THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY GẮN LINH KIỆN SMD TUẦN TỰ

Đề tài này tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện SMD dạng tuần tự (phù hợp với loại linh kiện 0805), chế tạo mô hình máy để kiểm tra phương án đượcchọn, thiết kế giải thuật để tối ưu hóa việc gắp linh kiện và phần mềm giám sát điều khiển.Từ mục tiêu này, đề tài này tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện dạngtuần từ có thể đáp ứng các đặc tính cơ bản sau: Tốc độ gắn linh kiện: 1800 linh kiệnh Loại linh kiện 0805 (kích thước 2mm x 1.25mm) Độ chính xác: ± 0.1mm

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong thời đại công nghiệp ngày càng phát triển, linh kiện dán đã dần thay thế linh kiện cấm trong các mạch điện Do đó nhu cầu về một máy để thực hiện việc gắn các linh kiện dán lên bo mạch được đặt ra Yêu cầu của các máy này là cần đảm bảo gắp các linh kiện từ bộ phận cấp linh kiện đến vị trí cần đặt trên bo một cách chính xác với sai số thỏa yêu cầu nhà sản xuất, tốc độ nhanh Ở Việt Nam, việc chế tạo và nghiên cứu về dạng máy trên còn hạn chế vì thế đề tài này được chủ yếu giải quyết vấn đề về thiết kế cơ khí, thiết kế hệ thống điện, mô phỏng giải thuật tối ưu đường đi, điều khiển một máy gắn linh kiện Qua đó làm chủ công nghệ, giảm giá thành sản phẩm

Luận văn gồm có 7 chương như sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HÓA

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT LUẬN VĂN iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii

DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.2 Cấu tạo của máy gắn linh kiện 2

1.3 Sơ đồ nguyên lý máy gắn linh kiện 4

1.4 Động cơ được sử dụng trong máy gắn linh kiện 5

1.5 Giải thuật điều khiển 5

1.6 Cấu trúc điều khiển 6

1.7 Đặc tính kỹ thuật của một số máy trên thị trường 7

1.8 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài 8

1.8.1 Mục tiêu đề tài 8

1.8.2 Nhiệm vụ đề tài 9

1.8.3 Phạm vi đề tài 9

1.9 Tổ chức luận văn 10

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 11

2.1 Lựa chọn sơ đồ động 11

2.2 Lựa chọn động cơ truyền động 12

2.3 Lựa chọn giải thuật điều khiển 13

2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 15

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 17

3.1 Tính toán chọn động cơ bước cho trục 17

3.1.1 Tính toán chọn động cơ bước cho trục X 18

3.1.2 Tính toán chọn động cơ bước cho trục Y 20

3.1.3 Tính toán chọn động cơ bước cho trục Z 21

3.2 Tính toán bộ truyền 24

3.2.1 Tính toán bộ truyền đai răng trục X 24

3.2.2 Tính toán bộ truyền đai răng trục Y 26

3.2.3 Tính toán bộ truyền đai răng trục Z 27

3.3 Tính toán và lựa chọn thiết kế thanh trượt trục Z 29

3.4 Tính toán và lựa chọn thiết kế con trượt tròn và thanh trượt tròn 32

3.4.1 Tính toán cho trục X 32

3.4.2 Tính toán cho trục Y 34

3.5 Tính toán trục và ổ lăn 36

3.5.1 Tính toán trục chính 36

3.5.2 Tính toán ổ lăn 38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 41

4.1 Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điện 41

4.2 Kit Tiva TM4C123G Launchpad 41

4.3 Driver điều khiển 42

4.4 Công tắc hành trình 43

4.5 Cảm biến tiệm cận 44

4.6 Module Bluetooth 45

4.7 Máy hút chân không 45

4.8 Module relay 46

4.9 Nguồn Điện 47

CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH HÓA 48

5.1 Giới thiệu giải thuật Genetic Algorithm – GA 48

5.1.1 Khái niệm 48

5.1.2 Các bước cơ bản của giải thuật di truyền 48

5.2 Mô hình Toán Tối Ưu 50

5.2.1 Mô Hình Toán 50

5.2.2 Định nghĩa các tên gọi được dùng 51

5.2.3 Giải thuật tối ưu 52

5.2.4 Mô phỏng với bài toán cụ thể 56

5.3 Mô phỏng quỹ đạo tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 61

5.3.1 Tính toán các thông số điều khiển 62

5.3.2 Kết quả mô phỏng và so sánh 62

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 66

6.1 Giao Diện Điều Khiển Trên Máy Tính 66

6.2 Phương trình quan hệ giữa khoảng cách cần di chuyển và lượng xung cần cung cấp cho 2 trục X, Y 68

6.2.1 Phương trình quan hệ của trục X 69

6.2.2 Phương trình quan hệ của trục Y 72

6.3 Giải thuật điều khiển máy 73

6.3.1 Qui định frame truyền nhận dữ liệu 73

6.3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển 73

6.3.3 Giải thuật điều khiển 75

CHƯƠNG 7 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78

7.1 Mô hình thực nghiệm kiểm tra giải thuật và điều khiển 78

7.2 Thực nghiệm xác định sai số của phương pháp điều khiển được sử dụng 79

7.2.1 Sai số trục X 79

7.2.2 Sai số trục Y 81

7.2.3 Sai số lặp lại 82

7.3 Kết quả quá trình vận hành 83

7.4 Nhận xét kết quả thực nghiệm 85

7.5 Hướng phát triển đề tài 85

PHỤ LỤC A: BÀI BÁO LIÊN QUAN TÁC GIẢ 87

PHỤ LỤC B: BÀI BÁO LIÊN QUAN ĐỀ TÀI 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 95

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các bộ phận cơ bản một máy gắn linh kiện (VP – 2500HP) 3

Hình 1.2 Các dạng bộ phận cấp linh kiện 3

Hình 2.1 Sơ đồ động sử dụng đai răng truyền động 11

Hình 2.2 Sơ đồ động sử dụng vít me bi truyền động 12

Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển được lựa chọn 15

Hình 3.1 Sơ đồ động học của máy dùng để thiết kế và tính toán 17

Hình 3.2 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và khả năng tải của động cơ step KH56KM2 – 901 19

Hình 3.3 Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ và khả năng tải của động cơ step Nema17 23

Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên trong trượt trục Z [13] 29

Hình 3.5 Momen tĩnh tác dụng lên con trượt [21] 30

Hình 3.6 Lực tương đương tác dụng lên con trượt khi chịu momen MP, MY 31

Hình 3.7 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên con trượt theo trục X 33

Hình 3.8 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên con trượt theo trục Y 34

Hình 3.9 Biểu đồ phân bố lực trên trục chính 37

Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 41

Hình 4.2 Kit Tiva TM4C123G Launchpad 42

Hình 4.3 Driver microstep với IC driver SI09AFTG 42

Hình 4.4 Công tắc hành trình Z-15GW2-B 44

Hình 4.5 Cảm biến tiệm cận JL12A3 44

Hình 4.6 Mạch thu phát bluetooth HC05 45

Hình 4.7 Các thiết bị được sử dụng để thiện hiện việc hút chân không 46

Hình 4.8 Module 1 relay với opto cách ly 46

Hình 5.1 Các bước cơ bản thực hiện giải thuật di truyền 49

Hình 5.2 Mô hình máy gắn linh kiện tuần tự 50

Hình 5.3 Lưu đồ giải thuật quá trình tìm kiếm giá trị tối ưu trong một vùng lân cận 54

Hình 5.4 Lưu đồ giải thuật quá trình lai ghép 55

Hình 5.5 Giải thuật GA áp dụng cho việc tối ưu của máy 56

Hình 5.6 Mạch điện chứa các linh kiện để thực hiện việc mô phỏng và kiểm nghiệm 57

Hình 5.7 Thứ tự di chuyển tối ưu của đầu gắp – đặt (tối ưu bằng giải thuật GA) 60

Hình 5.8 Đồ thi khoảng cách di chuyển tối ưu theo thời gian 61

Hình 5.9 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo di chuyển của đầu gắp – đặt từ vị trí (0, 0) đến vị trí (20, 9) 63

Hình 5.10 Đồ thị mô phỏng quỹ đạo di chuyển của đầu gắp – đặt từ vị trí (20, 9) đến vị trí (0, 0) 63

Hình 5.11 Đồ thị mô phỏng và so sánh 2 quỹ đạo di chuyển được đề xuất từ (0, 0) đến (20, 9) 64

Hình 5.12 Đồ thị mô phỏng và so sánh 2 quỹ đạo di chuyển được đề xuất từ (20 ,9) về 65 Hình 6.1 Giao diện điều khiển trên máy tính 66

Hình 6.2 Giao diện thực hiện giải thuật GA 67

Hình 6.3 Đồ thị quan hệ giữa số xung cung cấp và khoảng cách di chuyển theo hướng tiến trên trục X 71

Hình 6.4 Đồ thị quan hệ giữa số xung cung cấp và khoảng cách di chuyển theo hướng lùi trên trục X 71

Hình 6.5 Đồ thị quan hệ giữa số xung cung cấp và khoảng cách di chuyển theo hướng tiến trên trục Y 72

Hình 6.6 Đồ thị quan hệ giữa số xung cung cấp và khoảng cách di chuyển theo hướng lùi trên trục Y 73

Hình 6.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung 74

Hình 6.8 Giải thuật di chuyển tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 trong máy CNC 75

Hình 6.9 Giải thuật về vị trí home 77

Hình 7.1 Mô hình 3D được thiết kế bằng Solidworks 78

Hình 7.2 Mô hình thực nghiệm kiểm chứng giải thuật điều khiển và thiết kế 78

Hình 7.3 Gá đặt đồng hồ so để đo sai số trục X, Y 79

Hình 7.4 Gá đặt đồng hồ so để đo sai số lặp theo phương X, Y 82

Hình 7.5 Bo mạch kiểm nghiệm việc gắp – đặt đã được mô phỏng ở chương 5 84

Hình 7.6 Kết quả việc gắp – đặt linh kiện tại một số vị trí 84

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Các thông số động cơ step 2 pha – KH56KM2 19

Bảng 3.2 Thông số động cơ SUMTOR 57HS7630A4 21

Bảng 3.3 Các thông số động cơ step 2 pha – nema17 22

Bảng 3.4 Độ chính xác của thanh trượt ứng với từng độ dài của hãng HIWIN [20] 29

Bảng 3.5 Thông số các loại thanh trượt thuộc MG series của hãng HIWIN 30

Bảng 4.1 Các ngõ ra/vào microstep driver 43

Bảng 4.2 Công suất điện cần cung cấp cho các thiết bị 47

Bảng 5.1 Thông số vị trí của các chi tiết thu được từ phần mềm Altium 57

Bảng 5.2 Khoảng cách giữa vị trí các linh kiện, các vị trí cấp linh kiện và vị trí bắt đầu 58 Bảng 5.3 Điểm số của các vị trí cấp linh kiện ứng với các loại linh kiện 58

Bảng 5.4 Tổng điểm của các vị trí cấp linh kiện - ứng với từng loại linh kiện 59

Bảng 5.5 Điểm tiêu chuẩn của các vị trí cấp linh kiện- ứng với từng loại linh kiện score/max score) 59

Bảng 5.6 Điểm số của các vị trí đặt linh kiện ứng với các loại linh kiện 59

Bảng 5.7 Tổng điểm của các vị trí đặt linh kiện - ứng với từng vị trí đặt linh kiện 59

Bảng 5.8 Điểm tiêu chuẩn của các vị trí đặt linh kiện - ứng với từng vị trí đặt linh kiện (score/max score) 60

Bảng 5.9 Bảng tổng điểm tiêu chuẩn của các vị trí đặt linh kiện 60

Bảng 5.10 Cá thể tối ưu sau khi tiến hành giải thuật GA 60

Bảng 6.1 Bảng chuẩn cho file excel được sử dụng ở hình 6.2 67

Bảng 6.2 Khoảng cách lý thuyết mà đầu gắp – đặt sẽ di chuyển theo phương trục X và Y 69

Bảng 6.3 Khoảng cách thực tế khi đầu gắp – đặt di chuyển 800 xung theo phương trục X 69

Bảng 6.4 Khoảng cách đầu gắp – đặt đặt di chuyển trong thực tế theo phương trục X 70

Bảng 6.5 Khoảng cách đầu gắp – đặt đặt di chuyển trong thực tế theo phương trục Y 72

Bảng 7.1 Kết quả thực nghiệm di chuyển theo phương X một khoảng 50mm 80

Bảng 7.2 Kết quả thực nghiệm di chuyển theo phương Y một khoảng 50mm 81

Bảng 7.3 Giá trị sai số lặp lại đo được theo phương X 82

Bảng 7.4 Giá trị sai số lặp lại đo được theo phương Y 83

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung

Các công ty sản xuất linh kiện điện tử đã và đang đối mặt với thị trường mang tính cạnh tranh ngày càng cao, thi trường này đòi hỏi các công nghệ mới có thể cắt giảm chi phí sản xuất trong khi vẫn duy trì được chất lượng sản phẩm Sản phẩm điện

tử hiện nay chủ yếu là các bo mạch in được dùng để lắp đặt các linh kiện điện tử Phương pháp sử dụng linh kiện dán (Surface Mount Device – SMD) vào các bo mạch

in dần thay thế linh kiện cấm vì kích thước nhỏ gọn, giúp tăng độ chính xác lắp đặt

Do đó, kỹ thuật dán linh kiện bề mặt (Surface Mount Technology – SMT) ra đời, kỹ thuật này là phương pháp gắn các linh kiện điện tử trực tiếp lên trên bề mặt của bo mạch Kỹ thuật dán linh kiện bề mặt (SMT) gồm các công đoạn cơ bản sau [1]: quét hợp kim hàn, gắn linh kiện, gia nhiệt và làm mát, kiểm tra và sửa lỗi [2]

Máy gắn linh kiện là máy thực hiện công đoạn gắn linh kiện với vai trò gắp – đặt linh kiện lên bo mạch trước khi bo mạch được chuyển sang công đoạn gia nhiệt và làm mát Cũng như những công đoạn khác trong kỹ thuật dán linh kiện bề mặt (SMT), công đoạn gắn linh kiện cũng có các yêu cầu kỹ thuật như sau: cần đảm bảo gắp các linh kiện từ bộ phận cấp linh kiện đến vị trí cần đặt trên bo một cách chính xác với sai

số thỏa yêu cầu nhà sản xuất, tốc độ nhanh và thời gian ổn định (các lần gắp – đặt linh kiện phải thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau khi ở cùng khoảng cách)

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Vào những năm đầu 1980 máy gắn linh kiện đầu tiên trên thế giới được ra đời với chỉ một đầu gắp – đặt Ngày nay, máy gắn linh kiện đã không ngừng phát triển và được phân thành năm loại khác nhau dựa trên đặc điểm kỹ thuật và phương pháp vận hành bao gồm [3]: máy gắn linh kiện dạng đầu gắp – đặt linh kiện kép [4, 6], dạng đa

vị trí [5,7], dạng đầu gắp – đặt tháp xoay [2, 8], dạng đa đầu gắp – đặt [2], dạng gắp – đặt tuần tự [2] Cùng với sự phát triển nhanh và vượt bậc của các máy gắn linh kiện thì các nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa khả năng vận hành của máy lần lượt ra đời nhằm tăng hiệu suất máy, tăng khả năng cạnh trạnh trên thị trường hiện nay Các nghiên cứu

có thể kể đến như: Csaszar [4] sử dụng “Adaptive Simulated Annealing” để tối ưu khả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

năng vận hành của máy gắn linh kiện dạng đầu gắp – đặt linh kiện kép, Csaszar [5]

cũng sử dụng giải thuật “tabu search” để tối ưu khả năng vận hành của máy gắn linh kiện dạng đa vị trí, Gang PENG và Kehan ZENG [27] đã sử dụng phương pháp “An

Ad-Hoc Method with Genetic Algorithm” nhằm tối sư khả năng vạn này của máy gắn

linh kiện dạng gắp – đặt tuần tự, hay William Ho [16] đã đề xuất mô hình toán và

phương pháp “Heuristic solutions” nhằm tối ưu thứ tự gắn linh kiện và tối ưu khả năng

cấp linh kiện cho máy gắn linh kiện dạng đa vị trí,…

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở nước ta, linh kiện dán được sử dụng vào các bo mạch đã không còn quá xa lạ tuy nhiên việc nghiên cứu và chế tạo máy gắn linh kiện để thực hiện việc gia công các

bo mạch vẫn còn hạn chế Các bo mạch chủ yếu được mang gia công ngoài nước hay được vận hành bằng các máy có nguồn gốc từ nước ngoài và hầu hết các máy này đều rất đắt tiền Bên cạnh đó, các máy gắn linh kiện được sản xuất trong nước (máy gắn linh kiện của công ty SMT Tpatech) chủ yếu phục vụ việc gia công bo mạch thay vì thương mại hóa sản phẩm máy móc, vì thế việc tiếp cận hay phát triển máy gắn linh kiện ở nước ta còn khá hạn chế

→ Đề tài này được đưa ra để giải quyết vấn đề máy gắn linh kiện trong nước và giảm giá thành máy Đề tài tập trung vào thiết kế và điều khiển máy có các tính năng

cơ bản tương tự các máy hiện có trên thị trường Để thiết kế và vận hành máy gắn linh kiện dạng đầu gắp – đặt tuần tự, tất cả các yếu tố kỹ thuật cấu thành của máy đều cần được quan tâm: cấu tạo, phân loại, sơ đồ nguyên lý, động cơ, cấu trúc điều khiển và giải thuật điều khiển được sử dụng

1.2 Cấu tạo của máy gắn linh kiện

Máy dạng gắp – đặt tuần tự gồm các bộ phận cơ bản sau: bộ phận cấp linh kiện, tay máy, bàn máy đặt bo mạch, đầu gắp – đặt, vòi hút linh kiện, đồ gá dụng cụ (hình 1.1)

a) Bộ phận cấp linh kiện, bàn máy để bo mạch và đầu gắp – đặt đều có thể xoay hoặc di chuyển tùy thuộc và đặc tính kỹ thuật của máy Bộ phận gắn linh kiện có thể gắn một, hai, ba hoặc bốn đường dẫn ở bốn cạnh của máy, đồng thời bộ phận cấp linh

kiện được thiết kế để có thể thích hợp với nhiều loại bao bì linh kiện khác nhau như: bao bì dạng băng, dạng thanh, dạng khay (hình 1.2)

Đầu gắp - đặt

Vòi hút

Đồ gá dụng

cụ

Bo mạch (PCB)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

b) Tay máy thường có một hoặc nhiều đầu gắp – đặt để thực hiện việc gắp linh kiện từ bộ phận cấp và đặt chính xác vị trí trên bo mạch Mỗi đầu gắp – đặt được gắn với một hoặc nhiều vòi hút có khả năng hút và giữ linh kiện

c) Vòi hút có thể chuyển động theo phương vuông góc với bàn máy (trục Z, lên – xuống) để thực hiện việc gắp – đặt linh kiện Bởi vì có nhiều loại bao bì linh kiện với những kích thước khác nhau nên nhiều loại vòi hút khác nhau cũng như các hệ thống chuyển vòi hút tự động cũng ra đời để đảm bảo việc sử dụng đúng loại vòi hút phù hợp với từng bao bì linh kiện khác nhau

d) Đồ gá dụng cụ dùng để gá các loại vòi hút khác nhau nhằm phục vụ cho việc thay đổi vòi hút trong quá trình hoạt động của máy để đảm bảo máy sử dụng đúng vòi hút tương ứng với từng loại bao bì linh kiện khác nhau

e) Bàn máy đặt bo mạch làm nhiệm vụ giữ bo mạch cố định đảm bảo cho linh kiện được đúng vị trí Bàn máy thường chuyển động trong mặt phẳng (hai trục X-Y) sao cho bo mạch ở dưới đầu máy

1.3 Sơ đồ nguyên lý máy gắn linh kiện

Rất nhiều sơ đồ nguyên lý khác nhau của hệ thống truyền động đã được áp dụng vào máy gắn linh kiện dạng đầu gắp – đặt tuần tự nhằm đạt được độ chính xác và tốc

độ cao, sơ đồ nguyên lý của hệ thống truyền động trong các máy như: TM220A, Neo TM245P, VP - 2500HP, QH – TVM802C, SMT280, CMHT36VA, BA392V1,… có thể được sử dụng

Y X

ZVòi hút

a) Máy gắn linh kiện TM220A b) Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền động

Hiện nay, máy gắn linh kiện dạng đầu gắp – đặt tuần tự chủ yếu sử dụng sơ đồ

nguyên lý dạng tay máy dịch chuyển và bàn máy đứng yên (hình 1.3) Sơ đồ nguyên lý

này có bàn máy nhỏ gọn, thích hợp việc bố trí nhiều loại linh kiện khác nhau tuy nhiên việc tay máy di chuyển tạo ra rung động gây thiếu chính xác trong quá trình gắp – đặt (điều này có thể được giải quyết bằng các giải thuật điều khiển động cơ)

1.4 Động cơ được sử dụng trong máy gắn linh kiện

Sau khi tìm hiểu về sơ đồ nguyên lý được áp dụng vào các máy thì động cơ cũng

là một phần quan trọng trong hệ thống truyền động của máy Động cơ được sử dụng để điều khiển từng trục và bộ phận cấp phôi có thể kể đến động cơ servo hoặc động cơ bước Động cơ servo thường được dùng để điều khiển chuyển động các trục có yêu cầu momen xoắn lớn và tốc độ cao như trong các máy CNC Đối với các loại máy gắn linh kiện, các trục không yêu cầu momen xoắn quá lớn tuy nhiên lại yêu cầu độ chính xác cao thì động động cơ bước thường được sử dụng như trong các máy gắp linh kiện: TM220A, CHMT36A…

1.5 Giải thuật điều khiển

Giải thuật điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành máy, nó có ảnh hướng lớn đến sai số của máy sau sai số cơ khí Các phương pháp và giải thuật điều khiển có thể được áp dụng vào máy bao gồm: phương pháp điều khiển điểm – điểm [11], phương pháp điều khiển tăng – giảm tốc độ, giải thuật di truyền…

Phương pháp điều khiển điểm – điểm [11] thường được sử dụng để di chuyển bộ phận công tác đến một vị trí mong muốn trong các máy chuyển động 2 trục X – Y có thể được áp dụng để thực hiện việc điều khiển đầu gắp – đặt linh kiện di chuyển đến một vị trí mong muốn Để thực hiện phương pháp này, chuyển động của đầu gắp – đặt linh kiện được chia thành những phần tương ứng với từng trục từ đó quỹ đạo của đầu gắp – đặt linh kiện được tạo thành thông qua việc kết hợp những chuyển động riêng lẻ của từng trục [13] Ở các máy TM220A, Neo TM245P, VP - 2500HP, QH – TVM802C … thì đầu gắp – đặt linh kiện chuyển động tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 trong các máy CNC Nguyên lý của chuyển động này như sau: “Đầu tiên cả hai trục chuyển động đồng thời, sau đó khi một trong hai trục đạt được tọa độ theo phương đang di chuyển của chính nó thì trục đó sẽ dừng lại, trục còn lại sẽ tiếp tục chuyển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

động đến khi đạt được tọa độ cần thiết thì dừng lại Việc chuyển động này sẽ làm cho đầu gắp – đặt linh kiện di chuyển theo đường thẳng và hợp 1 góc 45o với phương ngang sau đó 1 trục sẽ chuyển động thẳng

Bên cạnh việc áp dụng phương pháp điều khiển điểm – điểm thì phương pháp điều khiển tăng – giảm tốc[11,15] cũng được sử dụng để giảm rung động của máy trong quá trình chuyển động Ngoài ra, khác với các loại máy CNC, máy gắn linh kiện

có vấn đề tồn tại trong việc điều khiển để nhằm thực hiện việc tối ưu cho hoạt động của máy [12] là vấn đề tối ưu đường đi của đầu gắp – đặt trong quá trình vận hành Để giải quyết vấn đề này, nhiều giải thuật khác nhau đã được đưa ra như [12, 16, 27, 28, 29]: giải thuật di truyền (genetic algorithm), phương pháp heuristic, phương pháp lặp (iterative approach), giải thuật di truyền cải tiến…

1.6 Cấu trúc điều khiển

Về cấu trúc điều khiển, máy gắn linh kiện có các bộ phận chính bao gồm bộ phận cấp phôi, đầu gắp – đặt, bộ phận điều khiển và bộ phận điều khiển động cơ Trong đó

có hai phương pháp chính để kết nối các bộ phận đó với nhau là phương pháp điều khiển tập trung và phân cấp:

Master

X – Axis Driver

X – Axis Motor Encoder

Feeder Driver

Feeder Motor Encoder

Slave 1 Slave 2

Hình 1.4 Cấu trúc điều khiển phân cấp

 Trong phương pháp điều khiển phân cấp (hình 1.4):

Nhiều hơn một MCU sẽ được sử dụng trong hệ thống Bên cạnh MCU master đảm nhiệm việc tính toán tổng thể, các MCU Slave đảm nhiệm việc điều khiển từng

bộ phận riêng lẻ trong máy Cấu trúc này giúp giảm nhẹ khối lượng tính toán cho master và cho phép máy thực hiện nhiều tác vụ cùng lúc Cấu trúc điều khiển phân cấp

có đặc điểm phần cứng phức tạp hơn, phải quan tâm đến vấn đề giao tiếp giữa các MCU, tuy nhiên có khả năng xử lý nhiều tác vụ cùng lúc, giúp cho thời gian xử lý của

hệ thống nhanh hơn khi sử dụng cấu trúc tập trung

 Trong phương pháp điều khiển tập trung (hình 1.5):

Một bộ điều khiển trung tâm truyền tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tác động Cấu trúc điều khiển tập trung có đặc điểm phần cứng đơn giản, tuy nhiên MCU phải xử lý tất cả thông tin trước khi cập nhật thông tin mới

MCU

X – Axis Driver

X – Axis Motor Encoder

Feeder Motor Encoder

Hình 1.5 Cấu trúc điều khiển tập trung

1.7 Đặc tính kỹ thuật của một số máy trên thị trường

Sau quá trình tìm hiểu các vấn đề liên quan đề máy gắn linh kiện thì các sản phẩm hiện có thuộc loại máy này cũng được tìm hiểu nhằm tạo cơ sở cho việc thiết kế hợp lý hơn Các máy hiện có trên thị trường bao gồm:

a) Máy gắp – đặt linh kiện CHM - T48VA của Sumilax SMT Techonologies Pvt Ltd

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Một số đặc tính kỹ thuật của máy [17]:

 Kích thước bo mạch tối đa: 450 mm x 330 mm

 Các loại linh kiện được hỗ trợ: 0201 – 0402 – 5050, SOP, QFN, BGA…

 Tốc độ gắn linh kiện: 8000 linh kiện/h

 Độ chính xác: ± 0.015mm

 Số đầu gắp đặt sử dụng: 4 đầu

b) Máy gắp – đặt linh kiện TM – 220A (hình 1.3.a)

Một số đặc tính kỹ thuật của máy [18]:

 Kích thước bo mạch: từ 20mm x20mm đến 220 mm x 200 mm

 Các loại linh kiện được hỗ trợ: 0402 – 5050, SOP, QFN…

 Tốc độ gắn linh kiện: 7000 linh kiện/h

 Độ chính xác: ± 0.025mm

 Số đầu gắp đặt sử dụng: 2 đầu

c) Máy gắp – đặt linh kiện VP – 2500HP

Một số đặc tính kỹ thuật của máy [19]:

 Kích thước bo mạch tối đa: 360mm x 500 mm

 Các loại linh kiện được hỗ trợ: 0402 – 5050, SOP, QFN…

 Tốc độ gắn linh kiện: 3600 linh kiện/h

Từ mục tiêu này, đề tài này tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện dạng tuần từ có thể đáp ứng các đặc tính cơ bản sau:

 Tốc độ gắn linh kiện: 1800 linh kiện/h

 Loại linh kiện 0805 (kích thước 2mm x 1.25mm)

 Thiết kế hệ thống điện cho máy

 Xây dựng chương trình điều khiển cho máy bao gồm:

- Tìm hiểu và lựa chọn giải thuật tối ưu đường đi cho bài toán di chuyển của đầu gắp – đặt và tiến hành mô phỏng trên matlab

- Tìm hiểu và lựa chọn giải thuật cho việc di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác của đầu gắp – đặt, sau đó tiền hành mô phỏng trên matlab

- Thiết kế giao diện cho bộ điều khiển bằng matlab, tận dụng ưu thế về tính toán của matlab để hổ trợ thực hiện giải thuật tối ưu đường đi trên máy tính

 Thực nghiệm đánh giá thiết kế và xác định sai số của giải thuật và phương pháp điều khiển

 Không sử dụng bộ phận cấp linh kiện tự động

 Phù hợp loại linh kiện 0805

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.9 Tổ chức luận văn

Từ mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài được đặt ra, đề tài được chia làm 7

chương Các chương có nội dung như sau:

 Chương 1 trình bày tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài tạo cơ sở để đặt ra mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài

 Chương 2 đề xuất các phương án thiết kế sau đó đưa ra phương án được lựa chọn có thể áp dụng để thực hiện được mục tiêu đề bài đặt ra

 Chương 3 trình bày các tính toán cơ khí phù hợp với sơ đồ động của hệ thống dẫn động đã được lựa chọn ở chương 2 bao gồm: tính toán và lựa chọn động cơ, bộ truyền đai răng, con trượt, trục, ổ lăn

 Chương 4 trình bày các linh kiện được sử dụng cho hệ thống điện của máy bao gồm: vi điều khiển, driver, cảm biến, nguồn điện, máy hút chân không,…

 Chương 5 trình bày sơ bộ về giải thuật di truyền được áp dụng cho việc tối

ưu đường đi của đầu gắp – đặt sau đó thực hiện mô phỏng và tính toán giải thuật thông qua matlab để đưa ra thứ tự di chuyển tối ưu nhất Bên cạnh đó chương 5 còn trình bày phương pháp điều khiển được áp dụng cho việc di chuyển từ điểm này đến điểm khác của đầu gắp – đặt sau đó mô phỏng và

so sánh giữa các phương pháp đưa ra

 Chương 6 trình bày về việc thiết kế bộ điều khiển của máy bao gồm: giao diện điều khiển trên máy tính, các giải thuật được áp dụng vào bộ điều khiển, qui định về frame dữ liệu sẽ được truyền nhận thông qua bluetooth

 Chương 7 trình bày kết luận về khả năng của máy, những hạn chế còn tồn tài và hướng phát triển của đề tài

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 2.1 Lựa chọn sơ đồ động

Hai dạng sơ đồ động có thể được áp dụng vào hệ thống dẫn động của máy

- Dạng 1 (hình 2.1) sử dụng đai răng để dẫn động cho các trục của hệ thống truyền động (Hệ thống truyền động của các máy TM220A, TM245P, STM280…)

Các ưu điểm và nhược điểm của sơ đồ nguyên lý dạng 1:

 Ưu điểm: Phù hợp với những ứng dụng tốc độ cao, độ chính xác cao, hành

trình di chuyển dài Đai răng không có hiện tượng trượt, kích thước bộ truyền nhỏ Bên cạnh đó, đai răng có hiệu suất truyền động cao từ 92% đến 96%

 Nhược điểm: Kéo được tải thấp hơn so với vít me

YX

Z

Hình 2.1 Sơ đồ động sử dụng đai răng truyền động

- Dạng 2 (hình 2.2) sử dụng vít - đai ốc bi để dẫn động cho các trục của hệ thống truyền động (Hệ thống truyền động của máy VP – 2500HP, BA392V1,…)

Các ưu điểm và nhược điểm của sơ đồ nguyên lý dạng 2:

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

 Ưu điểm: Hiệu suất và độ tin cậy cao, khả năng tải lớn, tuổi thọ cao, làm việc

êm và không ồn, độ chính xác cao

 Nhược điểm: Yêu cầu bảo dưỡng định kỳ, bôi trơn thường xuyên, ma sát lớn

nên mòn nhanh, hiệu suất thấp [10] Đồng thời khi hành trình chuyển động dài đòi hỏi chi phí lớn

→ Với mục tiêu đặt ra cho máy gắp – đặt linh kiện có tốc độ gắn linh kiện là

1800 linh kiện/h và độ chính xác của máy là ± 0.1mm thì sơ đồ nguyên lý hệ thống

truyền động cho các trục của máy dạng đai răng truyền động (hình 2.1) được lựa

chọn

2.2 Lựa chọn động cơ truyền động

Động cơ truyền động có thể được sử dụng trong máy gắp – đặt linh kiện gồm:

- Loại 1: động cơ servo với những ưu - nhược điểm sau:

 Ưu điểm: Cung cấp torque lớn, tốc độ cao, điều khiển vận tốc tốt hơn, ít ồn,

quay mượt ở tốc độ chậm

 Nhược điểm: Đắt hơn động cơ bước, yêu cầu phải hiệu chỉnh hệ số khi điều

khiển vòng kín dẫn đến khó điều khiển hơn động cơ bước, không phù hợp với các môi trường nguy hiểm hoặc môi trường chân không

- Loại 2: động cơ bước (được sử dụng nhiều tại các máy: TM220A, CHMT36A…) với những ưu – nhược điểm sau:

 Ưu điểm: Giá rẻ hơn động cơ servo, ít phải bảo trì, đáp ứng tốt lúc start/stop

cũng như đảo chiều động cơ, có thể làm việc trong bất cứ môi trường nào

 Nhược điểm: Bị giới hạn về mặt tốc độ, rung động và ồn khi chạy ở tốc độ

cao, có hiện tượng mất đồng bộ khi xảy ra quá tải

→ Nhận thấy việc sử dụng động cơ step để điều khiển phấn cấp chuyển động của

các trục của máy có thể đảm bảo được tốc độ và độ chính xác đặt ra tại đầu bài Đồng thời với giá thành động cơ step và driver đi kèm rẻ hơn động cơ servo (cụ thể là AC servo) thì động cơ step thích hợp để thực hiện làm mô hình kiểm nghiệm các tính toán

và điều khiển mà mục tiêu đầu bài đặt ra

2.3 Lựa chọn giải thuật điều khiển

Sai số được đặt ra tại mục tiêu đề tài: ± 0.1mm điều này đòi hỏi giải thuật điều khiển được sử dụng phải đạt được độ chính xác cao, ngoài ra tốc độ gắn linh kiện 1800 linh kiện/h cũng đặt ra yêu cầu đối với quãng đường đi mà đầu gắp – đặt di chuyển thích hợp và tối ưu để tăng tốc độ hoạt động của máy

Để đạt được mục tiêu đề tài đặt ra, phương pháp điều khiển điểm – điểm để thực hiện việc di chuyển đầu gắp – đặt đến đúng vị trí Nhận thấy quỹ đạo di chuyển của đầu gắp – đặt linh kiện từ một điểm gắp đến một điểm đặt có thể là quỹ đạo bất kỳ Vì thế hai đề xuất cho quỹ đạo sẽ được sử dụng như sau:

- Quỹ đạo thẳng sử dụng phương pháp nội suy xấp xỉ bậc thang

- Quỹ đạo chuyển động tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 trong các máy CNC Phương pháp nội suy dạng xung tham chiếu với phương pháp xấp xỉ bậc thang thường được sử dụng để di chuyển theo một biên dạng cho trước biên dạng di chuyển

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

là đường thẳng được lựa chọn, bên cạnh đó phương pháp xấp xỉ bậc thang có độ chính xác cao đặc điểm này thích hợp với sai số mà đề tài đặt ra Tuy nhiên việc áp dụng phương pháp này trong quá trình điều khiển phức tạp hơn đề xuất còn lại, đồng thời tốc độ nội suy phụ thuộc vào tốc độ của trục có quãng đường di chuyển lớn hơn

Quỹ đạo chuyển động tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 trong các máy CNC dễ

áp dụng vào điều khiển hơn phương pháp nội suy bậc thang đồng thời có thể vận hành

2 trục với tốc độ lớn nhất có thể, điều này cho phép đầu gắp – đặt linh kiện di chuyển nhanh Đồng thời sai số di chuyển phụ thuộc sai số chuyển động của từng trục mà độ chính xác từng trục được điều khiển thông qua từng xung điều khiển nên có thể dễ dàng đảm bảo độ chính xác cho máy hơn

Từ hai phân tích trên việc điều khiển đầu gắp – đặt linh kiện theo quỹ đạo chuyển động tương tự lệnh chạy dạo nhanh G0 trong CNC thích hợp cho việc điều khiển máy Bên cạnh đó, trong quá trình vận hành, máy gắp – đặt linh kiện thực hiện tuần tự hai công việc: phân phối linh kiện từ bộ phận cấp linh kiện đến vị trí cấp linh kiện trên máy và gắp - đặt linh kiện tuần tự linh kiện lên bo mạch Trong phạm vi đề tài này, máy gắp – đặt linh kiện được thiết kế đã bỏ qua việc thiết kế bộ phận cấp linh kiện tự động mà thay vào đó là giả sử rằng linh kiện đã được cấp đúng vị trí cấp linh kiện trên máy Vì thế máy được thiết kế chỉ tồn tại một vấn đề liên quan đến việc sắp xếp thứ tự gắp – đặt linh kiện Nhằm nâng cao hiệu suất, giảm chi phí lắp đặt và giảm thời gian di chuyển của đầu gắp – đặt thì việc tối ưu hóa quãng đường mà đầu gắp – đặt di chuyển được nêu ra Hai đề xuất về giải thuật tối ưu có thể được áp dụng vào máy gắp – đặt linh kiện để giải quyết vấn đề trên:

- Phương pháp đặc biệt - sử dụng kết hợp giải thuật di truyền (genetic algorithm – GA) với lựa chọn trọng số khoảng cách (Ad – hoc named Distance Score with Weights Selection – DSWS)

- Sử dụng giải thuật di truyền (genetic algorithm - GA)

Giải thuật di truyền (GA) [28] được sử dụng rộng rãi trong việc giải quyết vấn đề tối ưu đường đi hiện nay nhưng giải thuật GA lại tiêu tốn dung lượng máy tính lớn, đây cũng là một trong những hạn chế tồn tại của giải thuật GA đã và đang được nghiên cứu để giải quyết Việc sử dụng phương pháp đặc biệt kết hợp giải thuật GA với

DSWS [27] lại thích hợp với các máy gắp – đặt linh kiện có số lượng vị trí cần đặt linh kiện nhiều hơn số lượng đường dẫn cấp linh kiện Đồng thời việc phương pháp này làm hạn chế được việc tiêu tốn dung lượng máy tính lớn do vấn đề tối ưu được giải quyết bằng cách chia thành 2 giai đoạn: giai đoạn 1 sử dụng DSWS để sắp xếp lựa chọn các vị trí phù hợp, giai đoạn 2 áp dụng GA để tối ưu

→ Vì thế để giải quyết tốt đầu bài đặt ra, phương pháp đặc biệt – GA kết hợp DSWS để tối ưu đường đi của đầu gắp – đặt linh kiện được sử dụng, sau đó sử dung phương pháp điều khiển đầu gắp – đặt linh kiện theo quỹ đạo chuyển động tương tự lệnh chạy dạo nhanh G0 trong CNC

2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển

MCU

X – Axis Driver

X – Axis Motor

Y – Axis Motor

Pick and Place Head

Feeder Driver

Feeder Motor COMPUTER

Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển được lựa chọn

Ở đề tài này lựa chọn dạng điều khiển tập trung với vi điều khiển tm4c123gh6ph

sẽ đảm nhiệm toàn bộ việc tính toán cũng như điều khiển các động cơ ở các trục của máy

Bên cạnh đó matlab được lựa chọn để hỗ trợ việc tính toán cho vi điều khiển và dùng để thiết kế giao diện cho người dùng đồng thời thời matlab cũng đảm nhiệm việc tối ưu đường đi cho máy Điều này làm giảm thời gian tính toán và xử lý của vi điều

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

khiển dẫn đến vi điều khiển hoạt động tốt hơn Đồng thời việc sử dụng động cơ step để điều khiển các trục, dẫn đến sử dụng điều khiển vòng hở cho các động cơ

→ Kết luận các phương pháp được lựa chọn cho máy gắn linh kiện như sau:

 Sử dụng đai răng để dẫn động cho các trục của hệ thống truyền động

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Chế độ làm việc cho máy như sau: Thời gian phục vụ 5 năm, mỗi năm làm việc

300 ngày, mỗi ngày 2 ca, mỗi ca 4 tiếng

Sơ đồ động học máy:

Y X

Z

Hình 3.1Sơ đồ động học của máy dùng để thiết kế và tính toán

3.1 Tính toán chọn động cơ bước cho trục

Với sơ đồ động trên thì máy gắn linh kiện với sơ đồ động được chọn gồm 4 bậc

tự do: tịnh tiến theo phương X, tịnh tiến theo phương Y, tịnh tiến theo phương Z, xoay quanh trục Z Tương ứng với 4 bậc tự do đó, các cơ cấu truyền động có thể được sử dụng như sau: cơ cấu truyền động đai răng được sử dụng để tay máy chuyển động theo

2 phương X, Y; động cơ kết hợp với lò xo kéo để tạo chuyển động tịnh tiến theo phương Z, động cơ truyền động trực tiếp để tạo chuyển động xoay quanh phương Z Với yêu cầu đề bài đặt ra là 1800 chip/h và vùng không gian làm việc được thiết

kế là 200mmx200mm thì khoảng cách dài nhất của một chu trình (gồm gắp linh kiện sau đó đặt linh kiện và quay về vị trí gắp linh kiện) mà đầu gắp – đặt phải di chuyển là

2 lần đường chéo của không gian làm việc, nên suy ra được vận tốc tối đa cần thiết kế là:

Vmax =2.0,2 √2

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Để thực hiện chọn động cơ, các tiêu chí cần quan tâm đến:

 Momen quán tính

 Tốc độ

 Momen cần để kéo tải

3.1.1 Tính toán chọn động cơ bước cho trục X

Thông số đầu vào:

 Tốc độ lớn nhất: Vmax = 0,3 m/s

 Gia tốc: a =5 m/s2

 Khối lượng cầu công tác: mX = 2 kg

 Gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s2

 Hệ số ma sát của thanh trượt và con trượt [20]: μ = 0,004

Momen cần để kéo tải:

= 0,033 kg

(3.4)

Trong đó:

 ρ = 2780 kg/m3: khối lượng riêng của hợp kim nhôm (vật liệu làm bánh đai)

 b = 14 mm: bề dày của bánh đai răng với bề rộng của đai là 12,5 mm

Momen quán tính của bánh đai răng:

tự các động cơ AC servo của các hãng)

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

TM 0,8 = 0,8.0,8 = 0,64 > TL = 0,3326 N m (3.8)

→ Động cơ được chọn thỏa mãn các điều kiện về momen quán tính và momen

cần kéo tải của động cơ

3.1.2 Tính toán chọn động cơ bước cho trục Y

Thông số đầu vào:

 Tốc độ lớn nhất: Vmax = 0,3 m/s

 Gia tốc: a =5 m/s2

 Khối lượng cầu công tác: mY = 3,8 kg

 Gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s2

 Hệ số ma sát của thanh trượt và con trượt [20] : μ = 0,004

Momen cần để kéo tải:

Momen quán tính của bánh đai răng:

→ Tra tài liệu [34] lựa chọn động cơ 57HS7630A4 với các thông số trong bảng 3.2

Bảng 3.2 Thông số động cơ SUMTOR 57HS7630A4

Series Model Step Angle

(O )

Rated Current (A)

Holding Torque (N.m)

Rotor Inertia (g.cm2 )

3.1.3 Tính toán chọn động cơ bước cho trục Z

Tính toán động cơ thực hiện việc tịnh tiến

a

Thông số đầu vào:

 Tốc độ lớn nhất: Vmax = 0,1 m/s

 Gia tốc: a = 1 m/s2

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

 Khối lượng cầu công tác: mX = 0,5 kg

 Gia tốc trọng trường g = 9.81 m/s2

 Hệ số ma sát của thanh trượt và con trượt [20] : μ = 0,004

Momen cần để kéo tải:

1000 = 0,006 kg (3.17) Trong đó:

 ρ = 2780 (kg/m3): khối lượng riêng của hợp kim nhôm (vật liệu làm bánh đai)

 b = 6.5mm: bề dày của bánh đai răng với bề rộng của đai là 5 mm

Momen quán tính của bánh đai răng:

Holding torque

Momen quán tính đặt vào trục động cơ:

4000 (1200)

6000 (1800)

42(30)

0

0 21(15)

63(45)

Torque in Oz – In (N-cm)

24VDC 48VDC

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

đảm nhiệm chuyển động xoay quanh trục chính là tải trọng của vòi hút linh kiện được

sử dụng

Khối lượng của các vòi hút linh kiện được sử dụng tương đối nhỏ khoảng 100g nên lực tác dụng để cho vòi hút linh kiện xoay tương đối nhỏ khoảng 1N Điều này dẫn đến momen động cơ cần tải: M = F r = 1 r với r là bán kính trục, ω là tốc độ góc của động cơ Vì thế bán kính trục động cơ nhỏ sẽ dẫn đến công suất nhỏ vậy lựa chọn r

= 4 mm thì M < 5 Nmm Động cơ step NEMA8 dạng trục rỗng suốt (hollow shaft

stepping motor) [25] (sử dụng trục để dẫn khí nên xuống vòi hút) được lựa chọn 3.2 Tính toán bộ truyền

Các tên gọi hệ trục của các tính toán bên dưới theo hệ trục tọa độ được đặt tại sơ

đồ động

3.2.1 Tính toán bộ truyền đai răng trục X

Các tính toán và thiết kế về đai răng bên dưới được thực hiện theo tài liệu [32]: Công suất thiết kế:

Pd = K0 P1 = 1,8.3,023 = 5,4414 W (3.22) Trong đó:

 Ps: khả năng truyền động tham chiếu

 Wp: Độ rộng đai tham chiếu (bảng 27 [32 – tr.3516])

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng để tránh cắt chân răng và đứt dây đai khi đó lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:

v = 0,3 m/s: vận tốc đai

Kd = 1,25: hệ số tải trọng động

qm = 0,0032: khối lượng 1m đai có chiều rộng 1 mm

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Từ đây tính được:

q = 18,138 × 1,25

33 + 0,0032 0,3

2 = 0,687 ≤ [q] = [q0]CzCu = 5 (3.29) Trong đó:

[q0] = 5:lực vòng riêng cho thép

Cz = 1: hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đồng thời ăn khớp

Cu = 1: hệ số kể đến ảnh hưởng của truyền động tăng tốc

Như vậy, điều kiện lực vòng riêng của đai được thỏa mãn

Lực tác dụng lên trục:

3.2.2 Tính toán bộ truyền đai răng trục Y

Tương tự như tính toán bộ truyền đai răng của trục X có:

Công suất thiết kế:

 Ps: khả năng truyền động tham chiếu

 Wp: Độ rộng đai tham chiếu (bảng 27 [32 – tr.3516])

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng để tránh cắt chân răng và đứt dây đai khi đó lực vòng riêng trên đai phải thỏa mãn điều kiện:

Từ đây tính được:

q = 34,464 × 1,25

33 + 0,0032 0,3

2 = 1,306 ≤ [q] = [q0]CzCu = 5 (3.38) Như vậy, điều kiện lực vòng riêng của đai được thỏa mãn

Lực tác dụng lên trục:

3.2.3 Tính toán bộ truyền đai răng trục Z

Tương tự như tính toán bộ truyền đai răng của trục X,Y sẽ có:

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Công suất thiết kế:

Pd = K0 P1 = 1,8.0,156 = 0,2808 W (3.40) Với: P1 = F v = (0,004.0,5.9,81 + 0,5.1) 0,3 = 0,156 W: công suất trên bánh đai chủ động

Tương tư trục X chọn z1 = z2 = 20 răng

Đường kính vòng chia của các bánh đai:

Lực tác dụng lên trục:

3.3 Tính toán và lựa chọn thiết kế thanh trượt trục Z

Bảng 3.4 Độ chính xác của thanh trượt ứng với từng độ dài của hãng HIWIN [20]

Rail Length Accuracy (μm) (mm) (C) (H) (P)

Lựa chọn sai số, dựa vào sai số đầu bài đặt ra: ± 0.1mm

Dựa theo bản thiết kế thì chiều dài thanh trượt trên trục Z là 70 mm Vì thế dựa vào độ chính xác thanh trượt ứng với từng độ dài khác nhau (bảng 3.4) lựa chọn thanh trượt có độ chính xác loại C

Các thông số đầu vào để tính toán:

 Tốc độ tịnh tiến của vòi hút: Vmax = 0,1 m/s

 Gia tốc: a = 5 m/s2

 Khối lượng đầu gắp đặt: m ≈ 0,5 kg

 Hệ số ma sát của thanh trượt và con trượt [20] : μ = 0,004

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Tính toán dựa trên sơ đồ phấn bố lực hình 3.4:

 Lực tĩnh tác dụng vào con trượt:

 Theo thiết kế tải phân bố trên trục Z dạng đối xứng do đó giả sử sơ đồ lực phân bố như hình 12, trong đó l1 = 21 mm , l2 = 1 mm (Ứng dụng công

cụ Mass properties trong SolidWork)

 Tên gọi các loại momen tác dụng lên con trượt là: MR, MP, MY như hình 3.5

 Lực lớn nhất tác dụng lên con trượt là khi tăng tốc nên:

Hình 3.5 Momen tĩnh tác dụng lên con trượt [21]

→ Tra tài liệu [20] lựa chọn thanh trượt MGN9C với các thông số như bảng sau:

Bảng 3.5 Thông số các loại thanh trượt thuộc MG series của hãng HIWIN

Model No

Basic Dynamic Load Rating

Basic Static Load Rating Static Rated Moment

C (kN) C0 (kN) MR(N-M) MP(N – M) MY(N – M)