3.2.1. Tính chọn động cơ [30]
Tính chọn động cơ trục X
Theo thông số thiết kế ta có: - Khối lượng trục X: m = 2kg. - Chiều dài trục X: l = 100mm. - Bước vít: PB = 4mm.
- Đường kính vit me: DB = 8mm. - Thời gian tăng tốc: 2s.
Tính momen xoắn cho động cơ:
𝑇𝑀 = (𝑇𝑎 + 𝑇𝐿 ). 𝑆𝑓 (3.11)
Trong đó:
𝑇𝑎 : momen tăng tốc. 𝑆𝑓 : hệ số an toàn. Công thức tính 𝑇𝐿 : 𝑇 = (𝐿 𝐹.𝑃𝐵 + 𝜇0.𝐹0.𝑃𝐵) . 1 (3.12) 2.𝜋.ƞ 2.𝜋 𝑖 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 𝐹0: độ dôi dự tính (𝐹0=1/3F).
𝜇0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). 𝑖 : tỉ số truyền của hệ thống. 𝑃𝐵 : bước của vít me (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: 𝐹 = 𝐹𝐴 + 𝑚𝑔(sin 𝜃 + 𝜇 cos 𝜃) (3.13) Trong đó: 𝐹𝐴 : ngoại lực. 𝜇 : hệ số ma sát bề mặt (0,1). 𝜃 : góc nghiêng của trục X (0𝑜). Hình 3.8 Lực làm trục X di chuyển
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục X là 2 (kg) và góc nghiêng trục X bằng 0 độ.
Thay số vào công thức 3.13 ta có : F= 0 + 0,1.2.10=2 (N)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
Suy ra momen của tải theo công thức (3.12) ta có:
𝑇𝐿 = ( 2.4. 10−3 + 2. 𝜋. 0,95 0,3.2.4. 10−3 1 ) . 2.3. 𝜋 1 = 1,46. 10−3 (𝑁. 𝑚)
Công thức tính momen tăng tốc : (áp dụng cho các động cơ)
𝑇 = 𝐽0 .𝑖2+𝐽𝐿 . (𝑁𝑀) (3.14)
𝑎 9,55 𝑡
1 Trong đó:
𝐽0: momen quán tính roto (380.10−7). 𝐽𝐿 : momen quán tính tải.
𝑡1: thời gian tăng tốc (2s).
𝑁𝑀 : tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
𝐽𝐿 = 𝐽𝐵 + 𝐽𝑇 (3.15)
Momen quan tính của trục vitme: 𝐽𝐵 = 1
8 . 𝑚. 𝐷𝐵 = 𝜋
32. 𝜌. 𝐿𝐵. 𝐷𝐵
4 (3.16)
Trong đó:
𝐷𝐵: đường kính trục vit me. 𝐿𝐵: chiều dài vit me (0,1m).
Thay số vào công thức 3.16 ta có:
𝐽𝐵 = 𝜋 . 7,9. 103. 0,1. 0,0084 = 1,31. 10−6(Kg.𝑚2) 32
Momen quán tính của bàn máy 𝐽𝑇: 𝐽𝑇 = 𝑚. 𝑃𝐵2
2𝜋 (3.17)
Thay số vào công thức 3.17 ta được: (4. 10−3)2 𝐽𝑇 = 2. Trong đó: 2 𝜋 = 0,51. 10−5𝑘𝑔. 𝑚2
𝑚: khối lượng bàn máy. 𝑃𝐵 : bước của vit me.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15: 𝐽𝐿 = 0.31. 10−6 + 0,51. 10−5 = 0,54. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2) Chọn tốc độ quay của trục vitme 𝑁𝑀 =250 (vòng/phút) Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
𝑇𝑎 = 0,54. 10−5 + 380. 10−7. 12 9,55
250 .
2 = 0,57. 10−3 (𝑁. 𝑚)
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓 = 2 ta có momen xoắn động cơ theo công thức 3.11: 𝑇𝑀 = (1,1. 10−3 + 1,46. 10−3). 2 = 4,06(𝑚𝑁. 𝑚)
Tính chọn động cơ trục Y
Theo thông số thiết kế ta có: + Khối lượng trục Y: m=6kg. + Chiều dài trục Y: l=900mm. + Bước vít 𝑃𝐵 = 4𝑚𝑚.
+ Đường kính vit me: 𝐷𝐵 = 8𝑚𝑚. + Thời gian tăng tốc: 2s.
Trong đó: 𝑇𝐿 : momen tải. 𝑇𝑎 : momen tăng tốc. 𝑆𝑓 : hệ số an toàn. Công thức tính 𝑇𝐿 : 𝑇 = (𝐹.𝑃𝐵 + 𝜇0.𝐹0.𝑃𝐵 ) . 1 (3.12) 𝐿 2.𝜋.ƞ 2.𝜋 𝑖 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 𝐹0: độ dôi dự tính (𝐹0=1/3F).
𝜇0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). 𝑖 : tỉ số truyền của hệ thống. 𝑃𝐵 : bước của vít e (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: 𝐹 = 𝐹𝐴 + 𝑚𝑔(sin 𝜃 + 𝜇 cos 𝜃) (3.13) Trong đó: 𝐹𝐴 : ngoại lực. 𝜇 : hệ số ma sát bề mặt (0,1). 𝜃 : góc nghiêng của trục Y (0𝑜).
Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể, khối lượng trục Y là 6 (kg) và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ.
Thay số vào công thức 3.13 ta có: F= 0 + 6.10.0,1=6 (N)
Do ngoại lực tác dụng lên là không đáng kể, khối lượng trục Y là 6kg và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ.
Suy ra momen của tải theo công thức (3.12) ta có: 6.4. 10−3 0,3.6.4. 10−3 1 𝑇𝐿 = ( 2. 𝜋. 0,95 + ) . = 0,0044 (𝑁. 𝑚) 2.3. 𝜋 1
Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng cho các động cơ)
𝑇 = 𝐽0 .𝑖2+𝐽𝐿 . (𝑁𝑀) (3.14)
𝑎 9,55 𝑡
1 Trong đó:
𝐽0: momen quán tính roto (380.10−7). 𝐽𝐿 : momen quán tính tải.
𝑡1: thời gian tăng tốc (2s).
𝑁𝑀 : tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
𝐽𝐿 = 𝐽𝐵 + 𝐽𝑇 (3.15)
Momen quán tính của trục vit me: 𝐽𝐵 = 1
8 . 𝑚. 𝐷𝐵 = 𝜋
32. 𝜌. 𝐿𝐵. 𝐷𝐵
4 (3.16)
Trong đó:
𝐷𝐵: đường kính trục vit me. 𝐿𝐵: chiều dài vit me (0,9m). 𝜌: khối lượng riêng của thép. Thay số vào công thức 3.16 ta có:
𝐽𝐵 = 𝜋 . 7,9. 103. 0,9. 0,0084 = 2,86. 10−6(Kg.𝑚2) 32
𝐽𝑇 = 𝑚. 𝑃𝐵2
2𝜋 (3.17)
Thay số vào công thức 3.17 ta được: (4. 10−3)2 𝐽𝑇 = 6. Trong đó: 2 𝜋 = 1,53. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2)
𝑚: khối lượng bàn máy. 𝑃𝐵 : bước của vitme.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15: 𝐽𝐿 = 2,86. 10−6 + 1,53. 10−5 = 1,816. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2) Chọn tốc độ quay của trục vitme 𝑁𝑀 =250 (vòng/phút). Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
𝑇𝑎 = 1,816. 10−5 + 380. 10−7. 12 9,55
250 .
2 = 0,74. 10−3 (𝑁. 𝑚)
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓 = 2 ta có momen xoắn động cơ theo công thức 3.11: 𝑇𝑀 = (0,74. 10−3 + 0,0044). 2 = 10,28(𝑚𝑁. 𝑚)
Tính toán chọn động cơ trục Z
Theo thông số thiết kế ta có: + Khối lượng trục Z: m=10 kg. + Chiều dài trục Z: l=600 mm. + Bước vít: 𝑃𝐵 =4 mm.
+ Đường kính vit me: 𝐷𝐵=8 mm. + Thời gian tăng tốc: 2s.
Tính momen xoắn cho động cơ bước:
𝑇𝐿 : momen tải. 𝑇𝑎 : momen tăng tốc. 𝑆𝑓 : hệ số an toàn. Công thức tính 𝑇𝐿 : 𝑇 = (𝐿 𝐹.𝑃𝐵 + 𝜇0.𝐹0.𝑃𝐵) . 1 (3.12) 2.𝜋.ƞ 2.𝜋 𝑖 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 𝐹0: độ dôi dự tính (𝐹0=1/3F).
𝜇0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). 𝑖 : tỉ số truyền của hệ thống. 𝑃𝐵 : bước của vít e (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: 𝐹 = 𝐹𝐴 + 𝑚𝑔(sin 𝜃 + 𝜇 cos 𝜃) (3.13) Trong đó: 𝐹𝐴 : ngoại lực. 𝜇 : hệ số ma sát bề mặt (0,1). 𝜃 : góc nghiêng của trục Z (90𝑜). Thay số vào công thức 3.13 ta có: F= 0 + 10.10.1=100 (N)
Thay số vào công thức (3.12) ta có:
𝑇𝐿 = ( 100.4. 10−3 2. 𝜋. 0,95 0,3.100.4. 10−3 1 + ) . 2.3. 𝜋 1= 7,34. 10−2 (𝑁. 𝑚)
𝑇 = 𝐽0 .𝑖2+𝐽𝐿
. (𝑁𝑀) (3.14)
𝑎 9,55 𝑡1
Trong đó:
𝐽0: momen quán tính roto (380.10−7). 𝐽𝐿 : momen quán tính tải.
𝑡1: thời gian tăng tốc (2s).
𝑁𝑀 : tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
𝐽𝐿 = 𝐽𝐵 + 𝐽𝑇 (3.15)
Momen quan tính của trục vitme: 𝐽𝐵 = 1
8 . 𝑚. 𝐷𝐵 = 𝜋
32. 𝜌. 𝐿𝐵. 𝐷𝐵
4 (3.16)
Trong đó:
𝐷𝐵: đường kính trục vit me. 𝐿𝐵: chiều dài vit me (0,5m). 𝜌: khối lượng riêng của thép. Thay số vào công thức 3.16 ta có:
𝐽𝐵 = 𝜋 . 7,9. 103. 0,6. 0,0084 = 1,91. 10−6(Kg.𝑚2) 32
Momen quán tính bàn máy: 𝐽𝑇 = 𝑚. 𝑃𝐵2
2𝜋 (3.17)
Thay số vào công thức 3.17 ta được: (4. 10−3)2 𝐽𝑇 = 6. Trong đó: 2 𝜋 = 2,55. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2) 2
𝑃𝐵 : bước của vitme.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15: 𝐽𝐿 = 1,91. 10−6 + 2,55. 10−5 = 2,74. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2) Chọn tốc độ quay của trục vitme 𝑁𝑀 =250 (vòng/phút) Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
𝑇𝑎 = 2,74. 10−5 + 380. 10−7. 12 9,55
250 .
2 = 0,86. 10−3 (𝑁. 𝑚)
Chọn hệ số an toàn 𝑆𝑓 = 2 ta có momen xoắn động cơ theo công thức 3.11 𝑇𝑀 = (0,86. 10−3 + 7,34. 10−2). 2 = 74,26(𝑚𝑁. 𝑚)
Kết luận: Từ kết quả tính trên ta chọn động cơ bước 17PM-K142U. Có momen xoắn là 280mN.m, momen giữ là 11,8mN.m.
Thông số kĩ thuật
+ Điện áp làm việc: 12 – 24VDC. + Bước góc: 1.8º.
+ Kích thước: 42x42x41.5 mm. + Đường kính trục: 5 mm.
Phương pháp điều chế xung điều khiển động cơ bước
Để điều khiển động cơ bước động vitme đến một vị trí xác định ta cần cài đặt chế độ làm việc cho driver và tính toán số xung cấp cho động cơ bước với các thông số:
+ Vitme T8 bước 4mm. + Động cơ có góc bước 1.8º.
+ Driver cài đặt chế độ vi bước 1/16.
Ta có số xung cần cấp cho động cơ để di chuyển các trục X, Y, Z 1mm: α = 1 . 360 . 16 = 1 . 360 . 16 = 800
Trong đó:
𝑃𝐵 : Bước ren.
𝜃𝑆: Góc bước động cơ dẫn động.
16: Lựa chọn chế độ vi bước trên driver.
Ta có công thức tính số xung cấp cho động cơ bước theo từng vị trí: x = α.s
Trong đó:
x: Số xung cần cấp.
α: Số xung để vitme dịch chuyển 1mm. s: Khoảng cách.
3.2.2. Bộ điều khiển trung tâm
- Lựa chọn: Bộ điều khiển PLC S7-1200.
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 [29]
Chức năng CPU 1211C CPU 1212C CPU 1214C
Kích thước vật lý 90x100x75 90x100x75 110x100x75 Bộ nhớ người dùng: Bộ nhớ làm việc Bộ nhớ nạp Bộ nhớ giữ lại 25kB 1 MB 2 kB 25kb 1MB 2 kB 50kb 2 MB 2 kB I/O tích hợp cục bộ: Kiểu số Kiểu tương tự 6 ngõ vào/ 4ra 2 ngõ ra 8 ngõ vào/ 6 ra 2 ngõ ra 14 ngõ vào/ 10 ra 2 ngõ ra Kích thước ảnh tiến trình 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O) 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O) 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (O)
Độ mở rộng các
Module tín hiệu Không 2 8
Bảng tín hiệu 1 1 1 Module truyền thông 3(mở rộng về bên trái) 3(mở rộng về bên trái) 3(mở rộng về bên trái) Bộ đếm tốc độ cao Đơn pha
Vuông pha 3 tại 100 kHz 3 tại 80 kHz 3 tại 100 kHz 1 tại 30 kHz 3 tại 80 kHz 1 tại 20 kHz 3 tại 100 kHz 3 tại 30 kHz 3 tại 80 kHz 3 tại 20 kHz Các ngõ ra xung 2 2 2 Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn) SIMATIC (tùy chọn) SIMATIC (tùy chọn) Thời gian lưu trữ
đồng hồ thời gian thực Thông thường 10 ngày/ (ít nhất 6 ngày tại 40 độ C) Thông thường 10 ngày/ (ít nhất 6 ngày tại 40 độ C) Thông thường 10 ngày/ (ít nhất 6 ngày tại 40 độ C) PROFINET 1 cổng Ethernet 1 cổng Ethernet 1 cổng Ethernet Tốc độ thực thi tính
toán thực 18 µs/lệnh 18 µs/lệnh 18 µs/lệnh
Tốc độ thực thi
Boolean 0.1 µs/lệnh 0.1 µs/lệnh 0.1 µs/lệnh
Module truyền thông
Hình 3.9 PLC S7-1200 [29] (1) Nguồn cấp PS.
(2) Thẻ nhớ MMC.
(3) Kết nối với các module mở rộng. (4) Đèn Led hiển thị I/O trên board. (5) Kết nối Profinet.
=> Với yêu cầu điều khiển sử dụng nhiều ngõ vào ra số chúng ta sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214C để có thể đáp ứng yêu cầu của đề tài.
Điều khiển động cơ bước bằng phương pháp băm xung:
PTO/PWM: Đây đều là những bộ tạo xung, nhưng khác nhau như sau:
- Chế độ PWM (Pulse Width Modulation):sẽ có tỷ lệ Ton Tchu kỳ biến thiên. Phương pháp này thường dùng để điều khiển động cơ một chiều, bộ gia nhiệt hay điều khiển biến tần.
- Chế độ PTO (Pulse train output): tạo ra chuỗi xung vuông với tỷ lệ Ton/Tchu kỳ là không đổi. Phương pháp này thường được dùng để phát xung điều khiển cho Driver của động cơ Servo hay động cơ Step. PTO bổ sung thêm nhiều tính năng hơn so với PWM như:
- Tốc độ min (mặc định là 5kHz). + Thời gian tăng tốc (mặc định 1s). + Thời gian giảm tốc (mặc định 1s). Một số lệnh phát xung cơ bản:
- MC_Power: Cho phép và vô hiệu một trục điều khiển chuyển động.
- MC_Home: Thành lập mối quan hệ giữa chương trình điều khiển trục và hệ thống định vị cơ học trục.
- MC Move Relative: Khởi động một chuyển động định vị có liên quan đến vị trí khởi đầu.
- MC Move Absolute: Khởi động chuyển động đến một vị trí tuyệt đối. Chức năng kết thúc khi vị trí đích được đạt đến.
- MC Reset: Đặt lại tất cả các lỗi điều khiển chuyển động. Tất cả các lỗi điều khiển chuyển động có thể biết được đều đã được biết.
- MC_Halt: Hủy bỏ tất cả việc xử lý chuyển động và làm chuyển động theo trục dừng lại. Vị trí dừng không được định rõ.
Trong đó:
+ Enable: Cho phép chạy lệnh. + Axis: Chọn trục điều khiển. + Error: Báo lỗi.
+ Done: Báo chạy xong lệnh.
+ Execute: Bắt đầu lệnh với 1 bit tích cực. + Position: Giá trị vị trí cần điều khiển. + Mode: Chế độ điều khiển.
3.2.3. Module TB-6600 Driver điều khiển động cơ bước
Hình 3.10 Driver TB-6600 [31]
Thông số kĩ thuật
- Nguồn đầu vào là 9V - 40V. - Dòng cấp tối đa là 4A.
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao. - Có tích hợp đo quá dòng quá áp. - Khối lượng: 200G.
- Kích thước: 96 * 71 * 37mm. Cài đặt và ghép nối [32]
- DC+: Nối với nguồn điện tử 9 - 40VDC. - DC- : Điện áp (-) âm của nguồn.
- A+ và A-: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước. - B+ và B- : Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ. - PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V).
- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V).
- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều âm (24VDC R=2.2kΩ).
- ENA+ và ENA-: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa.
- Có thể đầu tín hiệu dương (+) chung hoặc tín hiệu âm (-) chung. - ENA- : nối tiếp điện trở 2.2Ωk nếu sử dụng 24VDC.
Hình 3.11 Sơ đồ nối dây [31]
Setup dòng cho động cơ bước
Bảng 3.2 Setup dòng cho động cơ bước
I(A) SW4 SW5 SW6 4.0 1 1 1 3.5 0 1 1 3.0 1 0 1 2.5 0 0 1 2.0 1 1 0 1.5 0 1 0 1.0 1 0 0 0.5 1 0 0
Cài đặt vi bước cho Driver
Bảng 3.3 Cài đặt vi bước cho Driver
Micro Pulse/rev SW1 SW2 SW3 OFF 0 0 0 0 1 200 0 0 1 1/2A 400 0 1 0 1/2B 600 0 1 1 1/4 800 1 0 0 1/8 1600 1 0 1 1/16 3200 1 1 0 OFF 0 1 1 1
Kết luận: Như vậy với chế độ vi bước 1/16 để động cơ quay được một vòng ta cần cấp 3200 xung và với vitme bước 4 mm ta có thể dễ dàng thấy được 3200 xung đai ốc vitme sẽ di chuyển 4mm. Từ đó ta có thể tính toán thông số xung cẩn cấp để di chuyển quãng đường tương ứng trên thực tế.
3.2.4. Cảm biến quang điện
Thông số kĩ thuật
- Model: E3F-DS30C4
- Cảm biến dạng quang điện loại khuếch tán ( thu phát trên cùng 1 đầu cảm biến). - Nguồn cấp: 6~36VDC.
- Ngõ ra: 3 dây NPN NO.
- Khoảng cách phát hiện: 0~30cm.
- Phát hiện các đối tượng: Trong suốt, mờ đục ... - Dòng ngõ ra Mã: 300mA.
- Có đèn LED chỉ thị khi có ngõ ra. - Kiểu dáng: Phi 18, chất liệu nhựa. - Chiều dài dây dẫn: 1m.
- Kích thước: phi 1.8 (Fi) x 7cm(L).
3.2.5. Công tắc hành trình
Hình 3.13 Công tắc hành trình [22]
Thông số kĩ thuật
- Model: V-156-1A5 BY OMI Omron. - Dòng tiếp điểm: 15A tại 250VAC.
- Tiếp điểm: SPDT(INO-INC). - Kiểu tác động: Chốt lăn đòn bẩy. - Tần số hoạt động: + Cơ: 600 lần/Max. + Điện: 60 lần/Max. - Chống va đập: + Độ bền: 1000m/s2. + Sự cố: 3000m/s2.
- Kiểu đấu nối: Thiết bị đầu cuối hàn. - Nhiệt độ môi trường: -25-80°C. - Cấp bảo vệ: IEC IP40.
- Xuất xứ: Indonesia.
3.2.6. Nguồn xung DC 24V-10A
Hình 3.14 Nguồn xung DC 24V-10A [23]
Thông số kĩ thuật
- Điện áp ngõ vào: 110/220VAC. - Điện áp ngõ ra: DC24V.
- Nhiệt độ làm việc: 0 - 80°C. - Kích thước: 198 x 98 x 42 mm.
3.2.7. Thiết bị đóng cắt nguồn điện
Hình 1. Aptomat LS BKN 2P-50A [33]
Thông số kỹ thuật
- Điện áp: 230~400V. - Số pha: 2P.
- Dòng điện định mức: 50A. - Dòng cắt (KA): Icu = 6kA.