A. Giới thiệu, tính năng và ứng dụng.
MSD là bộ điều khiển động cơ DC Servo đã tích hợp sẵn một số hàm điều khiển thông dụng và hiệu quả để điều khiển vị trí, vận tốc và gia tốc của động cơ DC Servo.
a. Tính năng
10-40VDC, 0-30A, 0-400W Encoder hồi tiếp x4.
Microcontroller ATmega2560
Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12V
Input Voltage (limit) 6-20V
Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output)
Analog Input Pins 16
DC Current per I/O Pin 20 mA
DC Current for 3.3V Pin 50 mA
Flash Memory 256 KB of which 8 KB used b
SRAM 8 KB EEPROM 4 KB Clock Speed 16 MHz Length 101.52 m Width 53.3 mm Weight 37 g
Cho phép thiết lập số xung Encoder/Vòng.
Bộ lọc nhiễu Encoder có thể cấu hình lại theo ý muốn.
Bảo vệ quá dòng, ngắn mạch, cho phép giới hạn dòng điện bằng phần mềm. Công cụ dò tìm thông số hệ thống tự động.
Hỗ trợ các bộ điều khiển: State feedback, P-PI, PID, PI, …(*). Liên kết qua mạng RS485.
Làm việc độc lập nhận lện Pulse/Dir để điều khiển vị trí hoặc Analog để điều khiển vận tốc.
Có phần mềm giám sát, điều khiển và thiết lập bộ điều khiển. Hỗ trợ kết nối USB 2.0 đến phần mềm.
Công tắc giới hạn trái, phải.
b. Ứng dụng
Tự động hóa và robot. Dân dụng.
Học thuật: ngƣời sử dụng có thể dễ dàng hình dung các bộ điều khiển vận hành và hoạt động nhƣ thế nào.
B. Thông số kỹ thuật và điều kiện hoạt động
a. Thông số cơ khí:
Hình 3.10 Sơ đồ mạch driver MSD
Thông Số SDHC V1.0
Min Type Max Unit
Dòng điện ngõ ra liên tục 0 - 30 A
Điện áp nguồn hoat động dải rộng +8 - 40 V
Công suất ngõ ra: 0 - 400 W
Điện áp cấp encoder 4.5 - 5.1 V
Tần số đọc Encoder 0 - 2.5 Mhz
Dòng điện ngõ vào Encoder 5 10 20 mA
Bảng 3.3 Các thông số làm việc của mạch driver MSD
c. Điều kiện làm việc
Nhiệt độ làm việc từ 0- 70oC. Khô ráo. Tránh bụi bẩn. C . Kết nối phần cứng Hình 3.11 Các cổng mạch driver STT Tên Chân/Cổng Mô Tả 1 Pow- 0 V động cơ
2 Pow+ Nguồn cho động cơ.
4 Dir Điều khiển chiều động cơ.
5 485B Chuận 485
6 485A
7 A1 Encoder Phase A.
8 B1 Encoder Phase B.
9 GND Nguồn cấp cho mạch điều khiển. Điện áp từ 5.5-5.5V.(*)
10 IN1, IN2 Ngõ vào giới hạn hành trình.(**) 11 M+,M- Ngõ ra điều khiển động cơ
Bảng 3.4 Ký hiệu các chân trên mạch driver MSD
D. Giao diện phần mềm
Hình 3.12: Các thông số của phần mềm driver
Address: Địa chỉ của MSD trong mạng RS485. Encoder Line: số xung encoder trên một vòng.
Baud Rate: Tốc độ truyền dữ liệu trên đƣờng mạng RS485 nếu địa chỉ khác không. Pulse/Row: Nếu địa chỉ đƣa về 0 thì board nhận lệnh từ 2 chân Pulse/Dir bên ngoài,
không sử dụng mạng RS485. Thông số này sẽ quy định bao nhiêu xung nhận từ bên ngoài vào tƣơng ứng với một vòng quay của động cơ. Ví dụ nếu ta muốn dùng vi điều khiển bên ngoài nhịp 300 xung vào thì động cơ phải quay hết một vòng, thì ta nhập giá trị này là 300.
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ 4.1 Ý tƣởng thiết kế
Trƣớc hết là có một lƣợng kiến thức cơ bản về một số phần mềm thiết kế cơ khí cơ bản nhƣ : AUTO CAD, Solidworks... Trong đồ án này, nhóm sử dụng phần mềm SolidWork để thiết kế.
Dựa vào việc thự hiện công việc thực tế của ngƣời công nhân hàn. Công việc của ngƣời thợ hàn ở đây là thực hiện hàn 2 ống thép của phần cổ xe và của phần tay lái xe. Hai ống này đƣợc ghép lại nhƣ hình:
Hình 4.1: Hình ảnh về ghi-đông xe đạp được vẽ bằng phần mêm Solidwork
Công việc thực tế: ngƣời công nhân sẽ hàn chấm 2 chi tiết vào nhau để cố định hình dạng của tay lái với cổ xe, sau đó họ sẽ thực hiện công việc hàn liền 2 chi tiết này vào với nhau theo quỹ đạo là giao tuyến của 2 chi tiết này.
Ý tƣởng thiết kế: thực tế, khi đƣa ra đề tài, nhóm có 2 ý tƣởng thiết kế cho máy nhƣ sau: Thứ nhất, thiết kế máy hàn khi mũi hàn quay quanh chi tiết hàn. Ý tƣởng đƣợc trình bày khái quát qua hình sau:
Thứ hai, thiết kế cánh tay robot hàn khi chi tiết cần hàn cố định và cánh tay robot đƣa mũi hàn xoay quanh chi tiết cần hàn.
Quyết định: lựa chọn ý tƣởng thứ hai. Vì thiết kế cơ khí đơn giản vì sẽ không phải làm cánh tay robot - cái mà sẽ có các khâu nối tiếp thì tính toán và điều khiển sẽ phức tạp hơn, tốn kém chi phí hơn. Trong khi với ý tƣởng thứ hai đơn giản hơn.
4.2 Yêu cầu thiết kế.
Hàn đƣợc biên dạng sản phẩm, gá đặt nhanh, đơn giản, chính xác và có thể điều chỉnh kích thƣớc tùy theo sản phẩm .
Máy gọn gàng, đơn giản, đáp ứng đƣợc nhu cầu sản xuất.
4.3 Cơ khí
Sau nhiều lần thiết kế các cơ cấu khác nhau nhóm có đƣợc thiết kế cuối cùng của máy nhƣ sau:
Hình 4.3 Tổng thể máy được vẽ bằng phần mềm Solidwork
Các chi tiết của máy đƣợc trình bày sau đây:
4.3.1 Khung máy.
Hình 4.5 Khung máy
Vật liệu thép : Thép ss400,thép hộp vuông 30x30 mm,dày 1mm, là thép carbon thông thƣờng, tƣơng đƣơng với thép CT3 của Nga. Đặc tính:
- Bền kéo (MPa) 400-510
- Bền chảy (MPa) chia theo độ dầy:
+ Nhỏ hơn hoặc bằng 16mm : 245MPa + Từ 16-40mm : 235 MPa
+ Lớn hơn 40mm: 215 MPa
- Độ dãn dài tƣơng đối (denta) % chia theo độ dầy + Nhỏ hơn hoặc bằng 25mm : 20% + Lớn hơn 25mm: 24%
- Thử uốn nguội 180độ (r là bán kính gối uốn, a là độ dầy) + r = 1,5a
Gia công cho khung bằng phƣơng pháp hàn điện.
4.3.2 Đế gá
Phần liên kết giữa hai bộ vít-me.
Vật liệu : CT3
Hình 4.6 Đế gá
4.2.3 Hai bộ vit-me đai ốc bi
- Giới thiệu về vít me đai ốc bi
Đây là dạng vít me- đai ốc thay vì ma sát trƣợt thông thƣờng tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi chuyển thành ma sát lăn. Điều này đem đến một ƣu điểm: chỉ cần một lực rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động.
Hình 4.7 Cơ cấu bên trong vít me đai ốc bi
Bộ truyền vít me - đai ốc bi là dạng profin răng vít me và đaiốc profin dạng hình chữ nhật và hình thang, dễ chế tạo nhƣng chịu tải kém còn profin hình tròn thì khó chế tạo chịu lực lớn.
- Rãnh hồi bi có dạng: ống, theo lỗ khoan của đai ốc, rãnh giữa hai vòng ren kế tiếp nhau.
- Rãnh dạng ống : Kích thƣớc bộ truyền lớn, độ bền mòn ở đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao.
- Rãnh hồi bi theo lỗ khoan của đai ôc : Kết cấu gọn, tính công nghệ cao, khá năng tách nhóm hồi bi khó.
- Rãnh hồi bi giữa hai vòng kế tiếp : Có kích thƣớc gọn không bị mòn nhanh độ tin cậy cao chiều dài rãnh hồi bi lớn.
Bộ vít me nằm (tên: MCM08 thuộc dòng Monocarrier MCM Series của hãng NSK )
Bộ vit me này dùng để di chuyển mũi hàn theo phƣơng song song mặt đất, điều chỉnh bán kính chi tiết hàn khi bán kính thay đổi.
+ Kích thƣớc : dài x rộng x cao : 500 x 85 x 60 mm + Bƣớc xoắn vít me/ 1 vòng : 20 mm
+ Hành trình 400mm
Hình ảnh:
4.2.4 Bộ vit-me đứng (loại SKR33 của THK)
Bộ vít me này dùng để di chuyển mũi hàn theo phƣơng vuông góc với mặt đất,dẫn mũi hàn theo quỹ đạo cần hàn.
Kích thƣớc: 500 x 80 x 40 mm
Bƣớc xoắn : 20mm/vòng
4.2.5 Đồ gá chi tiết
Yêu cầu cho đồ gá: gá đặt nhanh, chính xác.
Hƣớng đến việc đƣa chi tiết hàn dạng ống tròn xoay gần đồng tâm với động cơ xoay nhằm đơn giản phần lập trình cho chuyển động của máy hàn.
Hình 4.11 Đồ gá chi tiết
4.2.5.1 Trục treo
Bộ phận này sẽ đƣa đồ gá đúng vị trí thiết kế, gắn trực tiếp với trục của động cơ xoay, phần còn lại lắp ghép với chi tiết số 2.
Hình 4.12 Trục treo
4.2.5.2 Lƣng đồ gá
Định vị phần còn lại của đồ gá, phần này đƣợc thiết kế hình chữ “T”lắp vừa với 2 thanh rail con trƣợt.
4.2.5.3 Bộ thanh rail con trƣợt
Phạm vi hoạt động của con trƣợt này trong phạm vi 7cm.
Khi sử dụng cần đƣợc tra dầu thƣờng xuyên để đảm bảo sự hoạt đông trơn tru và chống gỉ sét.
4.2.5.4 Bộ kẹp chặt chi tiết Giới hạn chi tiết :
Đồ gá đƣợc thiết kế để kẹp chi tiết có đƣờng kính tối đa 38mm và nhỏ nhất là 18mm
Lực kẹp của đồ gá:
Đây là mô phân tích lực tác dụng lên 1 bên lò xo kéo
Vì tính chất đối xứng của cơ cấu nên ta chỉ cần phân tích một bên để có đƣợc kết quả là lực kẹp khi chi tiết đƣợc gá vào
Hình 4.15 Bộ kẹp chặt
Hình 4.16 Bài toán tính lực kẹp
Tính toán lực kẹp:
Ta có, cos(a)=AH/AB = 12/30=0.4
Ta có kết cấu của chi tiết là đối xứng Giả sử lực kéo của 1 lò xo là F (N)
Khi đó lực kéo tác dụng lên thanh kéo AB là: F1=F.sin(a) (N)
Suy ra, lực tác động theo phƣơng ngang là: F2=F1.cos(a) (N)
Vì tính đối xứng, nên lực kẹp của hai lò xo là:
(N)
Lưu ý :
Với mỗi chi tiết có đƣờng kính khác nhau thì lực kẹp tác dụng lên mỗi chi tiết là khác nhau, chi tiết có đƣờng kính càng lớn thì lực kẹp càng lớn.
Các chi tiết hàn làm từ vật liệu khác nhau thì sử dụng lò xo có độ cứng khác nhau để tạo lực kẹp phù hợp. Trên đây là công thức tổng quát tính lực kẹp cho cơ cấu này.
4.2.6. Tay nâng
Là bộ phận để nâng đỡ mũi hàn (tùy thuộc vào từng loại mũi hàn mà thiết kế các kiểu tay nâng khác nhau).
4.2.7. Nối trục
Lí do chọn nối trục mà không phải dây đai:
Thích hợp với không gian hẹp nơi đặt động cơ (phù hợp với máy này). Thiết kế đồ gá đơn giản.
Không cần tính toán tỉ số truyền. Thích hợp với tải trọng nhẹ.
Là bộ phận dẫn động giữa động cơ và vít me. Vật liệu : Nhôm, nhựa
Có 2 bộ nối trục : 8/10 mm và 10/10 mm
Nối trục 8/10 mm : để nối 2 chi tiết dạng trục có đƣờng kính trục là 8mm và 10 mm.
Nối trục 10/10 :Nối 2 chi tiết dạng trục có đƣờng kính bằng nhau và bằng 10mm
4.2.8. Gá động cơ trục z
4.2.9. Động cơ trục z
Tính toán chọn động cơ trục ngang
Dựa vào thông số có sẵn sau :
- Bƣớc vít : h=20mm
- Đƣờng kính trục vít: D=12mm
- Hệ số ma sát trƣợt giữa gang và thép là:
- Gia tốc trọng trƣờng : g=10 m/
- Khối lƣợng phần dịch chuyển : m=10kg
- Góc nghiêng ( song song mặt đất)
- Tỷ số giảm tốc i =1 (dùng nối trục )
- Hiệu suất máy chọn n=0,9
- = 300 vòng/phút Momen ma sát : = 0,042 N.m
Với đƣờng kính trục vít D=12mm, suy ra vận tốc dài :
Suy ra tốc độ quay của động cơ :
V=
150v/ phút
4.2.10. Động cơ trục ngang
Tính toán chọn động cơ trục đứng
Dựa vào thông số có sẵn sau :
- Bƣớc vít : h=20mm - Đƣờng kính trục vít: D=12mm - Hệ số ma sát trƣợt giữa gang và thép là: - Gia tốc trọng trƣờng : g=10 m/ - Khối lƣợng phần dịch chuyển : m=5kg - Góc nghiêng (vuông góc mặt đất) - Tỷ số giảm tốc i =1 (dùng nối trục )
- Hiệu suất máy chọn n=0,9
- = 300 vòng/phút Momen ma sát : = 0 N.m
Với đƣờng kính trục vít D=12mm, suy ra vận tốc dài :
Momen chống trọng lực của kết cấu :
Suy ra tốc độ quay của động cơ :
V=
150v/ phút
Nhƣ vậy, với các thông số đã tính ta có thể chọn động cơ cho cả trục ngang và trục đứng cùng một loại nhƣ sau :
Khối lƣợng 350 (gam)
Thể tích 210 (cm3)
Điện áp hoạt động 24V DC
Bảng 4.1 Thông số động cơ
Hình 4.21 Động cơ thực tế
Kích thƣớc :
4.2.11.Động cơ xoay chi tiết
Là động cơ xoay chi tiết cần hàn.
Tên: Sawamura DENKI SS40E4 40W DC
Động cơ có hộp số
Số xung Encorder 13 xung
Hệ số truyền 1/19.2
Tốc độ sau giảm tốc 468 vòng/phút
Công suất: 40 W Điện áp: 12V
Trục công tác vuông góc với trục động cơ Tốc độ 32 vòng/phút
Momen định mức: 2,5 N.m Dòng điện: 4,5 A
Hình 4.23 Động cơ xoay chi tiết
4.3. Kết quả đạt đƣợc sau khi hoàn thiện phần cơ khí
Máy đƣợc hoàn thành nhƣ hình.
Giới hạn chuyển động của máy theo trục x là 120 mm. Giới hạn chuyển động của máy theo trục z là 300 mm.
Với kích thƣớc của máy nhƣ vậy, máy sẽ hoạt động trong không gian rộng 1,5m x 1,5m.
Hình 4.25 Máy hoàn chỉnh
CHƢƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN ĐIỀU KHIỂN Yêu cầu
Diver có độ chính xác cao vì đòi hỏi điều khiển chính xác vị trí.
Vi điều khiển đủ mạnh để đáp ứng yêu cầu điều khiền.
Control panel dễ vận hành và chế tạo.
Hệ thống mạch điện đơn giản và hiệu quả.
Hình 5.1 Các thành phần của hệ thống điều khiển
5.1 Mạch nguồn cho hệ thống
Mạch driver cần cung cấp cả nguồn 24V và 5V Các vi điều khiển cần nguồn 12V
Hình 5.2 Nguồn tổ ong 24V
Các thông số và tính năng nguồn 24V
Điện Áp Đầu Vào : AC 220V ( Chân L và N )
Điện Áp Đầu Ra : DC 24V 5A ( Chân dƣơng V+ , Chân Mass-GND : V- ) Công Suất : 120W
Điện áp ra điều chỉnh : +/-10%
Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC Dòng vào: 2.6a / 115V 1.3a / 230V
Rò rỉ: <1mA / 240VAC Bảo vệ quá tải
Bảo vệ quá áp Bảo vệ nhiệt độ cao
Kích thƣớc: 199 * 98 * 38mm Trọng lƣợng: 0.52Kg
Hình 5.3 Nguồn 12V
Mạch nguồi 12V, 0.6A đƣợc gắn thẳng vào nguồn 220V, nhƣ vậy sẽ tránh bị nhiễu và sự thiếu ổn định.
Các thông số cơ bản:
Điện Áp Đầu Vào : AC 220V ( Chân L và N ) Điện Áp Đầu Ra : DC 12V 0.6A
Công Suất : 7.2 W
5.2 Mạch driver MSD – Thông số của 3 động cơ
Mạch driver MSD là thành phần chính trong hệ thống. Mạch đƣợ cấp nguồn 24V để nuôi động cơ DC Servo, đồng thời nguồn 5V từ vi điều khiển để nuôi nguồn hoạt động các chip trong mạch.
Giao diện phần mềm mạch driver MSD. Đây là phần mềm dành riêng cho mạch MSD dùng để thiết lập thông số cho mạch driver, dò tìm PID cho động cơ.
Hình 5.4 Giao diện phần mềm driver MSD sau khi cài đặt