Theo Wikipedia, động cơ bước là một loại động cơ sử dụng điện nhưng có nguyên lý và ứng dụng vô cùng khác biệt so với các loại động cơ điện 1 pha và động cơ điện 3 pha thông thường.
Thực chất, đây là một loại động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển của máy móc dưới dạng các xung điện rời rạc được phát ra kế tiếp nhau, tạo thành các chuyển động góc quay. Đôi khi chính là các chuyển động của rôto, giúp cho người dùng cố định roto của máy vào trong các vị trí cần thiết.
Hình 2. 2 Động cơ bước [4]
Nói chung, động cơ bước (motor bước) là một loại động cơ mà có thể quy định được tần số góc quay của nó. Nếu góc bước của nó càng nhỏ thì số bước trên mỗi vòng quay của động cơ càng lớn và độ chính xác của vị trí chúng ta thu được càng lớn.
Các góc bước của động cơ có thể đạt cực đại là 90 độ và cực tiểu đến 0,72 độ. Tuy nhiên, các góc bước của động cơ thường được sử dụng phổ biến nhất là góc 1,8 độ, góc 2,5 độ, góc 7,5 độ và góc 15 độ.
Ví dụ: Một động cơ bước có góc 1,8 độ/ bước nếu quay hết 1 vòng khoảng 360 độ thì mất 200 bước (thuật ngữ chuyên ngành gọi là Full Step). Các chế độ quay càng nhiều xung thì động cơ quay của máy sẽ càng êm hơn. Ở Việt Nam, người ta hay dùng phổ biến nhất là động cơ 200 step.
Phân loại:
- Dựa vào số pha của động cơ
Động cơ bước 2 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước khoảng 1.8 độ. Động cơ Step 3 pha sẽ tương ứng với 1 góc bước là 1.2 độ. Động cơ Step 5 pha sẽ tương ứng với góc bước là 0.72 độ. - Dựa vào rotor
Động cơ bước có rotor được làm bằng dây quấn hoặc sử dụng nam châm vĩnh cửu. Động cơ bước thay đổi từ trở. Đây là 1 loại động cơ có roto không được tác động nhưng lại có phần tử cảm ứng.
- Dựa vào cực của động cơ Động cơ bước đơn cực. Động cơ bước lưỡng cực.
Cấu tạo:
Cấu tạo của động cơ bước gồm: Rotor và stato.
Rotor thực ra chính là một dãy các lá nam châm vĩnh cửu, chúng được sắp xếp chồng lên nhau một cách kỹ lưỡng, cẩn thận. Trên các lá nam châm này lại được chia thành các cặp cực sắp xếp đối xứng với nhau.
Stato được cấu tạo bằng sắt từ, chúng được chia thành các rãnh nhỏ để đặt cuộn dây.
Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý hoạt động động cơ bước không quay theo các cơ chế thông thường, bởi vì Step motor quay theo từng bước một, cho nên nó có một độ chính xác cao, đặc biệt là về mặt điều khiển học.
Động cơ motor bước làm việc nhờ vào hoạt động của các bộ chuyển mạch điện tử. Các mạch điện tử này sẽ đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stato theo số thứ tự lần lượt và một tần số nhất định.
Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với số lần mà động cơ được chuyển mạch. Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó.
Hiện nay, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất, đó là:
Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây pha.
Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau. Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Chính là phương pháp điều khiển
kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ. Khi điều khiển động cơ theo phương pháp này thì giá trị của góc bước nhỏ hơn 2 lần và số bước của động cơ bước cũng sẽ tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bằng động cơ bước đủ. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có bộ phát xung điều khiển vô cùng phức tạp.
Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Đây là phương pháp mới, chỉ được áp dụng trong quá trình điều khiển động cơ bước. Từ đó, cho phép động cơ bước dừng lại và định vị trong khoảng vị trí nửa bước chính giữa 2 bước đủ. Ưu điểm dễ thấy của phương pháp này chính là động cơ có thể hoạt động hiệu quả với góc bước nhỏ và độ chính xác rất cao. Do xung cấp của động cơ có dạng sóng nên máy sẽ hoạt động êm hơn, hạn chế được các vấn đề cộng hưởng lực mỗi khi động cơ hoạt động.
Ứng dụng:
Động cơ bước hiện nay đã và đang được ứng dụng rất nhiều và ngày càng phổ biến, chủ yếu là trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số của các động cơ. Nó được thực hiện bởi các lệnh đã được mã hoá tự động dưới dạng số.
Ứng dụng động cơ bước trong ngành công nghiệp tự động hoá, đặc biệt là đối với các thiết bị máy móc cần phải có sự chính xác. Chẳng hạn như các loại máy móc công nghiệp hiện đại, giúp phục vụ cho quá trình gia công cơ khí như: Máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ CNC laser,…
Ngoài ra, trong lĩnh vực công nghệ máy tính, động cơ bước Step cũng được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in,…
Trong lĩnh vực an ninh bảo mật, động cơ bước chính là một sản phẩm giám sát mới, đem lại tiến bộ vượt trội cho ngành an ninh.
Trong lĩnh vực tế, động cơ bước được sử dụng để sản xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong máy chụp ảnh nha khoa kỹ thuật số, những chiếc bơm chất lỏng, mặt nạ phòng độc và các loại máy móc phân tích mẫu máu.
Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, động cơ bước được dùng trong quá trình chế tạo máy ảnh, đem lại chức năng lấy nét chính xác và sắc sảo cho máy ảnh, đồng thời có chức năng thu phóng các loại camera kỹ thuật số tự động hay các loại máy in 3D.
Ưu, ,nhược điểm:
Nắm được những ưu - nhược điểm của động cơ bước sẽ giúp cho chúng ta ứng dụng loại động cơ này vào trong sản xuất một cách tốt nhất, đem lại giá trị kinh tế cao.
Ưu điểm:
Step Motor có ưu điểm đầu tiên là khả năng cung cấp mô men xoắn cực lớn, đặc biệt là ở dải vận tốc thấp và vận tốc trung bình.
Một “điểm cộng” nữa của động cơ bước trên thị trường hiện nay đó là nó khá bền, giá thành sản phẩm cũng tương đối thấp, do đó việc mua bán, trao đổi cũng khá thuận tiện, không gặp bất kỳ một trở ngại nào. Không chỉ có vậy, việc thay thế động cơ bước trong quá trình sản xuất cũng tương đối dễ dàng. Nhược điểm:
Motor Step hay xảy ra các hiện tượng khó chịu, chẳng hạn như bị trượt bước. Lý do được biết đến đó là vì lực từ yếu hay đôi khi còn do nguồn điện cấp vào động cơ không đủ.
Một “điểm trừ” nữa đó là trong quá trình hoạt động, động cơ Step Motor thường gây ra tiếng ồn ào khó chịu và có hiện tượng động cơ bị nóng dần lên. Với những động cơ Step Motor thế hệ mới thì độ ồn và hiện tượng nóng của động cơ đã được giảm đi đáng kể.
Không nên sử dụng động cơ Step Motor cho các thiết bị máy móc đòi hỏi tốc độ cao.
2.3.2 Truyền động vít me – đai ốc bi
Cơ cấu vít me đai ốc bi là hệ thống truyền động, được gia công với độ chính xác cao nhằm tạo ra khả năng biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến theo cơ chế con vít, bu lông (đai ốc bi) với những ưu điểm nổi bật, đem lại hiệu quả ứng
dụng cao. Vít me được thiết kế đặc biệt với một lớp bi thép tiếp xúc giữa trục vít và đai ốc vít me. Nhờ đó mà hạn chế tối đa lực ma sát trượt khi truyền biến đổi chuyển động.
Hình 2. 3 Cơ cấu vít me đai ốc bi [5]
Một cơ cấu vít me đai ốc bi hoàn chỉnh bao gồm 2 bộ phận chính đó là trục vít me và đai ốc vít me bi.
Về trục vít me bi hiện nay, có hai loại trục vít me bi được gia công theo 2 phương pháp khác nhau. Đó là vít me bi được gia công theo phương pháp ép ren hay còn gọi là cán và vít me bi được gia công theo phương pháp tiện mài ren.
Còn đối với đai ốc vít me bi được cấu tạo bởi một cấu trúc ở bi gồm vỏ ngoài, các viên bi thép chạy gọc trên các rãnh bi được tiện ren bên trong ổ. Dựa vào các vòng hồi bi tạo thành các vòng tuần hoàn kín hoặc hở.
Việc kết hợp trơn tru, nhịp nhàng giữa trục vít me và đai ốc vít me bi tạo ra sự biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo thành lực kéo tịnh tiến trên trục vít me bi.
2.3.3 Thanh trượt dẫn hướng
Thanh trượt là một trong những thiết bị dẫn động tuyến tính quan trọng trong các hệ thống sản xuất tự động CNC. Linh kiện dẫn hướng chính xác hoạt động dựa
trên nguyên lý của chuyển động tịnh tiến giữa hai bộ phận cấu tạo thanh trượt chính là con trượt và thanh ray trượt.
Thanh trượt dẫn hướng được tích hợp trong hầu hết các cơ cấu máy CNC, các loại máy chế biến gỗ, máy plasma, máy in, các hệ thống máy móc, băng chuyền, dây chuyền tự động…
Hình 2. 4 Thanh trượt dẫn hướng
Ưu điểm:
- Có khả năng dẫn hướng chính xác, cao, đem lại những chuyển động tịnh tiến thẳng mượt, nhẹ nhàng với lực ma sát không đáng kể.
- Có khả năng chịu tải lớn
- Khả năng hoạt động bền bỉ, liên tục và chính xác trong thời gian dài với tốc độ lớn - Có tuổi thọ làm việc cao, khả năng hoạt động ở nhiều môi trường, nhiệt độ khắc nghiệt khác nhau
- Thiết kế đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng lắp đặt, sử dụng và bảo dưỡng, bảo trì định kì - Độ cứng vững cao
- Giá rẻ, tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu cho doanh nghiệp 2.3.4 Màn hình LCD text 2004
Hình 2. 5 Màn hình LCD 2004
LCD text 2004 một sản phẩm quen thuộc giúp thực hiện các dự án về điện tử, lập trình. Sản phẩm khắc phục được nhược điểm kết nối cần đến 8 dây của các moduke led khác, sản phẩm dùng module Ì2C tích hợp nên việc kết nối trở nên đơn gỉan với chỉ 4 dây. LED 20X04 có khả năng hiển thị 4 hàng, mỗi hàng 20 kí tự, tương ứng với 4 hàng 20 cột. Để sử dụng được sản phẩm với chuẩn I2C cần thêm thư viện hỗ trợ và phải biết địa chỉ của sản phẩm trong đường truyền I2C. Sản phẩm có độ bền cao đồng thời có rất nhiều ví dụ mẫu được cộng đồng Arduino xây dựng sẵn sẽ giúp người mới sử dụng làm quen nhanh hơn cũng như tiết kiệm được thời gian trong việc phát triển ứng dụng của mình.
Thông số kĩ thuật:
Điện áp hoạt động: 5VDC
Dòng điện tiêu thụ: 350uA - 600uA. Nhiệt độ hoạt động: -30°C đến 75°C.
Kích thước 96 x 60 mm, chữ đen, nền xanh lá.
Đèn Led nền có thể điều khiển bằng biến trở hoặc PWM. Có thể điều khiển bằng 6 chân tín hiệu.
Sơ đồ chân
Sơ đồ chân của LED text 20x04 giống vối các sản phẩm LED text thông thường với 16 chân. nhưng module sửa dụng thêm IC tích hợp giao tiếp I2C do đó người dùng cần kết nối với 4 chân I2C.
VSS: tương đương với GND - cực âm
VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình
Register Select (RS): lựa chọn thanh ghi (RS=0 chọn thanh ghi lệnh, RS=1 chọn thanh ghi dữ liệu)
Read/Write (R/W): R/W=0 ghi dữ liệu , R/W=1 đọc dữ liệu. Enable pin: Cho phép ghi vào LCD
D0 - D7: 8 chân dữ liệu, mỗi chân sẽ có giá trị HIGH hoặc LOW nếu bạn đang ở chế độ đọc (read mode) và nó sẽ nhận giá trị HIGH hoặc LOW nếu đang ở chế độ ghi (write mode)
Backlight (Backlight Anode (+) và Backlight Cathode (-)): Tắt bật đèn màn hình LCD.
2.4 Phương án thiết kế- Thông số máy - Thông số máy
Không gian in tối đa: 200x200x200 mm Độ phân giải của một lớp in: từ 0,1 0,4 mm Dung sai cho phép 0,1 mm
Tốc độ khi in 90 130 mm/s Tốc độ tối đa 300 mm/s - Phương án thiết kế
Sử dụng thanh trượt dẫn hướng: Trong kết cấu này, bàn in sẽ dịch chuyển theo phương Z, đầu phun nhựa dịch chuyển theo phương XY.
2 trục XY sử dụng thanh trượt theo cơ cấu Corexy, trục Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc.
Ưu điểm của kết cấu này:
Kết cấu đơn giản, dễ lắp đặt Có thể in với tốc độ cao
Các kết cấu di động nhỏ nên quán tính nhỏ, máy hoạt động êm hơn Độ chính xác cao
Khó căn chỉnh bàn in
Kích thước máy có thể hơi lớn và cồng kềnh. 2.5 Kết luận chương 2
Kết thúc chương 2, ta đã tìm hiểu về cấu trúc cần có của một máy in 3D, một số thiết bị, thành phần cần có trong hệ thống máy, bước đầu xác định thông số máy và lựa chọn được phương án thiết kế phù hợp. Đến với chương 3, chúng ta đi vào tính toán, thiết kế các bộ phận cho máy in 3D.
CHƯƠNG 3. QUY TRÌNH THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY IN 3D 3.1 Quy trình xây dựng máy in 3D
Trong đồ án này, nhóm thiết kế và chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM bởi với công nghệ này thì máy in 3D của nhóm có thể sử dụng hàng loạt các vật liệu ABS, PLA với các sự lựa chọn màu sắc khác nhau. Chi phí bảo dưỡng thấp, vật liệu in không độc hại, không cần sự giám sát trong quá trình in. Các mẫu in bằng công nghệ FDM độ bền tốt, có khả năng chịu nhiệt, chịu va đập lớn. Tuy nhiên ở công nghệ này vẫn còn tồn tại một số hạn chế như công nghệ FDM tạo ra các lớp in dày hơn vì vậy công nghệ này thường ít được sử dụng cho việc tạo mẫu yêu cầu độ chính xác tuyệt đối. Bề mặt nhẵn của mẫu in bằng FDM có thể đạt được bằng cách xử lý mẫu bằng tay. Sơ đồ dưới đây là tổng quan quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM mà nhóm đã sử dụng trong đồ án này.
Hình 3. 1 Quy trình chế tạo máy in 3D theo công nghệ FDM
3.2 Thiết kế, lựa chọn phần cơ khí3.2.1 Thiết kế khung máy 3.2.1 Thiết kế khung máy
Đối với máy in được thiết kế trong đồ án này, không yêu cầu chịu tải lớn, vì thế với tiêu chí dễ tháo lắp, sửa chữa trong quá trình lắp máy và tiết kiệm chi phí, nhóm đã chọn nhôm định hình cho phần khung máy. Ở đây sử dụng nhôm định hình 20x20 nhằm giúp khung máy được nhỏ gọn hơn.
Hình 3. 2 Nhôm định hình 20x20
Bộ phận khung máy yêu cầu độ chính xác khi gia công cao để có thể chịu lực lớn nhất và đảm bảo độ chính xác khi in. Lưu ý về kích thước của các thanh nhóm, độ vuông góc khi lắp ghép. Nhôm định hình được cắt bằng máy cưa tay, dung sai 2 – 3 mm, rồi dùng máy phay CNC để phay phẳng 2 đầu nhằm đảm bảo kích thước và độ phẳng. Một số chi tiết giúp nối ghép các thanh nhôm như: ke góc nhôm, con trượt, bu lông lục giác. Sử dụng chân đế cao su cho máy giúp giảm rung động khi máy hoạt động.