1. Nhận xét về tinh thần thái độ làm việc và nghiên cứu của học viên:
2.3.2 Cách tính hệ thống cân băng tải
Hình 2.24 Băng tải cân
Ví dụ đối với giường cân 2 giá con lăn (xem hình minh họa ở trên), để đơn giản ta xét dòng vật liệu ra đều (chiều cao và chiều ngang thành ổn định) thì khối lượng vật liệu đè lên các con lăn cân được thể hiện phân bố qua hình thang với đáy trên là khoảng cách giứa 2 con lăn cân, đáy dưới là khoảng cách giữa 2 con lăn ngoài (riêng với loại 1 giá con lăn cân thì sẽ là hình tam giác). Diện tích hình thang tỷ lệ tương ứng với khối lượng đè lên các con lăn cân. Tức là khối lượng của vật liệu đè lên con lăn cân số 5 sẽ bắt đầu tăng dần từ vị trí con lăn 4, sau đó giữ đều và bắt đầu giảm dần từ con lăn cân số 6 và về đến 0 tại vị trí con lăn 7.
42
St = h*(3*L + L)/2
Trong đó: St (m2) : Diện tích hình hình thang phân bố khối lượng h (m) : Chiều cao hình thang
L (m) : Khoảng cách giữa các giá con lăn cân
Với mong muốn quy đổi khối lượng từ kg ra kg/m ta sẽ phải quy đổi hình thang thành hình chữ nhật có diện tích bằng chính diện tích hình thang đó. Khi đó khối lượng được xem như trải đều lên các con lăn cân.
Diện tích hình chữ nhật là:
Sn = St = h*(3*L + L)/2 = 2*L*h (m2)
Khoảng cân (chiều dài hiệu dụng của tải trọng) sẽ là chiều dài cạnh dài của hình chữ nhật:
d = 2*L (m)
Tải trọng vật liệu đè trên giường cân được quy ra kg/m là:
Md = M/d = M/(2*L) (kg/m)
Trong đó: Md (kg/m) : Tổng khối lượng của vật liệu đè lên giường cân quy ra kg/m M (kg) : Tổng khối lượng của vật liệu đè lên giường cân
Khi đó ta sẽ có năng suất tức thời được tính như sau:
Q = Md*v = v*M/(2*L) (kg/s)
Trong đó: Q (kg/s) : Năng suất tức thời v (m/s) : Vận tốc băng tải
43
CHƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3.1 Ý Tưởng Thiết Kế:
Trải qua quá trình tìm hiểu trên sách vở, internet và thực tế... Chúng em đã quyết định thiết kế “Thiết kế thi công mô hình cánh tay robot phân loại sảnphẩm theo
khối lượng” như sau:
- Thiết kế khay chứa sản phẩm.
- Thiết kế các cảm biến để phát hiện sản phẩm.
- Thiết kế cánh tay robot để gắp sản phẩm đặt vào khay sản phẩm. - Thiết kế hệ thống điều khiển.
3.1.1 Lựa chọn, tính toán động cơ cho vít me trục Z
• Lựa chọn động cơ
Dựa vào tính chất làm việc: khả năng chịu tải trọng lớn, làm việc yêu cầu độ chính xác cao, độ bền cao nên ta chọn động cơ step cho vít me trục Z.
Sơ lượt về động cơ step:
Động cơ bước (stepper motor), 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.
Các thông số của động cơ gồm có: Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc. Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi. Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo. Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến. Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện.
Bảng 3. 1. Bảng Bước góc của động cơ bước
Step angle Steps per revolution
0.9 400
44
3.6 100
3.75 96
7.5 48
15 24
o Nguyên tắc điều khiển động cơ bước đơn cực:
Động cơ bước đơn cực, (có thể là động cơ vĩnh cửu hoặc động cơ hỗn hợp) có 5,6 hoặc 8 dây ra thường được quấn như sơ đồ dưới. Khi dùng, các đầu nối trung tâm thường được nối vào cực dương nguồn cấp, và hai đầu còn lại của mỗi mấu lần lượt nối đất để đảo chiều từ trường tạo bởi quận đó.
Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:
+ Tạo các xung với những tần số khác nhau.
+ Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ. + Làm giảm các dao động cơ học.
Đầu vào của mạch điều khiển là các xung. Thành phần của mạch là các bán dẫn, vi mạch. Kích thích các phần của động cơ bước theo thứ tự 1-2-3-4 do các transistor công suất T1 đến T4 thực hiện. Với việc thay đổi vị trí bộ chuyển mạch, động cơ có thể quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại.
Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường làm quay rotor. Các khoá ở đây không cụ thể, có thể là bất cứ thiết bị đóng cắt nào điều khiển được như rơle, transitor công suất… Tín hiệu điều khiển có thể được đưa ra từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng, máy tính.
45
Các loại động cơ bước thông dụng và các cách điều khiển động cơ bước.
+ Động cơ bước có nhiều loại như động cơ biến trở từ, động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực.
+ Về step thì có loại là 0.36 độ/ 1step, loại 0.72/1step. Và thông dụng nhất là loại 1.8 độ/ 1 step. Tức là 200 step sẽ được 1 vòng
+ Trên thị trường chúng ta hay gặp nhất là động cơ đơn cực và lưỡng cực. Khi đi mua thì hay gặp động cơ 4 dây, 5 dây, 6 dây, 8 dây. Trong đó 4 dây là 6 dây là gặp thường xuyên nhất. Dưới đây là sơ đồ dây của hãng Oriental
Hình 3.2 Sơ đồ cuộn dây của các loại động cơ bước
Động cơ bước có nhiều cách điều khiển. Có thể điều khiển các dây trực tiếp qua 4 cổng qua MCU thông qua Driver đệm công suất. Cách này hơi phức tạp một chút, cần phải hiểu rõ bên trong động cơ và thường chỉ điều khiển được full bước.
• Tính toán các thông số động cơ
Chọn vận tốc nâng hàng v=0,04 m/s, lực nâng Fa=49 N. Đường kính trục vít me : D =8 mm.
Công suất trên trục công tác: Pct =Fa. v
1 =
49.0,04
1 = 1,96 W η : Hiệu suất truyền động.
46
Hiệu suất bộ truyền trục vít ηtv=0,8.
Hiệu suất bộ truyền một cặp ổ lăn ηol =0,99 – 0,995. Hiệu suất bộ truyền đai ηd =0,95.
Ta có : ηch =ηtv . η3
ol. ηd = 0,8. 0,993.0,95 = 0,74. Công suất cần thiết của động cơ:
Pdc =Fa. v ηch = 49.0,04 0,74 = 2,65 W Xác định số vòng quay làm việc: 𝑛𝑙𝑣 = 60000𝑣 𝜋𝐷 =60000.0,04 8𝜋 = 95,5(v/ph) Tỉ số truyền: 𝑢𝑡 = 𝑢𝑑. 𝑢𝑣=0,5.16=8. Trong đó:
Chọn tỉ số truyền bộ truyền đai thang là: 𝑢𝑑 = 0,5 Chọn tỉ số truyền bộ truyền động trục vít: 𝑢𝑣 = 16 Số vòng quay sơ bộ của động cơ
nsb = nlv. ut = 95,5.8 = 764(v/ph) Số vòng quay đồng bộ của động cơ:
Chọn ndb = 800(v/ph). Chọn động cơ thõa mãn:
ndb~nsb = 800(v/ph) Pdc≥Pct = 2,65 W
Moment cần chọn của động cơ lớn hơn moment xoắn trên vít Tv = 0,091 (N. m) Vậy ta chọn động cơ có công suất lớn hơn hoặc bằng 2,65W và Moment lớn hơn hoặc bằng 0,091 (N. m).
47
Dựa vào các thông số đã tính ta chọn động cơ step KH56QM2U038
Hình 3.3 Động cơ step KH56QM2U038
Thông số kỹ thuật của động cơ:
+ Loại: Động cơ bước 2 pha + Điện áp: 36V – 40V + Đường kính trục: 6.35 mm + Dòng điện: 2A + Moment xoắn: 1.373 N.m + Kích thước: 56x56x76mm + Góc bước: 1,8o + Trọng lượng: 1Kg
• Lựa chọn drive cho động cơ step
Driver điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 phase và 4 Phase với dòng tải là 4A/42VDC. Driver có chất lượng tốt, độ bền và độ ổn định cao, là loại thường được sử dụng nhất trong máy Cắt Laser, máy CNC,...
48
Hình 3.4 Driver TB6600 cho động cơ Step
Thông số kỹ thuật:
+ Điện áp sử dụng: 9~42VDC.
+ Dòng cung cấp tối đa cho động cơ: 4A. + Ngõ vào có cách ly quang tốc độ cao. + Có tích hợp đo quá dòng quá áp.
+ Tín hiệu điều khiển được cách ly tần số cao. + Tần số xung dịch bước lên tới 15kHz. + Tương thích với motor 2 phase và 4 phase. + Tự động giảm dòng điện khi động cơ giữ bước. + Bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp.
3.1.2 Lựa chọn, tính toán động cơ cho vít me trục Y
• Lựa chọn động cơ
Dựa vào tính chất làm việc: khả năng chịu tải trọng lớn, làm việc yêu cầu độ chính xác cao, độ bền cao nên ta chọn động cơ servo cho vít me trục Y
Sơ lượt về động cơ servo:
Động cơ servo là một bộ phận truyền động của hệ thống điều khiển chuyển động
của các thiết bị máy móc. Nó còn được biết đến với công nghệ Driver Servo tương tự với driver máy tính.
Phân loại động cơ Servo.
Nhìn chung động cơ servo có 2 loại chính là: Động cơ DC Servo và động cơ AC Servo. AC servo là loại động cơ cho phép xử lý các dòng điện cao nên thường được sử dụng trong máy móc công nghiệp đặc biệt là các loại máy CNC. DC servo không được thiết kế cho các dòng điện cao và thường phù hợp hơn cho các ứng dụng nhỏ hơn.
49
Nhờ sự phát triển vượt bậc công nghệ điều khiển điện nên hiện nay hầu hết người ta đều sử dụng động cơ AC Servo.
Cấu tạo của động cơ Servo AC.
Động cơ AC Servo được sử dụng trong các ngành công nghiệp đa phần là động cơ một chiều không chổi than. Động cơ Servo có cấu tạo 2 phần chính giống với động cơ bước là Rotor và Stator.
Rotor là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh.
Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn để làm quay Rotor.
Hình 3.5 Cấu tạo của Servo AC.
o Ưu điểm:
+ Điều khiển có tốc độ tốt, và trơn tru hầu như không giao động. Hiệu suất có thể đạt hơn 90%.
+ Quá trình vận hành tạo ra ít nhiệt với tốc độ cao. Độ chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa).
+ Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp.
o Nhược điểm:
+ Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ tương đối phức tạp. + Giá thành lại khá cao.
• Phương pháp điều khiển
Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển.
Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Khi đó bất kì lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận
50
thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác nhất.
Nói về điều khiển động cơ Servo thì ta có 2 cách điều khiển, điều khiển motor DC Servo chạy tốc độ và chạy vị trí. Ở đề tài này thì nhóm chọn phương án là điều khiển động cơ DC Servo chạy vị trí.
Điều khiển vị trí là điều khiển số lượng vòng quay cố định của động cơ servo, sau đó dùng cơ cấu cơ khí (vitme) chuyển từ chuyển động xoay thành chuyển dộng tịnh tiến. Số vòng quay của động cơ có được nhờ vào việc phát xung.
Đối với chế độ điều khiển vị trí, đa số các Driver đều nhận xung để chạy những vị trí được tính toán sẵn. Lấy ví dụ, 1 động cơ Servo có độ phân giải encoder là 2500 xung/vòng , thì khi cung cấp cho động cơ 1 xung động cơ sẽ quay đúng 1/2500 vòng. Nếu động cơ gắn với bộ truyền Vitme bước 10 ly thì sẽ di chuyển được 10/2000 ly.
Để cho động cơ hoạt động đúng với yêu cầu của người lập trình, thì chúng ta sử dụng phương pháp băm xung cho thiết bị thông qua bộ điều khiển PLC.
o Ưu điểm:
+ Dễ dàng điều khiển kết hợp với tín hiệu phản hồi encoder để tạo vòng điều khiển kín dễ dàng kiểm soát.
+ Ứng dụng điều khiển hệ điều khiển đơn lẻ từng Servo hoặc số lượng trạm ít cho độ chính xác cũng rất cao.
o Nhược điểm:
+ Khả năng chống nhiễu kém hơn khả năng kiểm soát tốc độ. • Vị trí khó khăn hơn.
Hình 3.6 Biểu đồ phân tích xung.
51
+ Với độ rộng xung là 1 ms thì động cơ ở vị trí 0o. + Với độ rộng xung là 1.5 ms thì động cơ ở vị trí 90o. + Với độ rộng xung là 2 ms thì động cơ ở vị trí 180o.
Điều khiển servo được thực hiện bằng cách gửi đi một servo tín hiệu PWM (điều chỉnh độ rộng xung), một loạt các xung lặp lại có chiều rộng thay đổi, trong đó chiều rộng của xung (servo hiện đại phổ biến nhất) hoặc chu kỳ làm việc của một mạch xung (ngày nay ít phổ biến hơn) để xác định vị trí đạt được bởi servo.
• Ứng dụng.
o Ứng dụng trong ngành gia công cơ khí: Hiện nay ngành gia công cơ khí đặc
biệt là đối với việc gia công các sản phẩm có độ chính xác cao ví dụ như máy cắt laser hay một số máy cắt khác thì người ta sẽ lựa chọn động cơ Servo thay vì động cơ bước như trước đây. Bên cạnh đó nó còn được ứng dụng rất nhiều trong các loại máy cắt CNC PLasma khác.
o Ứng dụng trong ngành may mặc, ngành giấy, bao bì: Trong việc điều khiển
các máy cuộn vải, giấy, bao bì để cắt hoặc in ấn…
o Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất: Như chiết rót, đóng gói cần chạy và
dừng đúng vị trí cũng yêu cầu bắt buộc phải sử dụng động cơ ac servo.
52
Hình 3.8 Ứng dụng trong máy cắt bao bì
Hình 3.9 Máy CNC trang bị động cơ servo và step
• Tính toán chọn động cơ
Chọn vận tốc kéo hàng v=0,04 m/s, lực kéo Fa=117,6 N. Đường kính trục vít me : D =8 mm.
Công suất trên trục công tác: Pct =Fa. v
1 =
117,6.0,04
1 = 4,704 W
η : Hiệu suất truyền động.
Hiệu suất bộ truyền trục vít ηtv=0,8.
Hiệu suất bộ truyền một cặp ổ lăn ηol =0,99 – 0,995. Hiệu suất bộ truyền đai ηd =0,95.
Ta có : ηch =ηtv . η3
53
Công suất cần thiết của động cơ: Pdc =Fa. v ηch = 117,6.0,04 0,74 = 6,35 W Xác định số vòng quay làm việc: nlv =60000v πD =60000.0,04 8π = 95,5 (v/ph) Tỉ số truyền: ut = ud. uv= 1.16 = 16. Trong đó:
Chọn tỉ số truyền bộ truyền đai thang là: ud = 1 Chọn tỉ số truyền bộ truyền động trục vít: uv = 16 Số vòng quay sơ bộ của động cơ
nsb = nlv. ut = 95,5.16 = 1528 (v/ph) Số vòng quay đồng bộ của động cơ:
Chọn ndb = 1600 (v/ph). Chọn động cơ thõa mãn:
ndb~nsb = 1600 (v/ph) Pdc≥Pct = 6,35 W
Moment cần chọn của động cơ lớn hơn moment xoắn trên vít Tv= 0,22 (N. m).
Dựa vào thông số đã tính lựa chọn động cơ hybrid servo 57HSE2.2N
54
Thông số kỹ thuật của động cơ:
+ Công suất: 400 W. + Dòng định mức: 3.5 A. + Đường kính trục: 8 mm. + Tốc độ: 1000v/p – 2000v/p. + Moment xoắn: 2.2 N.m. + Chiều dài động cơ: 99 mm. + Góc bước: 1,8o
• Lựa chọn drive cho động cơ
Sử dụng driver HBS57
Thông số
+ Điện áp đầu vào: AC AC16-70V, DC DC24-100V.
+ Tín hiệu xung: tương thích 3.3V/5V/12V không cần điện trở. + Cài đặt vi bước: 800-51200.
+ Đây là loại Driver dùng cho Hybrid Servo có chất lượng cao, chính xác và êm ái, thích hợp dùng chế tạo các loại máy cnc, laser và các loại máy tự động cần độ chính xác cao hơn động cơ bước thông thường.
+ Kết nối với máy tính qua cáp mini USB. – Tích hợp chân điều khiển thắng ngoài.
3.1.3 Lựa chọn tính toán động cơ cho băng tải
• Lựa chọn đông cơ
Dựa vào tính chất làm việc: khả năng chịu tải trọng, dễ dàng xử lý và điều khiển