Phân tích và thiết kế hệ thống CNC 2DOF dẫn động băng đai

Luận văn này tập trungvào việc thiết kế hệ thống bàn máy 2D được dẫn động bằng đai đồng thời nghiên cứu giảithuật và viết chương trình điều khiển cho bàn máy có thể chuyển động theo các

KHOA CƠ KHÍ-BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

-o0o -LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CNC 2-DOF DẪN ĐỘNG BẰNG ĐAI

SVTH : Hà Phương MSSV : 20701861 GVHD : TS Phạm Công Bằng

TP.HỒ CHÍ MINH, 2011

Thầy/Cô ở Trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã trang bị những kiến thức quý báu cũngnhư đã giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường.

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy Phạm Công Bằng, người đã tận tình chỉdạy cho em phương pháp nghiên cứu khoa học, cung cấp rất nhiều kiến thức chuyên sâu đểthực hiện đề tài Trong quá trình làm luận văn em đã tiếp thu từ Thầy rất nhiều điều quý báu

là hành trang cho em bước vào công việc và cuộc sống sau này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/Cô đã dành thời gian quý báu để nhậnxét và chấm Luận văn tốt nghiệp Đây sẽ là nhưng đóng góp rất quý giá cho em để hoàn thiện

và phát triển đề tài ngày một tốt hơn, đưa vào ứng dụng thực tiễn trong sản xuất

Xin gửi lời cám ơn đến các bạn trong nhóm luận văn do thầy Phạm Công Bằng hướngdẫn cùng tập thể lớp CK07CD đã nhiệt tình giúp đỡ mình trong quá trình học tập tại trường vàquá trình làm luận văn

Sau cùng, con xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Mẹ, Ba, Chị, Em những người đã luônluôn động viên, ở bên con trong những lúc khó khăn nhất, là động lực cho con nỗ lực cố gắngtrong suốt những năm tháng học tập tại trường và trên những bước đường tiếp theo trong cuộcsống

động trong một mặt phẳng Bàn máy 2D có thể được ứng dụng để khắc chữ cái, hoa văn trangtrí, để di chuyển đồ vật trong mặt phẳng hay trong các máy CNC nhiều bậc tự do… Có thểthấy ứng dụng của bản máy 2D rất phong phú trong nhiều lĩnh vực Luận văn này tập trungvào việc thiết kế hệ thống bàn máy 2D được dẫn động bằng đai đồng thời nghiên cứu giảithuật và viết chương trình điều khiển cho bàn máy có thể chuyển động theo các biên dạng chotrước

Tóm tắt luận văn ii

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ v

Danh sách bảng biểu viii

Chương 1: Tổng quan 1

1.1 Giới thiệu về hệ thống bàn máy 2 bậc tự do 1

1.1.1 Các loại bàn máy 2 bậc tự do 1

1.1.2 Khả năng công nghệ 3

1.1.3 Các dạng chuyển động đối với bàn máy 2 bậc tự do và ưu, nhược điểm 4

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài 7

1.3 Tổ chức luận văn 8

Chương 2: Tính toán và thiết kế mô hình cơ khí 9

2.1 Thiết kế cơ khí 9

2.1.1 Cụm khung 10

2.1.2 Cụm động cơ 10

2.1.3 Cụm pulley trơn chuyển hướng 11

2.1.4 Cụm pulley răng truyền động 12

2.1.5 Cụm cơ cấu chấp hành 12

2.2 Tính toán cơ khí 13

2.2.1 Chọn động cơ 13

2.2.2 Tính toán bộ truyền đai 14

2.2.3 Tính toán trục 16

2.3 Kết luận 17

Chương 3: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điện 18

3.1 Tìm hiểu động cơ bước 18

3.1.1 Nguyên lý chung 18

3.1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ CSA-UA56D1-SB 20

3.1.3 Giới thiệu về mạch công suất 20

3.1.4 Thiết lập chế độ hoạt động của động cơ 21

3.2 Tìm hiểu về card điều khiển 25

3.3 Thiết kế hệ thống điện 25

3.4 Kết luận 30

4.2 Phương trình động học ngược 33

4.3 Các chuyển động cơ bản của bộ phận công tác 34

4.4 Giới thiệu tập tin *.dxf 37

4.4.1 Giới thiệu sơ lược tập tin *.dxf 37

4.4.2 Cấu trúc file *.dxf 37

4.5 Giải thuật điều khiển 44

4.6 Chương trình điều khiển 49

4.7 Kết luận 50

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả 51

5.1 Kiểm tra dòng giữ (holding current) của động cơ 51

5.2 Kiểm tra tín hiệu pulse output (CW/CCW) 51

5.3 Kiểm tra dòng hoạt động (running current) của động cơ 51

5.4 Kiểm tra chế độ chia bước 52

5.5 Kiểm tra tín hiệu input từ cảm biến vào card 52

5.6 Kiểm tra tín hiệu output từ card ra cơ cấp chấp hành 53

5.7 Thực nghiệm các chuyển động cơ bản 53

5.8 Thực nghiệm nội suy đường thẳng và cung tròn 53

5.9 Thực nghiệm nội suy bằng cách chia thành các đoạn thẳng nhỏ 55

5.10 Thực nghiệm làm trơn láng quỹ đạo 56

5.11 Thực nghiệm chạy hơn 1024 bank 56

5.12 Thực nghiệm bộ phận công tác viết chữ cái 57

5.13 Kết luận 57

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển đề tài 59

6.1 Tổng kết 59

6.2 Hướng phát triển của đề tài 59

Phụ lục 61

Tài liệu tham khảo 66

Hình 1.2: Máy cắt tia nước L2040 Water Jet 2

Hình 1.3: Máy cắt laser CJG-185300 2

Hình 1.4: Máy cắt plasma TruEdge II 2

Hình 1.5: Máy đo quang 2 bậc tự do 3

Hình 1.6: Sản phẩm thép được cắt theo biên dạng 2D 3

Hình 1.7: Khắc hoa văn trên đá Granite 3

Hình 1.8: Sản phẩm 3D được tạo từ biên dạng 2D 4

Hình 1.9: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc 5

Hình 1.10: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai Flat Bridge FPA 5

Hình 1.11: Máy Shot Mini 100s 6

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai 7

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D 9

Hình 2.2: Mô hình thiết kế tổng thể 10

Hình 2.3: Cụm khung 11

Hình 2.4: Cụm động cơ 11

Hình 2.5: Cụm pulley trơn chuyển hướng 12

Hình 2.6: Cụm pulley răng truyền động 12

Hình 2.7: Cụm cơ cấu chấp hành 13

Hình 2.8: Mô hình tổng thể bàn máy 2D trong thực tế 13

Hình 2.9: Động cơ step CSA-UA56D1-SB 14

Hình 2.10: Bánh đai ATP20XL025-A-H8 15

Hình 2.11: Biểu đồ moment 16

Hình 3.1: Nguyên lý động cơ bước 2 pha đơn cực 18

Hình 3.4: Các dạng kích xung động cơ step 20

Hình 3.5: : Mạch công suất động cơ CSA-UA56D1-SB 21

Hình 3.6: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN1 21

Hình 3.7: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN2 21

Hình 3.8: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN3 22

Hình 3.9: Cụm SW1 và SW2 cài đặt các chế độ hoạt động của động cơ 22

Hình 3.10: Card điều khiển SMC-4DF-PCI 25

Hình 3.11: Sơ đồ chân cổng giao tiếp các thiết bị ngoại vi của card 26

Hình 3.12: Cách kết nối nhiều card SMC-4DF-PCI 26

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý mạch xuất xung CW, CCW .27

Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lý mạch truyền nhận tín hiệu giữa card và diver động cơ 28

Hình 3.15: Sơ đồ nối dây giữa card với động cơ bước và thiết bị output 28

Hình 3.16: Sơ đồ nối dây giữa card các cảm biến vị trí 29

Hình 3.17: Hệ thống điện được kết nối trong thực tế 29

Hình 3.18: Sơ đồ nối dây của card với các cổng COM 30

Hình 4.1: Sơ đồ động học của bàn máy 2D 31

Hình 4.2: Chuyển động nhỏ nhất của cơ cấu chấp hành 35

Hình 4.3: Lưới chuyển động của cơ cấu chấp hành 36

Hình 4.4: Phân tích chuyển động của bộ phận công tác theo hướng trục OX 36

Hình 4.5: Nội suy đường Spline 46

Hình 4.6: Làm trơn láng quỹ đạo 46

Hình 4.7: Sơ đồ lệnh chạy mỗi bank 47

Hình 4.8: Sơ đồ giải thuật điều khiển bàn máy 2D 48

Hình 4.9: Giao diện chương trình điều khiển bàn máy 2D 49

Hình 5.1 Nội suy đường tròn với tốc độ khác nhau 52

Hình 5.4: Nội suy đường tròn bằng các đoạn thẳng nhỏ 55

Hình 5.5: Thực nghiệm làm trơn láng quỹ đạo 56

Hình 5.6: Thực nghiệm chạy hơn 1024 bank 57

Hình 5.7: Thực nghiệm vẽ chuỗi “WELCOME” 57

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của động cơ CSA-UA56D1-SB 20

Bảng 3.2: Các giá trị góc bước của động cơ 22

Bảng 3.3: Các chế độ kích xung cho động cơ 23

Bảng 3.4: Các giá trị dòng giữ của động cơ 23

Bảng 3.5: Các giá trị dòng hoạt động của động cơ 24

Bảng 3.6: Chức năng của các chân nối của card 27

Bảng 4.1: Các chuyển động nhỏ nhất của cơ cấu chấp hành 35

Bảng 4.2: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng ARC 39

Bảng 4.3: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng CIRCLE 39

Bảng 4.4: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng ELLIPSE 40

Bảng 4.5: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng LINE 40

Bảng 4.6: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng POINT 41

Bảng 4.7: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng POLYLINE 41

Bảng 4.8: Nhóm mã ứng dụng cho các đối tượng SPLINE 41

Bảng 4.9: Nhóm mã sau ứng dụng cho các đối tượng TEXT 41

Bảng 5.1: Dạng nội suy được hỗ trợ trong card SMC-4DF-PCI 54

TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về hệ thống bàn máy 2 bậc tự do

Bàn máy 2 bậc tự do (2D) nhờ tác động của 2 động cơ kết hợp chuyển động của 2 trụctạo ra những quỹ đạo mong muốn trên mặt phẳng Bàn máy 2D có thể chuyển động theo trục

OX, OY trong mặt phẳng nằm ngang OXY (hình 1.1), hoặc theo 2 trục OY, OZ hoặc OX, OZtrong mặt phẳng thẳng đứng Phổ biến hiện nay là bàn máy 2D chuyển động trong mặt phẳngOXY Bàn máy có thể gắn bộ phận công tác phục vụ nhiều mục đích khác nhau như gia côngchi tiết 2D, cắt sản phẩm, khắc họa tiết, hoa văn 2D

Nhờ những tiến bộ khoa học và công nghệ hiện nay trên thị trường đã có những bànmáy 3 bậc tự do, các loại máy CNC 4, 5 hoặc 6 bậc tự do nhưng bàn máy 2D vẫn có chỗ đứngriêng của nó nhờ các ưu điểm của nó so với các loại bàn máy hiện đại khác như sau:

 Cấu tạo đơn giản

 Chi phí chế tạo và vận hành thấp

 Điều khiển linh hoạt và dễ dàng

 Phù hợp với mục đích gia công trên mặt phẳng

Hiện nay bàn máy 2 bậc tự do được ứng dụng rất rộng rãi Phần lớn các loại bàn máygia công, máy CNC phay, tiện… đều có ứng dụng bàn máy 2 bậc tự do trong việc tạo chuyểntrong mặt phẳng nằm ngang Bàn máy 2D được gắn bộ phận công tác khác nhau sẽ trở thànhcác máy chuyên biệt sử dụng các công nghệ gia công khác nhau như máy cắt tia nước (hình1.2), máy cắt laser (hình 1.3) , máy cắt plasma (hình 1.4), máy hàn cắt hoặc sử dụng vào cácmục đích khác như máy đo quang học (hình 1.5)…

Hình 1.2: Máy cắt tia nước L2040 Water Jet [2]

Hình 1.4: Máy cắt plasma TruEdge II [4]

Hình 1.5: Máy đo quang 2 bậc tự do [5] 1.1.2 Khả năng công nghệ

phẩm, gia công những vật có dạng 3D được tạo ra từ biên dạng 2D…

a) Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc

Loại bàn máy này phổ biến nhất trên thị trường hiện nay Mỗi trục được điều khiển độclập bởi 1 động cơ, truyền động bằng visme đai ốc đến bộ phận công tác Nó có ưu, nhượcđiểm là:

 Ưu điểm:

 Đã tồn tại khá lâu và phổ biến nên kết cấu gần như được hoàn thiện

 Các chi tiết lắp ráp đã được tiêu chuẩn hóa có thể dễ dàng tìm mua và thay thế, chiphí chế tạo rẻ hơn so với các dạng bàn máy khác

b) Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai

Khác với dạng chuyển động ở trên, động cơ truyền động đến bộ phận công tác qua đai

So với dạng truyền động bằng visme đai ốc, dạng truyền động bằng đai có những ưu nhượcđiểm như sau

 Ưu điểm:

 Kết cấu đơn giản hơn

 Khối lượng hệ thống được giảm đi đáng kể

 Nhược điểm:

 Bị hạn chế về mặt tải trọng của bộ phận công tác.

 Sau một thời gian phải tiến hành thay đai

Hình 1.9: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng visme-đai ốc [1]

Hình 1.10: Bàn máy 2D trục nối tiếp truyền động bằng đai Flat Bridge FPA [7]

c) Bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng vistme-đai ốc

như sau

 Ưu điểm:

 Hai trục không đặt chồng lên nhau nên dễ dàng cho việc điều khiển

 Kết cấu đơn giản dễ tháo lắp

 Nhược điểm:

 Cần chú ý tính toán bền cho phần đỡ trục phía trên

 Cụm trục phía trên gồm 1 trục và bộ phận công tác nên khá cồng kềnh

Hình 1.11: Máy Shot Mini 100s [8]

d) Bàn máy 2D dạng trục song song truyền động bằng đai

Đặc điểm của dạng bàn máy này là vị trí của bộ phận công tác được điều khiển kết hợpđồng thời của 2 động cơ thông qua chỉ một dây đai đơn (hình 1.12) Ưu, nhược điểm của dạngnày đó là:

 Nhiệm vụ đề tài

 Phân tích, thiết kế và chế tạo bàn máy 2D dẫn động bằng đai

 Phân tích động học hệ thống và xây dựng giải thuật điều khiển bàn máy 2D

 Thiết kế chương trình giao diện điều khiển bàn máy 2D bằng chương trình Visual C#2008

Để thực hiện các nhiệm vụ trên thì cần tổ chức thực hiện luận văn như sau:

Chương 2 : Tính toán và thiết kế mô hình cơ khí.

Chương 3: Tìm hiểu và thiết kế hệ thống điện

Chương 4: Phân tích động học và xây dựng giải thuật điều khiển.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả.

Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển của đề tài.

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ MÔ HÌNH CƠ KHÍ

Trong chương này sẽ tiến hành tính toán và thiết kế cơ khí bàn máy 2D sao cho đảmbảo các yêu cầu về kỹ thuật như độ bền, độ chính xác dịch chuyển là 0,1 mm, vùng hoạt độngcủa cơ cấu chấp hành là 350 x 250 (mm)

2.1 Thiết kế cơ khí

Y

XA

5-Pulley chuyển hướng6-Con trượt

7-Thanh trượt8-Động cơ

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý của bàn máy 2D

Dựa vào sơ đồ nguyên lý của bàn máy (hình 2.1), tiến hành thiết kế sơ bộ mô hình tổngthể và các cụm chi tiết trong mô hình

 Cụm pulley trơn chuyển hướng

 Cụm pulley răng truyền động

 Cụm cơ cấu chấp hành

2.1.1 Cụm khung

Cụm khung (hình 2.3) sử dụng những thanh nhôm định hình tiết diện ngang là 30 x 30(mm), độ dài thanh nhôm là 850 và 450 (mm), được lắp chặt với nhau bằng các miếng tamgiác Khung nhôm được đặt trên mặt phẳng, dùng để đỡ các cụm chi tiết khác

 Pulley truyền động từ trục động cơ đến đai

Đây là cụm giúp cố định động cơ lên cụm khung và làm nhiệm vụ dẫn động chính chotoàn bộ bàn máy

Hình 2.3: Cụm khung

Hình 2.4: Cụm động cơ

2.1.3 Cụm pulley trơn chuyển hướng

Mô hình cụm pulley trơn chuyển hướng trong thiết kế và thực tế được thể hiện tronghình 2.5 Đây là cụm giúp chuyển hướng đai, góp phần với đai tạo chuyển động lên xuốngdọc theo trục OY cho bộ phận công tác Cụm chi tiết này gồm có:

 2 Pulley trơn

 Tấm đế chữ T

 Thanh trượt

 Con trượt

2.1.4 Cụm pulley răng truyền động

Đây là cụm quan trọng góp phần truyền động đai đến bộ phận công tác ngoài ra còndùng để căng đai vì vị trí của cụm có thể dễ dàng dịch chuyển và cố định lại Mô hình củacụm trong thiết kế và chế tạo thực tế như hình 2.6 gồm có các chi tiết sau:

 Pulley răng

 Đế gắn vào cụm khung

Hình 2.5: Cụm pulley trơn chuyển hướng

Hình 2.6: Cụm pulley răng truyền động 2.1.5 Cụm cơ cấu chấp hành

Cụm cơ cấp chấp hành giúp truyền động trực tiếp từ đai qua bộ phận công tác Mô hìnhcụm này trong thiết kế và thực tế mô tả trong hình 2.7 bao gồm các thành phần chính sau:

 Con trượt

 Thanh trượt

 Chi tiết kẹp đai trong

 Chi tiết kẹp đai ngoài

Hình 2.7: Cụm cơ cấu chấp hành

Mô hình bàn máy 2D dẫn động bằng đai trong thực tế thể hiện như hình 2.8

Hình 2.8: Mô hình tổng thể bàn máy 2D trong thực tế

2.2 Tính toán cơ khí

2.2.1 Chọn động cơ

Mô hình sử dụng động cơ step CSA-UA56D1-SB (hình 2.9) của hãng Flexmotion.Các thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ thể hiện trong bảng 2.1

Hình 2.9: Động cơ step CSA-UA56D1-SB Bảng 2.1: Các thông số cơ bản của động cơ Step

2.2.2 Tính toán bộ truyền đai

Theo yêu cầu nhiệm vụ luận văn, độ chính xác của bàn máy là 0,1(mm) Với góc xoaynhỏ nhất của động cơ theo bảng 2.1 là 0,25˚/bước, để đạt đước độ chính xác như yêu cầu thìđường kính bánh đai dẫn d phải thỏa:

m=35√3 P t

n =35

3

√0,0314250 =1,75Bước đai:

P = m × π = 1,75 × π = 5,5(mm)Chọn p = 5,08 (mm)

Từ m = 1,75 dựa theo bảng 4.11[9] chọn chiều rộng đai b=14 (mm)

Với đường kính bánh đai đã xác định d = 32 (mm), chọn bánh đai ATP20XL025-A-H8(hình 2.10) trong thư viện Misumi có z = 20 răng và đường kính vòng chia là d=32,34 (mm)

Moment uốn do lực Frmax sinh ra:

M=F rmax h=148,42 23=3413,66(Nmm)

Biểu đồ moment uốn được miêu tả như hình 2.11

Chọn vật liệu của bu lông là thép C20 có [σ]]min = 400 (N/mm2)

Đường kính của trục phải thỏa điều kiện

M

3413,66 (Nmm)

Hình 2.11: Biểu đồ moment 2.3 Kết luận

Chương 2 đã tiến hành thiết kế cơ khí cho mô hình bàn máy 2D, chọn động cơ và cácchi tiết pulley, đai răng, đồng thời tính toán bền ở vị trí nguy hiểm Trong chương 4 sẽ sửdụng các thông số của mô hình trong việc tính toán điều khiển bộ phận công tác như giới hạnvùng không gian làm việc, tính toán độ dài dịch chuyển nhỏ nhất của bộ phận công tác Từ đóxây dựng giải thuật nội suy cho phần điều khiển

CHƯƠNG 3

TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Trong chương này sẽ tìm hiểu động cơ bước CSA-UA56D1-SB đã chọn trong chương

2, card SMC-4DF-PCI đóng vai trò giao tiếp giữa mô hình và máy tính đồng thời điều khiểnhoạt động của mô hình Từ đó thiết kế hệ thống điện cho hệ thống

3.1 Tìm hiểu động cơ bước

Động cơ bước được chọn là CSA-UA56D1-SB của hãng Flexmotion

3.1.1 Nguyên lý chung

Động cơ bước (hay còn gọi là động cơ xung) là loại động cơ đồng bộ, không có chổithan, có thể chia 1 vòng quay thành số lượng lớn các bước nhỏ Động cơ được điều khiểnbằng tín hiệu xung một cách chính xác mà không có bộ phận hồi tiếp

Cấu tạo động cơ ở hình 2.9 là dạng động cơ bước 2 pha, đơn cực (hình 3.1) Cấu tạo tuyphức tạp hơn động cơ bước lưỡng cực nhưng mạch điều khiển đảo chiều quay thì đơn giảnhơn theo nguyên lý cấp tín hiệu thể hiện như trong hình 3.2 Nó tạo ra từ trường quay theo thứ

tự thể hiện trong hình 3.3 (từ step 1 đến step 4)

Hình 3.1: Nguyên lý động cơ bước 2 pha đơn cực [11]

Như vậy mỗi cuộn dây cần một IC cầu H để điều khiển, một cầu H cho phép tích cựccủa nguồn áp đến mỗi đầu cuộn dây và đảo chiều áp ở hai đầu cuộn dây

Hình 3.2: Dãy cấp xung mỗi pha trong điều khiển Full Step [11]

Hình 3.3: Vùng từ trường quay theo trình tự cấp xung Full Step [11]

Các dạng cấp tín hiệu cho động cơ bước đơn cực (hình 3.4)

 Một bước (Full step)

 Nửa bước (Half Step)

 Vi bước (Micro Step)

Chú thích: -Tốt nhất -Trung bình -Kém nhất

Hình 3.4: Các dạng kích xung động cơ step [10]

3.1.2 Thông số kỹ thuật của động cơ CSA-UA56D1-SB

Các thông số cơ bản của động cơ được thể hiện trong bảng 3.1

Bảng 3.1: Các thông số kỹ thuật của động cơ CSA-UA56D1-SB

Kích thước bao của động cơ (mm) 60x60x82

Tải trọng hướng trục của trục động cơ (N) 30

Tải trọng hướng tâm của trục động cơ (N) 30

Điện trở cuộn dây pha (Ω/pha) 1,2

3.1.3 Giới thiệu về mạch công suất

Mạch công suất cho động cơ thể hiện trong hình 3.5 Gồm có 3 cụm dây nối

 CN1: Kết nối mạch công suất với động cơ (hình 3.6)

 CN2: Kết nối mạch công suất với nguồn (hình 3.7)

 CN3: Kết nối mạch công suất với card điều khiển SMC-4DF-PCI (hình 3.8)

Hình 3.5: Mạch công suất động cơ CSA- UA56D1- SB [11]

Hình 3.6: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN1 [11]

Hình 3.7: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN2 [11]

3.1.4 Thiết lập chế độ hoạt động của động cơ

Cụm switch 1 và 2 (hình 3.9) được dùng để thiết lập các thông số hoạt động cơ bản củađộng cơ như góc bước, dòng giữ, dòng hoạt động

a) Cài đặt chế độ chia bước

Góc bước của động cơ mỗi lần kích xung có thể được điều chỉnh bởi 3 chân 1, 2, 3 củaSW1 Tùy thuộc vào trạng thái của 3 chân này mà góc bước có thể chọn các giá trị nằm trongbảng 3.2

Hình 3.8: Thứ tự và chức năng các dây trong cụm CN3 [11]

ON OFF

Hình 3.9: Cụm SW1 và SW2 cài đặt các chế độ hoạt động của động cơ [11] Bảng 3.2: Các giá trị góc bước của động cơ

STT chân SW1

Bước chia

Góc bước/ 1 xung

Số bước/

1 xung

Góc quay/ 1 xung

Định thời dịch pha

ON OFF OFF 8 0,03125o 1 0,03125o Xung cạnh xuống

OFF ON OFF 4 0,0625o 2 0,125o Xung cạnh lên và xuốngOFF OFF ON 8 0,03125o 2 0,0625o Xung cạnh lên và xuốngOFF OFF OFF 16 0,01560 2 0,03125o Xung cạnh lên và xuốngCài đặt mặc định số thự chân SW1: 1-ON, 2-ON, 3-ON

b) Cài đặt mode xung input

Chân số 4 của cụm SW1 được dùng để chọn chế độ kích xung cho động cơ Có 2 chế độthể hiện trong bảng 3.3

Bảng 3.3: Các chế độ kích xung cho động cơ [11]

Khi nguồn đã được bật mà động cơ trong trạng thái không quay thì dòng giữ sẽ giúpđộng cơ đứng yên tại vị trí hiện tại Dòng càng lớn thì moment giữ càng lớn nhưng đồng thờiđộng cơ sẽ nóng hơn Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của mô hình mà chọn giá trị dòng giữthích hợp trong bảng 3.4

 Cài đặt mặc định:

Số thứ tự chân SW1: 5-ON, 6-ON, 7-ON, 8-ON/dòng cài đặt 0,10 (A)

Nếu không quan tâm đến dòng giữ thì nên cài đặt các chân của SW1 ở chế độ: 5-ON,

6-ON, 7-OFF, 8-OFF/dòng cài đặt 0,90 (A)

d) Cài đặt dòng hoạt động (SW2)

Dòng hoạt động là dòng điện cung cấp cho động cơ khi động cơ quay Tương tự nhưdòng giữ, dòng hoạt động càng lớn thì moment quay càng lớn nhưng đồng thời động cơ sẽnóng hơn Tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể của mô hình mà chọn giá trị dòng hoạt động thíchhợp trong bảng 3.5

Bảng 3.5: Các giá trị dòng hoạt động của động cơ

Nếu không quan tâm đến dòng hoạt động thì nên cài đặt SW2 ở vị trí 8 /dòng 1,95 (A)

3.2 Tìm hiểu về card điều khiển

Card điều khiển dùng cho bàn máy là card SMC-4DF-PCI của hãng Contec như tronghình 3.10 Từ trong hình có thể dễ dàng nhận thấy cấu tạo của card là 1 board mạch với 1cổng giao tiếp PCI với máy tính và 1 cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi Cấu tạo của cổnggiao tiếp ngoại vi gồm 100 chân nối này được thể hiện qua hình 3.11 Chức năng hoạt độngcủa mỗi chân được chỉ rõ trong bảng 3.6

Hình 3.10: Card điều khiển SMC-4DF-PCI [12]

Với 100 chân nối này, một card SMC-4DF-PCI đơn có thể điều khiển cùng một lúc 4động cơ chạy độc lập với nhau Thêm vào đó, card còn hỗ trợ thêm chức năng đồng bộ hóahoạt động của 3 card cùng một lúc để có thể điều khiển đồng thời 12 động cơ hoạt động độclập với nhau với cách lắp đặt như hình 3.12

Tuy nhiên, nhiệm vụ của luận văn chỉ là điều khiển bàn máy CNC 2 trục thực chất làđiều khiển 2 động cơ step nên chỉ cần sử dụng 1 card là đáp ứng được yêu cầu

3.3 Thiết kế hệ thống điện

Dựa theo bản chỉ dẫn chức năng của từng chân và nguyên lý mạch xuất xung để động

cơ quay chiều cùng chiều kim đồng clockwise (CW) và ngược chiều kim đồng counterclockwise (CCW) ( hình 3.13), nguyên lý mạch truyền nhận tín hiệu giữa card và diverđộng cơ (hình 3.14) , tiến hành thiết kế sơ đồ đấu dây giữa card với động cơ và thiết bị output(hình 3.15) và cảm biến vị trí của cơ cấu chấp hành (hình 3.16) Ngoài việc kết nối với động

hồ-cơ, mô hình còn sử dụng 6 cảm biến tiệm cận giới hạn hành trình của cơ cấu chấp hành và xácđịnh điểm home, cùng với 2 thiết bị output

Hình 3.11: Sơ đồ chân cổng giao tiếp các thiết bị ngoại vi của card [12]

Hình 3.12: Cách kết nối nhiều card SMC-4DF-PCI [12]

Bảng 3.6: Chức năng của các chân nối của card

IN1/ALM Đầu vào chung 1/ cảnh báo B- Encoder pha B

-IN2/INP Đầu vào chung 2/ xác định

IN3/SD Đầu vào chung 3/ giảm vận

-IN4/LTC Đầu vào chung 4/ chốt

IN5/PCS Đầu vào chung 5/ bắt đầu

IN6/CLR Đầu vào chung 6/xóa

IN7 Đầu vào chung 1 DIR+/CCW+ Hướng/ngược chiều kim

đồng hồ +

ORG Đầu vào gốc tọa độ DIR-/CCW- Hướng/ngược chiều kim

đồng hồ

-+LIM Giới hạn hành trình theo

Hướng/cùng chiều kimđồng hồ +

-LIM Giới hạn hành trình theo

OUT-/CW-Hướng/cùng chiều kimđồng hồ -

Pin 5,7,9

Pin 6,8,10 5~10 [mA]

330Ω R

EXTIM+ (11) EXTIM- (12)

CW+/OUT+ (61) CW-/OUT- (60) CCW+/DIR+ (63) CCW-/DIR- (62)

OUT1 (64)

OUT2 (65)

MASS GND (51)

B (3)

Ᾱ (4) A_COM (5)

A (6)

Động

cơ bước

VCC (1) GND (2)

VCC

+ 24V -

Hình 3.15: Sơ đồ nối dây giữa card với động cơ bước và thiết bị output

Để tiện trong việc tháo lắp, card không kết nối thẳng với driver động cơ mà thông quacác cổng COM (hình 3.17) và terminal Hệ thống điện thực tế được thể hiện trong hình 3.18