếu không có dữ liệu gửi từ máy tính xuống cơ cấu nhả cuộn được cài đặt tốc độ, gia tốc, độ dài phôi cần cắt mặc định Nếu có dữ liệu từ máy tính gửi xuống, cơ cấu cắt được cài đặt tốc độ, gia tốc, độ dài cắt theo dữ liệu gửi xuống
Laser và động cơ 2 hoạt động có phản hồi với nhau Đầu tiên băng tải chạy, sau khi chạy xong hệ thống điều khiển gửi tín hiệu đóng ngắt relay, lúc này laser nhận được tín hiệu và tiến hành cắt Sau khi laser cắt xong, tín hiệu báo laser hoàn thành nhiệm vụ được gửi về hệ thống điều khiển, lúc này hệ thống điều khiển tiếp tục xuất tín hiệu cho băng tải chạy Cơ cấu này lặp lại cho đến khi nút Stop được nhấn hoặc mất nguồn điện
Nhấn nút Stop để chương trình kết thúc.
Các ph ầ n m ề m và thư việ n h ỗ tr ợ l ậ p trình
Arduino IDE là phần sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino với mã nguồn mở, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng hơn với mọi người Nó chạy được trên nhiều hệđiều hành như: MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java cùng với các chức năng và câu lệnh có sẵn đóng vai trò quan trọng để gỡ lỗi, biên dịch mã cũng như chỉnh sửa.
Mã chính được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file hex, sau đó được tải xuống cho chip Atmega 2560 ở trong bo Chúng ta có thể dễ dàng tải xuống phần mềm lập trình này trên trang chủ của Arduino.
Hình 4.3: Giao diện phần mềm lập trình Arduino IDE
Thanh công cụ: gồm File, Edit, Sketch, Tool và Help dùng đểđiều khiển các chức năng.
Serial Monitor: giúp người dùng giao tiếp với thiết bịbên dưới thông qua giao thức truyền thông nối tiếp
Hàm Setup: giúp người dùng có thể khai báo cho các chân vào/ ra, cài đặt tốc độ baudrate cho việc giao tiếp…
Output Panel: được sử dụng đểđưa ra nhận xét vềmã cũng như phần bộ nhớ đã chiếm
Hàm loop: là hàm lặp giúp chạy chương trình, các lệnh trong hàm này sẽđược thực thi liên tục từ khi bạn cấp nguồn cho arduino và ngừng lại khi ngắt nguồn Arduino
Visual Studio là một phần mềm hỗ trợđắc lực hỗ trợ công việc lập trình Công cụ này được tạo lên và thuộc quyền sở hữu của ông lớn công nghệMicrosoft Năm 1997, phần mềm lập trình nay có tên mã Project Boston Nhưng sau đó, Microsoft đã kết hợp các công cụ phát triển, đóng gói thành sản phẩm duy nhất
Hình 4.4: Phần mềm Visual Studio 2019
Visual Studio có nhiều tính năng cực kỳ tiện lợi hỗ trợ Github, hỗ trợ đa nền tảng (Linux, Windows, Mac), hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình (HTML, CSS, C#, F#, C/C++, JSON, JavaScript,…), tính năng Intellisense chuyên nghiệp, giao diện dễ sử dụng, thao tác, có cả bản trả phí, miễn phí khác nhau cho nhiều đối tượng sử dụng
Trong việc lập trình hệ thống này, Visual Studio được sử dụng để lập trình ứng dụng giao tiếp với hệ thống dựa trên Windows Form bằng ngôn ngữ C#
Hình 4.5: Giao diện của hệ thống
Ô Toolbox: Trong đó chứa các thành phần cần thiết cho lập trình Windows form như textbox, Label, Timer ….
Phần cài đặt thuộc tính: cho phép chỉnh sửa thuộc tính của các thành phần, ví dụnhư: size, text, key down …
Phần làm việc: dùng để thiết kế phần giao diện, kéo thả các thành phần trong ô Textbox vào và sắp xếp lại
Khi nhấn vào các thành phần 2 lần, Visual Studio sẽ tựđộng chuyển sang màn hình lập trình
Hình 4.6: Giao diện màn hình lập trình
Sau khi thao tác và lập trình thì đây là kết quả cuối cùng cho giao diện giao tiếp giữa hệ thống và máy tính của hệ thống cấp phôi tựđộng dạng cuộn cho máy cắt Laser công nghiệp
Hình 4.7: Giao diện giao tiếp
Sau khi lập trình các chức năng cho phần mềm, phần mềm đã có thể giao tiếp được với hệ thống, gửi được các thông số vềđộ dài phôi, vận tốc, gia tốc Phần mềm được đặt tên là: “Đề tài cấp phôi tựđộng”
SerialPort: Cổng giao tiếp với kit Arduino, cần cài đặt Baudrate giống nhau giữa Arduino và máy tính Trong hệ thống, tốc độ baud rate được cài đặt là 9600
Cổng kết nối: Tại đây, phần mềm sẽ quét toàn bộ các cổng Com đang có trong máy tính, cần lựa chọn đúng cổng Com của hệ thống để kết nối và gửi dữ liệu
Các phần nhập độ dài, tốc độ, gia tốc: Đây là nơi cài đặt các thông số cho hệ thống, Sau khi nhấn nút gửi, các thông số này sẽđược gửi xuống cho bộ xử lý trung tâm, sau khi xử lý chuỗi, hệ thống sẽ chạy với thông số này Ô trạng thái: hiển thị các thông số vềđộ dài, vận tốc cũng như gia tốc của các thành phần trong hệ thống, giúp người dùng kiểm soát được các thông số này Đó là các thành phần và chức năng chính của phần ứng dụng giao tiếp cho hệ thống cấp phôi tựđộng cho máy laser công nghiệp
4.2.3 Thư viện hỗ trợđiều khiển động cơ bước
4.2.3.1 Thư viện AccelStepper Điều khiển động cơ bất đồng bộ là vấn đề khó, với các thư viện có sẵn của Arduino như thư viện Stepper thì các hàm trong đây sử dụng các hàm delay có sẵn Các hàm delay này làm chương trình bị dừng lại Đề giải quyết vấn đề này, cần thay thế các
37 hàm delay bằng các hàm khác được viết bằng Timer ví dụnhư hàm millis() của Arduino và ý tưởng đó được thể hiện bằng thư viện AccelStepper Để sử dụng thư viện này, cần thêm nó bằng cách: Nhấn Ctrl + Shift + I hoặc chọn Sketch => Include Library => Manage Libraries
Hình 4.8: Giao diện phần thêm thư viện
Sau đó tìm thư viện AccelStepper và nhấn Install Như vậy, thư viện AccelStepper đã được thêm vào phần mềm Arduino IDE Sau đó cần thêm thư viện AccelStepper trong phần chương trình để có thể sử dụng các hàm của nó “#include AccelStepper”.
Một số hàm sử dụng trong đề tài: setAcceleration( int ): khởi giá trị biến thiên tần số phát xung cho động cơ, đơn vị: xung/s 2 setMaxSpeed( int ): Đặt tần số phát xung tối đa cho động cơ, đơn vị: xung/s setSpeed( int ): Đặt giá trị tần số phát xung không đổi cho động cơ, đơn vị:xung/s moveTo( int ): Đặt vị trí muốn động cơ di chuyển tới, đơn vị: xung
SetCurrentPosition( int ): Đặt lại vị trí hiện tại cho động cơ, bất kỳ vịtrí nào cũng có thể là gốc mới nếu dùng hàm này run(): Để động cơ hoạt động cần có hàm này Sau khi cài đặt đối số cho các hàm setAcceleration(), setMaxSpeed(),moveTo(), gọi hàm run() và động cơ sẽ di chuyển có tang, giảm tốc tới vịtrí đã đặt runSpeed( int ): Tương tựnhư hàm run(), nhưng khi gọi động cơ sẽ chạy với tốc độkhông đổi
Với thư viện AccelStepper người dùng có thểđặt giá trị âm cho vận tốc, vị trí
Thư viện AccelStepper cho phép điều khiển 1 động cơ với vận tốc, gia tốc, độ dài, hướng, đã cài đặt Nhưng với đề tài này, do cần phải điều khiển đồng bộ2 động cơ bước nên vì thếnên thư viện MultiStepper bước được sử dụng
Thư viện MultiStepper có thể điều khiển đến 10 động cơ bước, giúp chúng di chuyển đến vịtrí đã đặt chính xác Thích hợp cho các máy in 3D, máy CNC, …
Tính toán chương trình điều khiển
4.3.1 Tìm giá trịvi bước và giá trịdòng điện phù hợp cho động cơ
Do các động cơ có dòng điện giới hạn là 2,3A nên những giá trị lớn hơn ta không thử nghiệm vì có thể làm cháy, hỏng động cơ
Với động cơ của cơ cấu nhả cuộn, tiến hành thay đổi các thống số vềvi xung cũng như dòng điện thì tìm được giá trịdòng điện phù hợp là 1A tương ứng với SW4 = OFF, SW5 = OFF, SW6 = ON, vi xung phù hợp là 1/4 suy ra được số xung cần dùng đểcơ cấu nhả quay hết một chu kỳ là 1600 xung
Tương tự với động cơ băng tải, do mặt băng tải được làm từ gỗ nên phần lực ma sát tác dụng lên băng tải lớn, khi thử dòng bằng 1A thì động cơ chạy yếu, kêu to, hay bị kẹt, từđó suy ra cần tăng thêm dòng cho động cơ băng tải Với dòng bằng 1,5A, vi xung bằng 1/4 ta nhận thấy rằng động cơ băng tải chạy êms, không bị kẹt
4.3.2 Truyền dữ liệu cho hệ thống
Yêu cầu đặt ra là mỗi sản phẩm có thể có kích thước khác nhau, do vậy cần phải thay đổi khoảng cách mỗi lần băng tải cuộn phôi, tốc độ, gia tốc của băng tải cũng cần phải thay đổi được để phù hợp với loại vật liệu cần khắc
Phần mềm “Đề tài cấp phôi tựđộng” có tính năng điều chỉnh độ dài phôi (đơn vị: mm) cùng với đó là gia tốc (đơn vị: mm/s 2 ), tốc độ(đơn vị: mm/s) của băng tải và cơ cấu nhả cuộn.Tuy nhiên, thư viện AccelStepper chỉ hỗ trợ việc thay đổi độ dài phôi, thông số tốc độ, gia tốc của động cơ thông qua các hàm moveTo(), setMaxspeed(), setAccelaration() các hàm này lại có đối sốcó đơn vị lần lượt là xung, xung/s và xung/s 2 , vì vậy cần có hệ thức chuyển đổi từ thông sốđộ dài, tốc độ, gia tốc người dùng nhập vào phần mềm sang thông sốmà thư viện AccelStepper có thể chấp nhận được Sau đây là cách chuyển đổi đơn vị
Công thức tính độ dài phôi sau một chu kỳ quay của lô cuốn là:
𝐿 = (𝑑 + 𝑑 ) ∗ 𝜋 (mm) với: d1 - đường kính lô cuốn đơn vị mm d2 - độ dày của mặt băng tải đơn vị mm
Thay d1 = 25 mm, d2 = 1,5 mm, ta có: L = 83,56 mm
Do động cơ quay hết một chu kỳ cần 1600 xung và độdài phôi tương ứng là 83,56 mm từđó suy ra đểđi được 1mm sẽ cần 1600/83,56 (xung) Vậy ta có công thức quy đổi x (mm) độ dài phôi qua xung là:
𝑛 = 𝑥 83.56∗ 1600 với: x –độdài phôi do người dùng nhập, đơn vị: mm n – sốxung tương ứng, đơn vị: xung
Tương tự, ta có công thức quy đổi vận tốc ởđơn vị mm/s qua tần số phát xung ở đơn vị xung/s là:
𝑣 = 𝑣 83,56 ∗ 1600 với: v1 – tần sốphát xung đơn vị: xung/s v - tốc độđộng cơ do người dùng nhập vào, đơn vị: mm/s
Tương tự, ta có công thức quy đổi gia tốc ởđơn vị mm/s 2 qua độ biến thiên tần số phát xung ởđơn vị xung/s là:
𝑎 = 𝑎 83,56 ∗ 1600 với: a1–độ biến thiên tần sốphát xung, đơn vị: xung/s 2 a – gia tốc động cơ do người dùng nhập vào, đơn vị: mm/s 2
4.3.3 Tính tốc độ phù hợp cho hệ thống
Do hệ thống cấp phôi cần sự chính xác cao, vì thế việc tìm tốc độ phù hợp cho hệ thống rất quan trọng và độ chính xác của hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác
40 của băng tải, hay độ chính xác của động cơ băng tải Vì lí do đó, ta cần tìm tốc độ phù hợp nhất cho băng tải, đây là tốc độmà băng tải hoạt động nhanh nhất mà vẫn đảm bảo độ chính xác cao, tính ổn định cao và quan trọng là hệ thống vẫn hoạt động ổn định,
Lấy độ biến thiên tần số phát xung a1 = 2000 xung/s 2 hay gia tốc a = 104,5 mm/s 2 và độ dài phôi sau một chu kỳ quay của lô cuốn L = 83,56mm Xét lần lượt các giá trị vận tốc bằng: 20,89; 27,85; 41,78; 55,7; 60,34 mm/s ứng với các giá trị tần số phát xung 400; 600; 900; 1200; 1300 xung/s Thực hiện đo 5 lần thu được nhận bảng sau:
Bảng 4.1: Tìm tốc độ phù hợp cho băng tải
(mm/s) Độ dài các lần đo (đơn vị: mm) Đo lần 1 Đo lần 2 Đo lần 3 Đo lần 4 Đo lần 5
Qua bảng trên, với vận tốc bằng 60,34 (mm/s), động cơ bước bắt đầu cho kết quả giữa các lần không còn giống nhau và không còn sát với kết quảđềra ban đầu Vậy có thể kết luận rằng: với vận tốc lớn hơn hoặc bằng 60,34 mm/s hay tần số phát xung lớn hơn hoặc bằng 1300 xung/s thì hệ thống không còn hoạt động chính xác nữa Qua lần thử này, có thể thấy rằng giá trị vận tốc lớn nhất đểđộng cơ băng tải chạy ổn định và chính xác là: vmax = 55,7 mm/s ứng với tần số phát xung lớn nhất là 1200 xung/s, gia tốc a = 104,5 mm/s 2 ứng với độ biến thiên tần số phát xung bằng 2000 xung/s 2
Ta tiếp tục thử nghiệm hiệu suất của hệ thống khi ghép nối với laser, lấy độ biến thiên tần số phát xung a = 2000 xung/s 2 hay gia tốc động cơ vận tốc lớn nhất nhận các giá trị lần lượt là: 20,89; 27,85; 41,78; 55,7 mm/s hay tần số phát xung lần lượt bằng: 400; 600; 900; 1200 xung/s, độdài phôi L = 83,56 mm, thu được bảng sau:
Bảng 4.2: Thử nghiệm năng suất của hệ thống Vận tốc (mm/s) Số sản phấm/phút Tổng độ dài(mm)
Như vậy, vềcơ bản mô hình của hệ thống đã đạt đủnăng suất đềra ban đầu Tuy vậy hệ thống vẫn còn rất nhiều hạn chế cần khắc phục, cải tiến sau này
Chương 5: KẾT QUẢVÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hình 5.1: Hệ thống cấp phôi dạng cuộn cho máy laser công nghiêp
Sau khi lắp ráp, hoàn thiện hệ thống đã có thể chạy ổn định, giao tiếp giữa máy tính và hệ thống diễn ra mượt mà, hệcũng đã giao tiếp được với máy cắt Laser Vềcơ bản mô hình của hệ thống đã đạt đủnăng suất đề ra ban đầu mặc dù vậy hệ thống vẫn còn rất nhiều hạn chế cần khắc phục, cải tiến sau này
Với những vấn đề đang tồn tại với hệ thống, phương hướng phát triển hoàn thiện đề tài được phân chia theo ba phần: cơ khí, điện tử và điều khiển
Đối với thiết kế cơ khí
Ta cần nâng cấp, thay thế các kết cấu cơ khí, đảm bảo chịu được tải lớn, hoạt động ổn định, giảm ồn, thiết kếđẹp mắt hơn Đối với cơ cấu nhả cuộn: đầu tư, nghiên cứu hoàn thiện các phần như trục quay, trục lô cuốn, nghiên cứu thêm cơ cấu giữ phôi, cải thiện cơ cấu cuốn phôi sao cho có thể sử dụng với nhiều loại phôi có độ dày khác nhau, từđó làm giảm sai số, tăng độ chính xác, tính linh động cho hệ thống Đối với phần băng tải: nghiên cứu, nâng cấp kết cấu tăng chỉnh băng tải giúp dễ dàng chỉnh băng tải về trạng thái hoạt động ổn định nếu có xô lệch
Đối với thiết kếđiện tử
Vi điều khiển và các bo mạch điều khiển có thể nâng cấp lên để có tốc độ xử lý nhanh hơn, làm việc tốt hơn khi tính toán với dấu phẩy động