Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị chuyển dịch góc hai trục nc

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị chuyển dịch góc hai trục nc

-LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH THIẾT BỊ CHUYỂN DỊCH GÓC HAI TRỤC NC

THÁI NGUYÊN 2008

2.1.7 Phân độ trong trường hợp chia vòng tròn ra các phần không bằng nhau ………… 20

2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước ……… 21

2.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG II …… ……… 21

Chương III: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC……… 23

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEP MOTOR)……… 23

3.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG……… 26

3.3 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC……… 28

3.4 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG RỜI RẠC… 31 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG III……… 41

Chương IV: NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ENCODER ……… 43

4.1 Giới thiệu về encoder……… 43

4.2 Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder, LED và lỗ ……… 43

4.3 Nguyên lý cơ bản của hoạt động encoder ……… 44

4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG III……… 47

Chương V: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ……… 48

5.1 Thiết kế bộ truyền trục vít – bánh vít.……… 48

5.2 Lựa chọn loại động cơ bước ……… 51

5.3 Lựa chọn loại encoder ……… 51

5.4 Tính toán cho độ phân giải của mô hình thử nghiệm ……… 52

5.5 Thiết kế bảng mạch điều khiển ……… 54

5.6 Thao tác điều khiển phân độ ……… 76

5.7 Kết luận chương V ……… 76

Chương VI: ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN ……… 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 80

MỞ ĐẦU

Trong gia công cơ khí chính xác đầu phân độ được sử dụng và có đóng góp nhiều trong quá sản xuất và chế tạo máy Tuy nhiên, khi sử dụng đầu phân độ truyền thống thường gặp nhiều phức tạp như việc tính toán gia công phải sử dụng bảng tra, kết quả đôi khi chỉ mang tính gần đúng do trong quá trình tính toán, như quy đổi số thập phân ra phân số thường chỉ lấy gần đúng Những bất lợi đó làm hạn chế nhiều về độ chính xác gia công, tính kinh tế và hiệu quả gia công

Dựa trên cơ sở kế thừa những thiết bị truyền thống và kết hợp những thiết bị công nghệ cao, luận văn chọn hướng cải tiến và áp dụng sản phẩm điện tử với nội dung: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC

Nội dung luận văn chủ yếu với mục đích thiết kế mô hình đầu phân độ số, với ý tưởng áp dụng sản phẩm cơ điện tử trong gia công cơ khí chính xác

Tuy nhiên, mặc dù có cố gắng nhiều trong việc xây dựng ý tưởng mô hình nhưng nội dung của luận văn còn nhiều thiếu sót và còn nhiều những điểm mới cần được đề xuất và trao đổi, thảo luận thêm Tác giả rất mong và trân trọng mọi sự đóng góp, phê bình của các thầy giáo và đồng nghiệp đối với luận văn

Em xin trân trọng cảm ơn Ban Chủ nhiệm Khoa Đào tạo sau Đại học Trường Đại học KTCN, Ban Giám hiệu và Ban Chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Công nghiệp Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật đã hết sức tạo điều khiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo trong Hội đồng bảo vệ Đề cương luận văn Thạc sỹ đã góp ý, chỉnh sửa và phê duyệt đề cương để luận văn của em được hoàn thành với nội dung tốt nhất

Đặc biệt, em xin trân trọng cảm ơn Tiến sỹ Hoàng Vị, Phó Chủ nhiệm Khoa Cơ khí Trường Đại học KTCN đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình xây dựng ý tưởng mô hình và hoàn thành nội dung luận văn

Xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cộng tác viên đã giúp đỡ, thảo luận và đề xuất những giải pháp tốt nhất trong quá trình viết luận văn và xây dựng mô hình thiết bị thử nghiệm

Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã động viên, cổ vũ về tinh thần và vật chất cho bản thân trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

HỌC VIÊN

Nguyễn Mạnh Hà

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

1.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:

Trong lĩnh vực gia công chế tạo cơ khí và đặc biệt là gia công các bề mặt phức tạp để đạt được độ chính xác tương quan về hình dáng hình học thì chuyển động phân độ có ý nghĩa đặc biệt quan trọng Các thiết bị phân độ là một phần không thể thiếu của các máy công cụ Trong thực tế các cơ cấu phân độ đơn giản như: đầu phân độ trực tiếp, đầu phân độ gián tiếp, đầu phân độ vạn năng, đầu phân độ quang học… đã được sử dụng khá phổ biến và rộng rãi trong ngành chế tạo máy Với ứng dụng kỹ thuật số hiện nay, các thiết bị phân độ có ứng dụng kỹ thuật số cũng đã được sử dụng nhiều trong cơ khí chế tạo chính xác và hiện đại

Trong điều kiện thực tế ở Việt Nam hiện nay, việc nghiên cứu, thiết kế và phát triển cơ cấu phân độ số đóng vai trò quan trọng trong việc chủ động sản xuất các thiết bị phân độ cho ngành chế tạo máy của nước nhà

Vì vậy, đề tài tập trung vào việc Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình

2.1 Mục tiêu của đề tài:

- Xây dựng cấu trúc, mô hình kết cấu của thiết bị phân độ số

- Đánh giá độ chính xác dịch chuyển góc của thiết bị dịch chuyển góc hai trục NC trên cơ sở các nghiên cứu về công nghệ chế tạo thiết bị đo số trong điều kiện của Việt Nam

3.1 Nội dung của đề tài:

- Nghiên cứu, khảo sát các thiết bị phân độ truyền thống - Nghiên cứu, khảo sát các loại động cơ bước

- Nghiên cứu, khảo sát các loại encoder (bộ mã hoá vòng quay)

- Xây dựng mô hình theo hướng phát triển cấu trúc của thiết bị đầu phân độ số theo định hướng của sản phẩm cơ điện tử

- Đánh giá và kết luận

MÔ HÌNH THIẾT BỊ

Step motor + Encoder

Step motor + EncoderhÖ thèng h·m

m©m cÆp

CHƯƠNG II

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC THIẾT BỊ PHÂN ĐỘ TRUYỀN THỐNG

Đầu phân độ là một trong số những bộ phận quan trọng của máy công cụ, được dùng để chia vòng tròn ra nhiều phần đều nhau hoặc không đều nhau, cách nhau một góc độ nào đó Công việc phân độ thường gặp trong khi gia công các chi tiết sau:

- Phay các rãnh trên mặt ngoài của chi tiết trụ tròn, ví dụ: răng dao doa, răng dao phay, rãnh ta rô, bánh răng, trục then hoa, v.v…

- Phay các cạnh của chi tiết có dạng khối đa diện, ví dụ: mũ ốc, đầu bu lông, chuôi ta rô, v.v…

- Phay các rãnh trên mặt đầu của chi tiết trụ tròn, ví dụ: răng đầu mút của dao phay trụ đứng, răng của đĩa tục kết, v.v…

- Phay các rãnh trên mặt côn, ví dụ: phay bánh răng côn, phay răng của dao phay góc, v.v…

- Khoan các lỗ trên mặt đĩa, ví dụ: chế tạo đĩa phân độ - Khắc vạch trên vòng du xích của máy công cụ, v.v… * Những bộ phận chính của đầu phân độ:

Đầu phân độ phổ biến bao gồm: Cơ cấu truyền động chính bằng trục vít - bánh vít

Các bộ phận phụ như tay quay, đĩa phân độ, kim cài, cánh kéo, ụ sau

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN ĐỘ:

Tuỳ theo yêu cầu công việc và tuỳ mức độ chính xác cần thiết, có thể áp dụng một ttong các phương pháp sau:

- Phân độ trực tiếp - Phân độ giản đơn - Phân độ phức tạp - Phân độ theo trị số góc - Phân độ vi sai

2.1.1 Phân độ trực tiếp

Nguyên tắc của phương pháp phân độ trực tiếp là từ mẫu chia (tức đĩa phân độ) đến chi tiết gia công có quan hệ trực tiếp, không thông qua một cơ cấu trung gian chuyển tiếp nào Đĩa phân độ quay bao nhiêu thì chi tiết gia công quay bấy nhiêu

Với phương pháp này, số phần chia cũng như sai số hoàn toàn phụ thuộc vào đĩa phân độ, tính vạn năng kém và độ chính xác thấp (thường chỉ chia được 2, 4, 6, 12 phần đều nhau) Tuy nhiên ưu điểm của nó là đơn giản, giá thành rẻ, thao tác dễ dàng Trong các đồ gá quay chuyên dùng, thường áp dụng nguyên tắc này (ví dụ: gá khoan các lỗ dầu ở rãnh pít tông ô tô)

Để mở rộng phạm vi sử dụng, có thể thay đổi các đĩa phân độ thay thế có số lỗ khác nhau Ví dụ: đĩa có 24 lỗ thì chia được 2, 3, 4, 6, 8, 12, 24 phần đều nhau; đĩa có 30 lỗ thì chia được 2, 3, 5, 10, 15, 30 phần đều nhau, v.v…

Cũng có kiểu bố trí hệ thống trục vít – bánh vít với mục đích truyền động được êm, đều, song về nguyên tắc vẫn là phân độ trực tiếp

2.1.2 Phân độ giản đơn

Nguyên tắc của phân độ giản đơn là giữa chuyển động của tay quay phân độ với chi tiết gia công có quan hệ giảm tốc nhằm mục đích thu nhỏ sai số biểu hiện

Gá đầu phân độ trực tiếp trên máy phay

trên chi tiết, không phải chịu mức sai nhiều như bản thân đĩa phân độ; đồng thời số phần chia cũng được nhiều hơn.

Nếu tỷ số giảm tốc của ụ phân độ là N (thường N= 40 hoặc có khi N = 30, 60, 80 ) thì muốn chi tiết

gia công quay 1 vòng, phải xoay tay quay N vòng

Ví dụ: với N= 40, muốn chia vòng tròn ra 2 phần đều nhau thì tay quay phải quay: 20

= vòng

Ta có công thức tổng quát:

Trong đó: n - số vòng tay quay khi phân độ;

N - Tỷ số giảm tốc của ụ phân độ (thường N = 40); Z- số phần cần chia đều

Đĩa phân độ có nhiều hàng lỗ với số lượng lỗ khác nhau Cơ cấu mở góc dùng làm chuẩn đánh dấu để khỏi nhầm lẫn trong khi phân độ

Ví dụ: Ụ phân độ có N = 40, cần phay khối 7 cạnh đều Như vậy mỗi lần phân độ khởi phẩm phải quay 1/7 vòng Tay quay ụ phân độ phải quay:

2.1.3 Phân độ phức tạp

Đối với phương pháp phân độ giản đơn nói trên thì chỉ chia được vòng tròn ra số phần Z chẵn với số lỗ có sẵn trên đĩa phân độ Gặp trường hợp số phần cần chia không chẵn với số lỗ ở đĩa phân độ, ta phải áp dụng phương pháp phân độ phức tạp hoặc phương pháp phân độ vi sai Với

ụ phân độ giản đơn thì dùng phương pháp phân độ vi sai phức tạp và với ụ phân độ vạn năng thì dùng phương pháp phân độ vi sai Ví dụ: Cần phân độ ra 61, 79, 83, 89, 91, 93 phần, thường không phân độ giản đơn được

Nguyên tắc của phương pháp phân độ phức tạp là phối hợp 2 lần phân độ giản đơn để thực hiện phần chia lẻ trên một chi tiết Nội dung công việc như sau:

- Bước 2: Chốt của tay quay vẫn nằm trong lỗ của đĩa phân độ, quay tay quay cho kéo theo cả đĩa cùng quay trong khi đó nhìn mũi nhọn M, cho tới khi đĩa quay được một số lỗ nào đó đã tính toán thì dừng lại

2.1.3.3 Công thức tính toán:

Có thể áp dụng một trong hai công thức sau:

- Nếu trong hai bước phân độ cùng quay tay quay theo một chiều thì:

Z = + (1)

- Nếu chiều quay của tay quay trong hai bước ngược nhau thì:

Z =− (2) Trong hai công thức trên:

H1 - Số lỗ phải quay tay quay đi qua trong bước 1;

H2 - Số lỗ phải quay đĩa đi qua mũi nhọn M trong bước 2; n1 - Số lỗ của vòng lỗ trên đĩa đã được chọn trong bước 1; n2 - Số lỗ của vòng lỗ trên đĩa đã được chọn trong bước 2; Z - Số phần cần chia trên chi tiết gia công

2.1.3.4 Cách tính:

+ Áp dụng công thức (1) trình tự tính như sau:

Trước hết, phân tích Z ra hai thừa số Z1 Z2 = Z với dụng ý sao cho Z1 và Z2 là ước số của số lỗ trên hai hàng lỗ có sẵn ở đĩa phân độ mà ta sẽ chọn

Đặt:

Z = + (với Z1 Z2 = Z) Rút ra: 40 = Z2.H1 + Z1.H2

Đặt H2 = 1, ta có: 40 = Z2.H1 + Z1.1 Z2.H1 = 40 – Z1 =>

ZZH = −

Đưa trị số H1, H2 đã tìm được vào công thức (1):

1 140

lên Cách làm lớn một phân số để giữ nguyên trị số cũ, như ta đã biết là nhân tử số và mẫu số với cùng một số nguyên nào đó

Ví dụ: Chia 93 phần đều nhau, tính toán như sau:

Đặt H2 = 1, ta có: 40 = 3.H1 + 31.1

3.H1 = 40 – 31 = 9 => H1 =

= 3

+=+=+=Kết quả cuối cùng là:

Bước 1, phải quay tay quay đi 3 lỗ trên hàng lỗ 31

Bước 2, phải quay đĩa (và tay quay) đi 11 lỗ trên hàng lỗ 33 Cả hai bước cùng quay theo một chiều

+ Áp dụng công thức (2) trình tự tính như sau:

Trước hết, phân tích Z ra hai thừa số Z1.Z2 sao cho khi tăng chúng lên sẽ trùng với số lỗ có sẵn trên đĩa phân độ

Đặt:

Z = − Rút ra: 40 = Z2.H1 - Z1.H2Đặt H2 = 2, ta lấy được trị số H1

Đưa trị số H1, H2 đã tìm được vào công thức (2):

1 240

Đặt H2 = 2, ta có: 40 = 3.H1 - 31 2 3.H1 = 40 + 31.2 =102 => H1 = 102/3 = 34

Ở đây phân số 3134

(lớn hơn 1) đã được đổi ra hỗn số Kết quả cuối cùng là:

Bước 1, phải quay tay quay đi 1 vòng và 3 lỗ trên hàng lỗ 31

Bước 2, phải quay đĩa (và tay quay) đi 22 lỗ trên hàng lỗ 33 nhưng theo chiều ngược lại

2.1.4 Phân độ vi sai

Về nguyên tắc, phương pháp phân độ vi sai cơ bản như phân độ phức tạp, nghĩa là một mặt tay quay cứ quay đi một số vòng số lỗ nào đó; mặt khác đĩa phân độ lại quay thêm hoặc lùi lại để bù trừ phần sai Điểm khác biệt là: ở phương pháp phân độ vi sai thì hai bước phân độ đó xảy ra đồng

thời và bước 2 được thực hiện một cách tự động nhờ truyền động của bộ bánh răng thay thế đã tính chọn theo yêu cầu

Cấu tạo của đầu phân độ vi sai thực hiện yêu cầu trên như sau: quay tay quay làm bộ truyền trục vít – bánh vít quay, truyền chuyển động đến

trục chính (chi tiết gia công) quay với với tỷ số giảm tốc

Giữa trục chính 2 và

trục trục phụ 1 có lắp bộ bánh răng

. làm cho trục phụ quay, thông qua cặp bánh răng côn làm cho đĩa phân độ quay

+ Cách tính toán phân độ vi sai:

Chi tiết gia công

ụ sau

cánh kéo kim cài

dĩa chia

tay quay ụ phân độ

mâm cặp

Đầu tiên, ta chọn Z* gần bằng Z (số phần cần chia đều) Z* gọi là cho phần chia giả thiết Tỷ số truyền động từ trục chính đến trục phụ của đầu phân độ sẽ là:

Bánh răng a lắp ở trục chính, b lắp ở trục phụ của đầu phân độ.

Nếu Z* > Z thì i > 0 tức là đĩa phân độ phải quay cùng chiều với trục chính để bớt phần lẻ đi

Nếu Z* < Z thì i < 0 tức là đĩa phân độ phải quay ngược chiều với trục chính để bù thêm phần lẻ Trường hợp này phải lắp thêm bánh răng trung gian vào xích truyền động

Ví dụ:

Muốn phay một bánh răng có 111 răng trên đầu phân độ có N = 40 Tính bánh răng lắp ngoại ở xích truyền động, chọn đĩa phân độ và số vòng quay khi phân độ như sau:

- Chọn Z* = 120

40 *

- Chọn bánh răng:

;

hoặc

; hoặc

; hoặc

; v.v…

- Vì 120 > 111 nên không cần bánh răng trung gian (đĩa phân độ sẽ quay cùng chiều với trục chính) Bánh răng a lắp ở cuối trục chính, bánh răng d lắp ở cuối trục phụ và hai bánh răng b và c lắp chung trên một trục trung gian ở cầu chuyển động

- Số vòng quay của tay quay khi phân độ là:

; hoặc

; hoặc

; v.v…

Lắp bánh răng thay thế khi phân độ vi sai

Nếu vòng có 30 lỗ thì quay đi 10 lỗ, cắm vào lỗ thứ 11 Nếu vòng có 24 lỗ thì quay đi 8 lỗ, cắm vào lỗ thứ 9 Nếu vòng có 66 lỗ thì quay đi 22 lỗ, cắm vào lỗ thứ 23

2.1.5 Phân độ vạn năng không dùng đĩa chia độ

Đầu phân độ vạn năng từ tay quay tới trục chính (tức là chi tiết gia công) phải qua các khâu: bộ bánh răng lắp ngoài

; bộ vi sai hình côn

có tỷ số

truyền là

i và bộ truyền trục vít –

bánh vít

(thường là 2/1) còn cặp bánh răng trung gian có tỷ số truyền 1/1 không ảnh hưởng gì đến tính toán Đồng thời xích truyền động thứ 2 là từ trục chính của đầu phân độ, qua bộ bánh răng lắp ngoài

, qua cặp bánh răng côn

có tỷ

số truyền

, trở lại kéo tay quay tiến thêm hoặc lùi lại một chút

+ Phương pháp phân độ giản đơn trên phân độ vạn năng không đĩa:

Khi phân độ giản đơn, quá trình truyền động trong đầu phân độ sẽ diễn ra trên xích truyền động thứ nhất, tức là từ tay quay, qua bộ bánh răng a1, b1, c1, d1, qua bộ vi sai côn đạt tỷ số truyền

, cuối cùng qua bộ truyền trục vít – bánh vít đạt tỷ số

truyền

để làm quay chi tiết gia công Trường hợp này phải tháo bộ bánh răng a2, b2, c2, d2 ra để triệt bỏ xích truyền động thứ 2

Bộ bánh răng lắp ngoài a1, b1, c1, d1 tính như sau:

1=Ví dụ:

Muốn phân độ ra 60 phần bằng nhau, chọn bánh răng lắp ngoài như sau:

- Nếu muốn tay quay quay 1 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:

- Nếu muốn tay quay quay 2 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:

+ Phương pháp phân độ vi sai trên đầu phân độ vạn năng không đĩa:

Trường hợp này phải chia hai bước: phân độ giản đơn với phần chia giả thiết, sau đó bù trừ phần lẻ Muốn thế phải sử dụng cầu bánh răng

2222

để làm cho tay quay tự động quay thêm hay quay ngược lại một chút.

Trên xích truyền động này bộ vi sai hình côn có tỷ số truyền là

Trình tự phân độ như sau:

Bước 1, Lấy Zx (phần chia giả thiết) xấp xỉ Z, tiến hành phân độ giản đơn theo Zx bằng xích truyền động i1 Bộ bánh răng của xích truyền động i1 được tính như sau:

ZZZZiZZZ − x =Rút ra:

Nếu Zx > Z thì i2 > 0 không cần bánh răng trung gian Nếu Zx < Z thì i2 < 0 phải lắp thêm 1 bánh răng trung gian

Chú ý, hai bước đó thực tế cùng thực hiện song song Ví dụ:

Phân độ ra 63 phần bằng nhau, phân độ như sau:

= Lấy Zx = 60 thì

Muốn vặn tay quay 2 vòng chẵn mỗi lần phân độ thì:

=Bù trừ sai số bằng xích truyền động i2:

Với Zx < Z , phải lắp thêm bánh răng trung gian ở bộ bánh răng i2

Z ;

Trong đó: Z - số vòng và số lỗ mà tay quay của đầu phân độ phải quay

θ - góc cần quay của chi tiết gia công Ví dụ:

- Muốn phay hai rãnh cách nhau một góc 810 , thì phải quay tay quay

Ví dụ:

- Muốn phay hai rãnh cách nhau một góc 16036’ thì thao tác phân độ như sau:

1 2 3

4 5 6

7

3

2 8

4 9

60 + =

Tức là khi phân độ, tay quay phải quay một vòng cộng thêm 16 lỗ trên vòng có 19 lỗ Trong sổ tay kỹ thuật có bảng quy đổi số thập phân ra phân số Trong ví dụ trên, số 0,8444 không có trong bảng, ta lấy số xấp xỉ là 0,8421 tương đương

Nếu không có sẵn bảng, ta có thể tính bằng phương pháp ước lược phân số cho tới khi mẫu số trùng với số lỗ của một vòng nào đó trên đĩa phân độ Ví dụ: 0,8512 tạm lấy là 0,85 và ta ước lược như sau:

0=== Nếu đĩa phân độ có 20 vòng lỗ, ta phải quay 17 lỗ

Ví dụ:

- Góc θ =8016'32" Khi phân độ, tay quay phải quay như sau:

==

32 lỗ trên vòng có 49 lỗ 

 +

4 Sang rãnh thứ 3 quay 4 vòng và 44 lỗ vẫn trên

hàng lỗ đó 

 +

4 và tiếp tục như sau tới rãnh thứ 5: 

 +

 +

49444 ,

 +

 +

15 Từ rãnh thứ 6 trở đi, lại tiếp tục như đầu

2.1.8 Phân độ theo theo trị số góc (dịch chuyển góc) theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước

Phương pháp này sử dụng động cơ bước để phân độ và bộ encoder để hiển thị trị số góc quay của chi tiết gia công thay cho sử dụng đĩa phân độ

Cách phân độ dựa theo công thức sau: θ.i=n

Trong đó: θ - góc cần quay của chi tiết gia công i - Tỷ số truyền của cặp trục vít - bánh vít n - số vòng quay của động cơ bước

Phương pháp này cho độ chính xác cao, không cần phải tính toán khi phân độ Phân độ tuỳ ý và quan trọng hơn là khi muốn phân độ vòng tròn ra các phần không đều nhau thì phương pháp này thao tác giản đơn hơn rất nhiều và cho kết quả chính xác

Và phương pháp này chính là nội dung nghiên cứu của luận văn

2.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG II

Phương pháp phân độ bằng đầu phân độ truyền thống được sử dụng rộng rãi trong cơ khí chế tạo Tuy nhiên, việc thao tác phân độ thường phải mất thời gian

8

cho việc tính toán trong khi gia công, đối với những trường hợp phức tạp như phân độ ra các góc không đều nhau thì việc sử dụng đầu phân độ truyền thống mất rất nhiều thời gian cho việc tính toán Trong trường hợp phức tạp thì khi tính toán chỉ lấy được số gần đúng so với dãy số có trong bảng tra, như vậy ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác, năng suất và hiệu gia công

Nội dung của luận văn đề cập tới vấn đề sử dụng phương pháp phân độ theo theo trị số góc (dịch chuyển góc) theo điều khiển gián tiếp bằng động cơ bước với

các lựa chọn sau:

- Chọn kiểu truyền động cơ khí là bộ truyền trục vít – bánh vít

- Dùng động cơ bước để truyền động thay cho tay quay và đĩa chia độ - Dùng encoder để kiểm tra góc dịch chuyển của động cơ và đối tượng điều khiển

Phương pháp phân độ này giản lược được rất nhiều thời gian cho việc tính toán, nâng cao độ chính xác, năng suất và hiệu quả gia công

CHƯƠNG III

NGHIÊN CỨU, KHẢO SÁT CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

3.1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ BƯỚC (STEP MOTOR)

Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ không đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng dừng theo các bước chuyển dịch góc

Trong điều khiển chuyển động bằng kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa ra dưới dạng số Các nước tiên tiến như Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc, v.v… và tại Việt Nam Nhà máy Nidec Sankyo (Nhật Bản) vừa đưa vào hoạt động đầu tháng 3-2007 tại Khu công nghệ cao TP.HCMđã chế tạo rất nhiều động cơ bước, trong đó chủ yếu là loại 2 cuộn, 4 cuộn và 5 cuộn dây pha Chúng được sử dụng ngày càng rộng rãi

trong các hệ thống tự động, điều khiển từ xa và nhiều thiết bị điện tử khác, nổi bật là trong các lĩnh vực như điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong hệ thống máy tính; điều khiển robot; điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học; điều khiển định vị trong các hệ quang khắc phức tạp; điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát; điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt; điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay…

Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc

quay hoặc các chuyển động của rôto và có khả năng cố định rôto vào những vị trí cần thiết

Động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto, phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi Khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây stato (phần ứng) của động cơ

bước thì rôto (phần cảm) của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Khi các xung điện áp đặt vào các cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì rôto sẽ quay liên tục (nhưng thực chất chuyển động đó vẫn là theo các bước rời rạc)

Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là

tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ

Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Trong khi động cơ một chiều không tiếp xúc có rôto thường là một nam châm vĩnh cửu (số đôi cực 2p = 2) và cần có một cảm biến vị trí rôto (để thực hiện chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển nhằm xác địh thời điểm và thứ tự đổi chiều) thì động cơ bước có rôto

dạng cực lồi gồm nhiều răng cách đều cấu thành các cặp nam châm N - S xen kẽ nhau để tạo ra số cặp cực 2p lớn hơn và không cần phải có bộ cảm biến vị trí rôto Nhờ cảm biến vị trí rôto, có thể điều khiển dòng một chiều vào các cuộn dây stato để có từ trường quay liên tục nên động cơ một chiều không

tiếp xúc quay liên tục Đối với động cơ bước, vì từ trường quay không liên tục do các xung điện cấp vào rời rạc nên rôto quay theo các bước.

Cũng giống như động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, động cơ bước có các bối dây tạo thành các pha trên stato, đồng thời trên cả rôto và stato đều có các răng để tạo thành các cặp cực và các nam châm điện Nhưng động cơ đồng bộ giảm tốc có các cuộn kích thích và cần phải có dòng điện kích thích để khởi động, còn động cơ bước không cần yếu tố này Mặt khác, trên stato của động cơ đồng bộ giảm tốc, ngoài cuộn dây phụ (để kích thích) thì cuộn dây chính thường là 3 pha hoặc 2 pha được nuôi bằng nguồn xoay chiều tạo ra từ trường quay liên tục với vận tốc góc ω Vì vậy sau khi hoàn thành việc khởi động, rôto quay với vận tốc đồng bộ (nhỏ hơn vận tốc của từ trường quay) Trong khi đó, stato của động cơ bước chỉ có một loại cuộn dây pha và chúng có vai trò như nhau

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ) số (digital device) mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu

Ví dụ, nếu các cuộn dây của động cơ được cấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1, 2, 3, … m, bởi 1 xung cực, thì rôto của động cơ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình a)

Trong thực tế để tăng cường lực điện từ tổng của stato và do đó tăng từ thông và mômen đồng bộ, người ta thường cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây Lúc đó rôto của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vectơ lực điện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện từ thành phần của các cuộn dây stato (hình b và c)

Trên hình b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị trí chính giữa hai trục của hai cuộn dây Trên hình c vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻ cuộn dây (3 cuộn dây), lực điện từ tổng F nằm trùng với trục của một cuộn dây nhưng có trị số lớn hơn Trong cả hai trường hợp (cấp điện cho một số chẵn cuộn dây và một số lẻ cuộn dây), rôto của động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rôto bằng

Trường hợp này được gọi là điều khiển không đối xứng hay điều khiển nửa bước (half step)

Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình b hoặc c) thì rôto có m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cả bước (full step)

Một các tổng quát, số bước quay của rôto trong khoảng 0 ÷ 3600 là:

K = 1 2 (1) Trong đó: p - số đôi cực của rôto;

m - số cuộn dây điều khiển trên stato (số pha); n1- hệ số

n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng; n1 = 2 ứng với điều khiển không đối xứng; n2 - hệ số

n2 = 1 điều khiển bằng xung 1 cực; n2 = 2 điều khiển bằng xung 2 cực; Bước quay của rôto trong không gian là:

3.3 CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ BƯỚC

Để tăng số bước của động cơ (tăng độ phân giải về góc), theo công thức (1), cần phải tăng số lượng cuộn dây pha m và tăng số cặp cực p

Việc tăng số lượng bối dây m trên stato gặp nhiều khó khăn do hạn chế về kích thước của stato và những trở ngại khi đặt các bôbin dây quấn vào các rãnh nửa hở của stato, đồng thời khi số pha m lớn thì mạch điều khiển cũng sẽ phức tạp hơn Do đó người ta thường làm các động cơ bước với số lượng pha m đủ nhỏ, là 2 pha, 4 pha và 5 pha; trong đó thông dụng nhất là 2 pha và 4 pha

Việc tăng số bước của động cơ cuối cùng được giải quyết bằng việc tăng số lượng cặp cực rôto Rôto động cơ bước tạo thành nhiều cặp cực được chế tạo từ vật liệu kỹ thuật đặc biệt có độ từ hoá cao và chịu được mômen tải lớn, vì chính rôto là bộ phận chịu tải trọng cơ khí thông qua trục của nó

Người ta thường chế tạo các động cơ bước có các góc bước trong khoảng từ 0,450 ÷ 150 tuỳ theo mục đích sử dụng Trong đó thông dụng nhất trên thị trường hiện nay là loại động cơ bước có góc bước 1,80 (ứng với 200 bước trong một vòng quay 3600)

Xét về cấu tạo, động cơ bước có ba loại chính:

- Động cơ bước có rôto được kích thích (có dây quấn kích thích hoặc kích thích bằng nam châm vĩnh cửu)

- Động cơ bước có rôto không kích thích (động cơ kiểu phản ứng và động cơ kiểu phản kháng)

- Động cơ bước hỗn hợp, kết hợp cả hai loại trên

3.3.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Thường được cấu tạo với stato có dạng hình móng được từ hoá với cực N và S xen kẽ nhau; rôto thường không có răng, được từ hoá vĩnh cửu vuông góc với trục (ngang trục) Loại động cơ này có góc bước trong khoảng 60 ÷ 450, tốc độ chậm nhưng có mômen khá lớn

Sơ đồ cấu tạo của động cơ bước nam châm vĩnh cửu với m = 4 và 2p = 2;

3.3.2 Động cơ bước có từ trở thay đổi

Còn gọi là động cơ phản kháng Cả stato và rôto đều có răng Rôto được làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) có từ trở thay đổi theo góc quay Mỗi răng của stato và rôto gọi là một cực Mỗi pha trên stato được quấn

thành hai cuộn nối tiếp nhau ở vị trí xuyên tâm đối trên stato, thậm chí thành 4 cuộn đôi một trực giao

Gọi NR là số răng của rôto, NP là số pha của stato, góc bước của động cơ được tính theo công thức:

PRNN

Nhìn chung loại động cơ này có số bước lớn, tần số làm việc khá cao và chuyển động êm nhưng mômen đồng bộ nhỏ

3.3.3 Động cơ bước kiểu hỗn hợp (Hybrid)

Về cấu tạo, nó kết hợp cả hai loại động cơ trên Về tính chất, nó phát huy được các ưu điểm của cả động cơ nam châm vĩnh cửu và động cơ phản kháng: có mômen hãm (khi ngắt điện), có mômen giữ và mômen quay lớn, hoạt động với tốc độ cao và có số bước lớn (góc bước trong khoảng từ 0,450 ÷ 50)

Hình bên vẽ cấu tạo động cơ hỗn hợp có góc bước là 1,80

Hiện nay trên thị trường có mặt chủ yếu là động cơ loại này với cấu tạo 2 pha hoặc 4 pha, góc bước 1,80

Trên phương diện dòng điện điều khiển, động cơ nam châm vĩnh cửu có thể phân làm hai loại: động cơ đơn cực (điều khiển bằng dòng điện đơn cực) và động cơ lưỡng cực (điều khiển bằng dòng điện lưỡng cực) Về số lượng pha trên stato, động cơ bước được phân thành loại 2 pha, 4 pha và nhiều pha

Dưới đây vẽ biểu kiến cấu tạo động cơ nam châm vĩnh cửu loại đơn cực và lưỡng cực

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 2 pha kiểu lưỡng cực

Hai cuộn dây pha đối xứng, vuông góc với nhau và được quấn thành hai phần ở vị trí xuyên tâm đối trên stato

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu 4 pha kiểu đơn cực.

Bốn cuộn dây pha đôi một trực giao và đôi một quấn kép lồng vào nhau, mỗi cuộn quấn thành hai phần ở vị trí xuyên tâm đối trên stato

3.3.4 Động cơ bước hoạt động bằng khí nén

Động cơ này gồm 1 động cơ, cặp bánh răng ăn khớp trong và một đĩa mã hóa gia lượng incorder Một driver dành cho động cơ bước này để điều khiển chuyển động

Chúng ta có thể sử dụng vòng điều khiển cả kín và hở

Chuyển động quay được rời rạc hóa bằng các chu kỳ cung cấp áp thông qua 3 cửa của động cơ Áp suất được cung cấp theo dạng xung khí nén

3.4 ỨNG DỤNG ĐỘNG CƠ BƯỚC TRONG CÁC HỆ TRUYỀN ĐỘNG RỜI RẠC

Ngày nay, động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các hệ truyền động rời rạc vì những ưu điểm nổi bật của chúng và kỹ thuật điều khiển số ngày một thêm hoàn thiện Động cơ bước thường được ứng dụng trong các hệ thống truyền động như: điều khiển đọc ổ cứng, ổ mềm và máy in trong hệ thống máy tính; điều khiển robot; điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học; điều khiển định vị trong các hệ quang khắc phức tạp; điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát; điều khiển lập trình trong các thiết bị gia công, cắt gọt; điều khiển các cơ cấu lái phương và chiều trong máy bay v.v… Trong đó đối với các hệ truyền động mà khi dừng cần có mômen giữ thì động cơ bước là cách lựa chọn phù hợp Ví dụ như điều khiển các cơ cấu lái phương và hướng trong máy bay, cơ cấu quay bệ phóng tên lửa khi dừng để phóng đòi hỏi phải có gia tốc bằng không v.v…

Nhìn chung các hệ truyền động sử dụng động cơ một chiều (servo) công suất nhỏ đều có thể thay thế động cơ một chiều thành động cơ bước với kích thước nhỏ hơn và tính năng hệ thống tốt hơn

3.4.1 Những quan điểm chung nhất khi chọn động cơ bước và môđun điều khiển cho một hệ truyền động

Động cơ bước và môđun điều khiển tạo ra khả năng điều khiển chính xác tốc độ và vị trí ở một phạm vi rất rộng Với động cơ bước, các thông tin số hoá có thể được biến đổi chính xác thành các góc quay mà không cần các dụng cụ hồi tiếp lắp vào các trục động cơ như ta-khô met, encorder v.v… Vì thế mà hệ thống điều khiển được coi là mở nên vấn đề trượt pha của vòng hồi tiếp và đi liền với nó là sự mất ổn định, thường thấy đối với động cơ một chiều, được loại bỏ

Để chọn được động cơ và môđun điều khiển được phù hợp vối một ứng dụng nhất định, một loạt các vấn đề kỹ thuật cần được người thiết kế xem xét kỹ lưỡng Đó là: đặc tuyến tải, yêu cầu kỹ thuật đặc trưng của hệ thống, các thiết kế cơ khí v.v…

Ba khía cạnh sau đây cần xem xét để có được lựa chọn tối ưu

3.4.1.1 Khảo sát các tham số

+ Khoảng cách hay lượng góc quay cần thực hiện + Thời gian tối đa cho phép khi chuyển động + Yêu cầu về độ chính xác tĩnh

+ Yêu cầu về độ chính xác động

+ Thời gian quá độ cho phép từ khi dịch bước đến khi dừng (settle time)

+ Yêu cầu về độ phân giải góc bước, liên quan đến chọn số bước cho một vòng quay và hệ cơ khí cần thiết kế, ví dụ như đổi tốc, chuyển tải (nhìn chung các vấn đề đổi tốc và chuyển tải không đồng nhất với hộp số có bánh răng)

+ Ma sát của hệ, đối với tất cả các hệ cơ khí, lực ma sát luôn luôn tồn tại Khi chọn động cơ cần nhớ rằng mômen của nó ngoài việc chịu được mômen tải cần phải thắng được tất cả các lực ma sát của hệ Nhìn chung, cần thiết kế hệ cơ càng ít ma sát càng tốt, bởi vì ma sát làm tăng thời gian quá độ và giảm độ linh động của hệ Khác với hệ chuyển động liên tục, hệ chuyển động rời rạc sử dụng động cơ bước dịch từng bước một; mỗi lần dịch bước là một lần khởi động, mà ma sát lúc khởi

động (ma sát nghỉ) bao giờ cũng lớn hơn ma sát lúc chuyển động liên tục Do đó cần giảm ma sát

+ Quán tính của hệ, là một đại lượng đặc trưng cho độ cản trở việc tăng hay giảm tốc độ của vật thể Quán tính càng lớn thì động cơ càng khó tăng - giảm tốc độ của tải và thời gian để biến đổi tốc độ càng dài Đối với một hệ quay đều thì quán tính không có tác động gì, mà nó chỉ cản trở khi hệ bắt đầu khởi động hoặc giảm tốc - dừng Như đã nêu ở trên, trong quá trình quay, động cơ bước coi như luôn luôn phải khởi động và dừng ở các vị trí góc bước nên quán tính có vai trò cản trở lớn

Đối với chuyển động quay, số đo quán tính được tính theo công thức:

Dm

J= (7) Trong đó: m- khối lượng của vật

D- khoảng cách từ tâm trục quay đến trọng tâm của vật

Công thức (42) áp dụng cho trường hợp vật có khối lượng tập trung (quy về điểm trọng tâm) Trong trường hợp vật thể có khối lượng dàn trải và mật độ khối lượng không đồng nhất thì J tính theo công thức sau:

M = (10)

Mômen có đơn vị chuẩn Anh quốc là oz.in (ao-xơ – inh), đơn vị chuẩn quốc tế là Ncm

Khi chọn động cơ và môđun điều khiển cần phải tính toán để mômen của động cơ thắng được tất cả các lực cản và mômen cản của tải (Mc) Cần nhớ là mômen của động cơ phụ thuộc vào công suất cấp của môđun điều khiển Vận tốc quay càng cao thì mômen của động cơ càng giảm Do đó khi thiết kế cần phải sử dụng các đường đặc tuyến mômen - tốc độ riêng biệt cho mỗi trường hợp

+ Tỷ số

giữa mômen và quán tính của động cơ

Được định nghĩa là mômen tối đa (Mmax) của động cơ chia cho quán tính riêng của nó

Tỷ số này cho bết khả năng gia tốc của động cơ để thắng bản thân khối lượng của chính nó Các động cơ có cùng Mmax nhưng có tỷ số

khác nhau do cấu tạo riêng của chúng

Hiển nhiên là động cơ có mômen sẽ quay được tải có mômen lớn Nhưng đồng thời động cơ có quán tính lớn cũng sẽ quay được tải có quán tính lớn Do đó không thể vì để có tỷ số

lớn mà giảm khối lượng của rôto Mặt khác khi tăng khối

lượng rôto mà bản thân mômen M của động cơ giảm nên tỷ số

giảm nhanh (vì đồng thời J cũng tăng) Giải quyết vấn đề này là bài toán tối ưu hoá của các nhà chế tạo động cơ Nhìn chung để có M và

lớn người ta thường phải tăng kích thước của rôto

Đặc tuyến mômen của động cơ được cho theo catalog Nhưng quán tính của động cơ thường không được cung cấp Vậy làm thế nào khảo sát được tham số này? Có hai cách, một là đo theo thực nghiệm, hai là tính gần đúng Ta có thể tính gần đúng như sau:

Giả sử rôto của động cơ có khối lượng là m và mật độ khối lượng là đều (có nghĩa là khối lượng riêng γ không đổi), độ dài là h và bán kính là R Theo công thức (8) và (9) ta tính quán tính quay J của động cơ

( hx)

mx =γ 2π .

( hx)xdxhxdxJ

γ 21 2

J= (11) m - độ dự trữ mômen

Nhìn chung cần phải chọn động cơ cấp được mômen lớn hơn giá trị đã tính toán Lượng mômen dự trữ này cần thiết cho các cơ cấu hộp số cơ khí, khi hệ bôi trơn bị khô dầu hoặc các loại ma sát khác phát sinh Mặt khác, khi hệ cơ khí quay với tốc độ khác nhau, ở một số tốc độ, động cơ bị cộng hưởng cũng làm giảm đi phần nào mômen quay của nó Cần phải chọn độ dự trữ về mômen ít nhất là 50%

3.4.1.2 Tính toán cân nhắc trước khi lựa chọn

* Đối với động cơ bước, vòng điều khiển từ môđun điều khiển ra trục động cơ

là mạch hở không có hồi tiếp (đầu trục không gắn ta khô – mét hoặc encorder) nên động cơ không thể “biết” nó có đáp ứng được các lệnh ra hay không Hai trường hợp có thể xảy ra:

- Trong trường hợp điều khiển ở chế độ cả bước hoặc nửa bước, nếu tải trọng quá lớn động cơ có thể không dịch được bước (mất bước)

- Trong trường hợp điều khiển vi bước, động cơ có thể nhảy quá một số bước do dòng điện điều khiển không chuẩn (trường hợp này gọi là bỏ bước)

Khắc phục hiện tượng trên có hai cách:

- Lắp encorder vào đầu trục động cơ để giám sát việc dịch bước của động cơ Đây là phương án tốn kém nhưng chắc chắn Hiện nay một số hãng đã chế tạo động cơ bước có trục hở cả hai đầu để có thể lắp được encorder Đối với hệ điều khiển

bám sát vị trí, ngoài encorder lắp ở đầu trục động cơ còn phải lắp encorder vào đầu trục của đối tượng điều khiển để giám sát được vị trí thật của đối tượng (có nghiã là kiểm tra được cả hệ thống truyền động của hộp số, trục cơ…)

- Tính toán độ dự trữ thật cao và chọn môđun điều khiển thật chính xác để chắc chắn rằng động cơ và hệ cơ khí đáp ứng trung thành các lệnh điều khiển

* Chọn quán tính tải từ 4 đến 10 lần quán tính của động cơ

- Với hệ chất lượng cao (chẳng hạn quay nhanh), tỷ số này ≤4 - Với hệ chất lượng vừa phải, chọn tỷ số này từ 4 đến 10

3.4.1.3 Chọn kích thước động cơ bằng kinh nghiệm

Kích thước động cơ có ảnh hưởng đến đặc tuyến động của cả hệ Các yếu tố cần tính đến là ma sát của hệ, quán tính tải và hiện tượng cộng hưởng Như đã đề cập, cũng một đường đặc tuyến mômen - tốc độ, động cơ nào có kích thước lớn hơn và có quán tính rôto lớn hơn thì có khả năng thắng ma sát nghỉ và quay được tải có quán tính lớn hơn Việc cân nhắc này nhìn chung khá phức tạp, chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

3.4.2 Thiết kế hệ cơ khí sử dụng động cơ bước và chọn động cơ

Cũng như mọi hệ truyền động khác, hệ truyền động sử dụng động cơ bước cần có bộ giảm tốc - chuyển tải (hay đơn giản gọi là hộp số) nối ghép từ trục động cơ ra trục quay của đối tượng Ở đây đề cập chủ yếu hai vấn đề:

- Tính toán tỷ số truyền cho bộ giảm tốc - chuyển tải - Chọn phương án giảm tốc - chuyển tải

3.4.2.1 Tính toán tỷ số truyền và chọn động cơ

Tỷ số truyền cần đáp ứng ba điều kiện sau: - Độ phân giải về góc và tốc độ quay - Tăng đủ mômen quay cho tải - Tăng đủ quán tính quay cho tải

* Độ phân giải về góc và tốc độ quay

Trừ trường hợp đặc biệt điều khiển theo vi bước, độ phân giải về góc của động cơ bước cố định là αhoặc

α đối với điều khiển cả bước và nửa bước (Ở đó αlà góc bước cho theo catalog, ví dụ α=1,80 ) Độ phân giải của đối tượng điều khiển yêu cầu cao hơn nhiều, chẳng hạn 0,060 (tương ứng 6000 bước trong một vòng quay)

Gọi tỷ số truyền là Z, độ phân giải của đối tượng là θ, ta phải chọn sao cho θ

Với ví dụ trên ta phải có: 1512,0

Bộ giảm tốc sẽ làm giảm tốc độ quay của đối tượng so với tốc độ quay của động cơ Gọi tốc độ quay của đối tượng là VT, tốc độ quay của động cơ là VM, ta phải có:

* Điều kiện về mômen

Trong trường hợp tải quay trong mặt phẳng thẳng đứng (trục quay nằm ngang) mà mật độ trọng lực không phân bố đều và đối xứng qua tâm (có nghĩa là trọng lực của tải có cánh tay đòn so với trục quay luôn thay đổi) thì phải lấy mômen tải (Mc) ở giá trị cực đại để tính toán

Nếu trục quay thẳng đứng, cần cố gắng cân bằng tải ở mọi phía theo phương nằm ngang Khi đã cân bằng thì mômen tải tương đối đều, trừ khi khởi động phải thêm mômen do ma sát nghỉ sinh ra

Trong mọi trường hợp quan hệ mômen đều phải thoả mãn:

0max Z.M

Trong đó, Mmax là giá trị lớn nhất của mômen tải;

M0 là giá trị mômen của động cơ ứng với tốc độ quay lớn nhất mà động cơ cần phải đạt trong hệ truyền động

* Điều kiện về quán tính quay

Quán tính quay không phụ thuộc vào trạng thái của trục quay trong không gian (thẳng đứng, nằm ngang hay nghiêng bao nhiêu độ) mà chỉ phụ thuộc vào khối lượng và sự phân bố mật độ khối lượng so với trục quay

Quán tính quay của động cơ có thể tính gần đúng theo công thức 2

RmJ =

Quán tính quay của tải nhìn chung phải tính theo công thức Jmxdx

không phải dựa vào kinh nghiệm và thử nghiệm

Mối quan hệ về quán tính quay cần thoả mãn điều kiện:

JT = M (15)

JT và JM lần lượt là quán tính quay của tải và của động cơ

Từ các phân tích ở trên, khi tính toán tỷ số truyền và chọn động cơ bước cần làm các bước sau:

- Từ công thức

Z tính Zmin

- Thay Zmin vào JT =4.JM.Z2 để chọn Z, nếu Zmin thoả mãn thì lấy Z0 = Zmin, nếu không buộc phải lấy Z0 > Zmin thoả mãn công thức 2

4 JZJT = M

- Từ Z0 thay vào VM ≥Z.VT để tính min (VM) sau đó chọn VM0 > min (VM) - Thay Z0 vào Mmax <Z.M0 để chọn min (M0)

- Từ VM0 và min (M0) tìm động cơ có đặc tuyến mômen - tốc độ thoả mãn (tra theo catalog)

3.4.2.2 Chọn phương án giảm tốc - chuyển tải

Khi đã có tỷ số truyền Z0, đối với hệ truyền động thông thường chỉ cần thiết kế hộp số bằng bánh răng là được tuy nhiên các bánh răng cần phải có bước răng và số răng tiêu chuẩn nên hệ số truyền Z0 thường phải hiệu chỉnh một lần nữa Quá trình hiệu chỉnh này vẫn luôn phải để ý đến các điều kiện đã nêu ra trong khi chọn tỷ số truyền Z0

Đối với hệ truyền động sử dụng động cơ bước, hộp số bằng bánh răng có một số nhược điểm sau:

- Do chuyển động quay của động cơ bước “giật cục” từng bước và có thể đảo chiều đột ngột (vừa quay vừa đảo chiều, không cần dừng trước khi đảo chiều) nên các răng thường bị các xung lực đột ngột, tức là bị va đập liên tục Hiện tượng này làm cho bánh răng nhanh bị rơ rão, đặc biệt là các then cố định bánh răng vào đầu trục dễ bị hỏng

- Hệ thống cơ khí dễ bị cộng hưởng và có tiếng ồn, nhất là khi quay ở tốc độ thấp

Chính vì lẽ đó, đối với động cơ bước ta không nên chọn hộp số bằng bánh răng thuần tuý mà chọn hai phương án giảm tốc sau:

+ Phương án trục vít – bánh vít + Phương án đai truyền có răng

Hai phương án này đều có tác dụng giảm chấn do tránh được việc phải lắp ghép các bánh răng trực tiếp với nhau

3.4.3 Một số đề xuất khi sử dụng động cơ bước

3.4.3.1 Động cơ bước trong hệ truyền động không có bộ giảm tốc

Đối với hệ truyền động sử dụng động cơ bước, yêu cầu về độ phân giải và tốc độ quay luôn mâu thuẫn nhau Để tăng độ phân giải của hệ, theo công thức (12) cần tăng hệ số truyền Z; đồng thời để tăng được vận tốc quay của đối tượng khi vận tốc quay của động cơ VM không tăng được nữa thì theo công thức (13) phải giảm hệ số truyền Z

Do đó khi cần quay một đối tượng với vận tốc cao, đồng thời vẫn phải dừng và định vị vào vị trí chính xác với độ phân giải về góc rất lớn, ta nối trực tiếp trục động cơ với trục quay của đối tượng (Z = 1) và điều khiển ở chế độ vi bước

- Khi cần quay nhanh ta cho động cơ quay ở chế độ cả bước, lúc này động cơ có thể quay nhanh như động cơ một chiều Chẳng hạn với động cơ có độ phân giải 1,80 và tần số dịch bước là 3 kHz thì đối tượng quay với vận tốc 900 vòng/phút

- Khi sắp đến vị trí cần dừng chính xác, ta cho động cơ làm việc ở chế độ vi

bước Gọi n là số góc vi bước trong một góc bước, θ là độ phân giải về góc của đối

tượng quay thì θα=

Theo công thức (14) và (15) phải có: Mmax < M0 và JT < 4.JM (17)

3.4.3.2 Lựa chọn môđun điều khiển

Như đã trình bày, việc chọn môđun điều khiển (tự thiết kế hoặc mua sẵn) phụ thuộc vào động cơ bước sử dụng trong hệ điều khiển và yêu cầu kỹ thuật của hệ khi đã nắm chắc kỹ thuật điều khiển động cơ bước, ta hoàn toàn có thể tự thiết kế môđun điều khiển phù hợp với bài toán đặt ra Dưới đây đề xuất một vài phương án lựa chọn trên cơ sở phân tích các điều khiển kỹ thuật – công nghệ hiện có trên thị trường

* Đối với động cơ hai pha

- Khi cần điều khiển từ Microproccessor nên chọn vi mạch tạo xung điều khiển L297 của hãng SGS – THOMSON Microelectronics

- Nếu dòng điện pha < 2A và điện áp điều khiển < 40V thì có thể ghép trực tiếp vi mạch L297 với cầu công suất kép L298 cũng của hãng SGS – THOMSON Microelectronics

- Nếu dòng điện yêu cầu > 2A và điện áp điều khiển < 40V thì có thể ghép song song 2 cầu công suất L298 với 1 vi mạch L297 Giải pháp này cho dòng điện tối đa đến 3,5A

- Nếu sử dụng dòng điện và điện áp cao hơn, hoặc mạch điều khiển yêu cầu phức tạp hơn thì phải tự thiết kế môđun điều khiển

* Đối với động cơ 4 pha

- Nếu động cơ có dòng < 0,5A và điện áp điều khiển < 12V và yêu cầu điều khiển đơn giản thì có thể chọn ngay vi mạch 14 chân SAA1027 của hãng VALVO

- Về phần công suất, nếu không điều khiển theo kiểu điện áp hai mức và yêu cầu về dòng – áp không cao lắm, có thể sử dụng cầu L298

Nhìn chung với động cơ 4 pha nên điều khiển theo kiểu điện áp 2 mức Mạch tạo xung cho trường hợp này thích hợp hơn cả là chọn vi mạch AA2020A của hãng Anaheim Automation Mạch công suất cần phải tự thiết kế

* Đối với động cơ 5 pha và nhiều pha

Môđun điều khiển và vi mạch tạo xung chưa có trên thị trường Cần phải tự thiết kế theo nguyên lý như đã trình bày

* Đối với chế độ điều khiển bằng nguồn dòng và ở chế độ vi bước

Các môđun điều khiển cần phải tự thiết kế theo như nguyên lý đã trình bày

3.4.3.3 Lựa chọn bộ giảm tốc và hệ truyền động

Có thể tự thiết kế, sử dụng phương án trục vít – bánh vít hoặc đai truyền

3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG III

Việc lựa chọn động cơ bước làm nguồn dẫn động cho đầu phân độ có nhiều ưu điểm sau:

- Động cơ bước có thể dùng phương pháp điều khiển chuyển động có khả năng hoạt động trong vòng hở mà không cần đến phản hồi vị trí Điều này khiến cho các hệ thống chuyển động dùng động cơ bước trở nên đơn giản hơn các hệ thống chuyển động servo Ngoài ra, một yếu tố hấp dẫn nữa là so với động cơ servo, động cơ bước có giá thành thấp hơn

- Khác với chuyển động servo, truyền động động cơ kết hợp với hệ thống động cơ bước không cần phải định chỉnh Một lợi ích khác của động cơ bước là thời gian đáp ứng nhanh Đối với công nghệ servo, hiệu chỉnh được tiến hành dựa trên lượng sai lệch (độ sai lệch giữa giá trị đặt và giá trị thực) tuân theo luật điều khiển PID vòng kín Trong hệ thống truyền động động cơ bước không sử dụng phương pháp tác động sau trễ mà sử dụng phương pháp tác động trước (proactive) không phụ thuộc vào trạng thái thực và có thể được thực hiện chỉ dựa vào điều khiển

- Động cơ có độ chính xác góc bước cao, truyền động êm, kích thước nhỏ và có mật độ mô-men cao hơn động cơ servo do sử dụng các nam châm với thành phần hóa học là các nguyên tố hiếm Nd-Fe-B, cho mức năng lượng cao hơn; và thay đổi về mặt cấu trúc như bán kính rotor lớn hơn, đã cải thiện tính năng mô-men của động cơ