4.9.1. Hệ thống điện
a. Mạch CNC BOB Mach3 USB V2
Mạch CNC BOB MACH3 USB V2 được điều khiển chỉ với một vài thiết lập cơ bản bằng phần mềm Mach3 đã cài đặt trong máy tính thông qua cổng USB. Năm ngõ cấp xung – chiều X, Y, Z, A, B tương ứng với 5 con động cơ bước được điều khiển cùng một lúc. Ngoài ra còn có các ngõ input như IN1, IN2, IN3, IN4, IN5, output như OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 và còn có ngõ ra xuất xung PWM để điều khiển tốc độ Spindle. Nhóm sử dụng mạch Mach3 là do mạch có độ phổ biến rộng rãi dễ tìm kiếm và chọn lựa để mua, đáp ứng được nhu cầu điều khiển vị trí của mô hình máy bơm keo, có khả năng tùy biến để thích hợp với cơ cấu của cụm bơm và cuối cùng là có khả năng mô phỏng quá trình làm việc 1 cách rõ ràng.
Bảng 4.6: Thông số kỹ thuật mạch CNC BOB MACH3 V2
Kích thước 90 x 60 (mm)
Nguồn sử dụng 5VDC USB
Tần số xung tối đa 100Khz
Số ngõ ra 5 ngõ IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 cách ly Opto
Số ngõ vào 4 ngõ OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 cách ly IC đệm Số trục điều khiển 5 trục X, Y, Z, A, B
b.Adruino Mega 2560 R3
Arduino Mega 2560 R3 là phiên bản cải tiến của Adruino Uno R3. Được nâng cấp về bộ nhớ, số chân giao tiếp và ngoại vi. Để xử lý được tín hiệu từ các chân DIR của mạch Mach3 ta cần IC số hoặc các loại vi điều khiển có thể lập trình được và xử lý theo lưu đồ giải thuật đã thiết lập, nhóm quyết định chọn Arduino Mega 2560 vì tín hiệu nhận 5V phù hợp với mạch Mach3. Mạch sẽ nhận tín hiệu từ mạch Mach3 và xử lý, sau đó xuất tín hiệu kích mạch Relay điều khiển cụm bơm keo.
Hình 4.12: Mạch Adruino Mega 2560 R3
Bảng 4.7: Thông số kỹ thuật mạch Adruino Mega 2560 R3
Kích thước 101.52 x 53.3 (mm)
Nguồn sử dụng 5VDC USB hoặc giắc cắm tròn DC
Vi điều khiển chính ATmega2560
Chân Digital I/O 54
Chân xuất xung PWM 15
Chân Analog Input 16
Clock speed 16MHz
Flash Memmory 256KB
Dòng DC mỗi chân và DC chân 3,3V 20mA và 50mA
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Driver Microstep 3.5A 40VDC dùng để điều khiển động cơ bước 2 pha với công suất lên đến 3.5A, cách sử dụng và chức năng tương tự với Driver TB6600, nhưng độ phân giải lên đến 1/32 step. Vỏ driver được thiết kế bằng kim loại, chắc chắn, bền bỉ, với khả năng chống nhiễu và tản nhiệt lớn giúp hoạt động ổn định hơn trong quá trình sử dụng. Bên cạnh đó còn tích hợp các chân và tính năng khác như chân Enable, chân Reset, bảo vệ quá áp UVLO, bảo vệ quá nhiệt TSD và tính năng Standby. Nhóm quyết định chọn mạch Driver này là do mạch có nhiều mức điều chỉnh dòng để phù hợp với nhiều loại Step Motor và có thể điều chỉnh vi bước 1/32 với bước vít me nhỏ mà nhóm đã chọn sẽ giúp phần điều khiển trở nên chính xác hơn.
Hình 4.13: Driver Microstep 3.5A 40VDC
Bảng 4.8: Thông số kỹ thuật Driver Microstep 3,5A 40VDC
IC Driver SI09AFTG Japan
Nguồn cấp tối đa 40VDC
Dòng cấp IOUT 3.5A
Độ phân giải 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 step
Kích thước 96 x 57 x 35 (mm)
d.Nguồn tổ ong 12V-10A
Nguồn tổ ong 12V 10A dùng để cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động sử dụng nguồn 12VDC và cần ít hơn 120W. Có các tính năng như: Bảo vệ đoản mạch, quá tải và quá áp, tự phục hồi sau khi loại bỏ tình trạng lỗi. Nhóm dùng nguồn tổ ong 12V- 10A để cấp nguồn cho mạch Mach3, Driver Microstep 3.5A 40VDC và van khí nén 3/2.
e. Mạch Relay Opto chọn mức kích High/Low
Mạch Relay Opto kích High/Low sử dụng để bật, tắt thiết bị AC/DC qua Relay, thông qua Jumper mạch có thể chọn kích mức cao hoặc thấp, ngoài ra mạch còn có Opto cách ly đảm bảo được độ an toàn và chống nhiễu vượt trội. Trong đồ án này để điều khiển được valve khí nén 3/2 12VDC thì không thể nào dựa vào mạch mach3 do chỉ có tín hiệu điệu khiển ở mức 5VDC, vì vậy nhóm quyết định chọn mạch relay này để có thể điều khiển valve khí nén 3/2.
Hình 4.15: Mạch Relay Opto chọn mức kích High/Low
Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật mạch Relay Opto chọn mức kích hoạt High/Low
Điện áp sử dụng 5/12/24VDC
Dòng tiêu thụ 200mA/Relay
Tiếp điểm đóng ngắt Relay trên mạch Max 250VAC-10A hoặc 30VDC-10A
Kích thước 50 x 26 x 19 (mm)
4.9.2. Hệ thống khí nén a. Máy bơm hơi a. Máy bơm hơi
Một thành phần không thể trong mô hình đồ án, được sử dụng để cung cấp khí cho toàn hệ thống.
Hình 4.16: Máy bơm hơi
van. Gồm 2 loại là van thường đóng (NC) và van thường mở (NO). Ở đồ án này nhóm sử dụng van khí nén 3/2 thường đóng (NC) để có thể điều khiển xy lanh tác động một chiều ta cần cấp khí để xy lanh duỗi ra tới cuối hành trình và khi không tác động vào thì cần một cửa thoát khí trả về để không bị kín khí làm xy lanh bị kẹt. Thêm vào đó là valve khí nén 3/2 có thể điều khiển bằng điện 12VDC và dễ dàng đồng bộ với các thành phần điều khiển khác của đồ án.
Hình 4.17: Van khí nén 3/2
c. Van điều chỉnh áp suất khí nén AFC2000
Van điều chỉnh áp suất khí nén có vai trò điều chỉnh áp suất đầu vào cụm bơm keo sao cho phù hợp nhất tránh trường hợp áp suất khí quá lớn làm tràn keo. Từ bình áp suất không thể dùng trực tiếp vào thiết bị khí nén vì áp suất quá lớn sẽ gây hư hỏng cho thiết bị trong hệ thống, thiết bị trong hệ thống có giới hạn đến 1MPA, vì vậy chọn van giảm áp từ 100PSI xuống từ 0MPA đến 1MPA sẽ phù hợp với đồ án. Sử dụng van này giúp hệ thống điều chỉnh được áp suất mong muốn đối với từng đầu bơm, theo đó có thể chỉnh lượng keo PVC phù hợp với khuôn cần đổ.
Hình 4.18: Van điều chỉnh áp suất khí nén AFC2000
d.Van 3/2 tác động bằng nút nhấn (Estop)
Nhóm sử dụng van 3/2 tác động bằng nút nhấn giúp có thể dừng cấp khí từ máy bơm khi có sự cố xảy ra, giảm thiệt hại lên cụm bơm trong khi vận hành và lập trình
thử nghiệm. Bên cạnh đó còn giúp giảm hệ thống xả áp lực khi nạp nguyên liệu keo PVC vào ống chứa.
Hình 4.19: Van 3/2 tác động bằng nút nhấn
e. Van 1 chiều
Van 1 chiều giúp ngăn dung dịch keo PVC tràn ngược về van điều chỉnh áp suất (Estop) gây thiệt hại cho van. Vì vậy giúp nút Estop tăng tuổi thọ trong quá trình vận hành.
Hình 4.20: Van 1 chiều
f. Các thành phần phụ khác
Các thành phần phụ được sử dụng chủ yếu để chia nguồn khí, cung cấp khí, và cung cấp keo PVC các thành phần khác.
Hình 4.21: Chạc chia khí tròn 2 ngã Hình 4.22: Đầu nối ống 6mm 2 ngã
Hình 4.23: Ống chứa keo PVC Hình 4.24: Đầu nối ống 6mm 4 ngã
Bảng 4.10: Linh kiện hệ thống điện
STT Tên gọi Số lượng
1 Mạch Relay Opto kích High/Low 4
2 Mạch CNC BOB Mach3 USB V2 1
3 Aduino Mega 2560 R3 1
4 Nguồn tổ ong 12V 10A 1
5 Step motor Nema 23 2
6 Driver Microstep 3.5A 40VDC 2
4.10.2. Thành phần khí nén cần chuẩn bị
Bảng 4.11: Thành phần khí nén
STT Tên gọi Số lượng
1 Máy bơm hơi 1
2 Chạc chia khí tròn 2 ngã 1
3 Ống chứa keo PVC 2
4 Van điều chỉnh áp suất khí nén lọc khí AFR 2000 2
5 Van khí nén 1 chiều 2
6 Van khí nén 3/2 4
7 Van 3/2 tác động bằng nút nhấn (Estop) 2
8 Đầu nối khí ren 13 mm 16
9 Đầu nối ống 6mm 4 ngã 1
10 Đầu nối ống 6mm 2 ngã 1
11 Đầu nối khí 6mm ren 5mm 4
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ 5.1. Kết quả
Về cơ bản nhóm đã thiết kế thành công mô hình “Máy bơm keo PVC tự động” với kích thước đã đề ra trước đó và tiến hành chạy thực tế, thử nghiệm trên 3 loại khuôn khác nhau “Khuôn nét dày 4mm, nét vừa 3mm và nét mỏng 2mm” để mô hình có thể phát huy tối đa công xuất và hiệu quả cao nhất.
5.1.1. Mô hình phần cứng a. Tổng thể máy
Hình 5.1: Mô hình tổng thể máy
c. Cụm Y Hình 5.3: Cụm Y thực tế d.Cụm bơm keo PVC Hình 5.4: Cụm bơm keo PVC thực tế 5.1.2. Hệ thống điện và khí nén a. Hệ thống điện
Theo mục tiêu ban đầu đề ra, hệ thống điện được đặt trong hộp điện và sẽ được tích hợp các nút nhấn như auto, các phím chức năng cơ bản, nút dừng khẩn cấp. Tuy nhiên do dịch covid19 nhóm chỉ hoàn thiện được ở mức tương đối với mục tiêu ở trên.
Hình 5.5: Hệ thống điện thực tế
b.Hệ thống khí nén
Hình 5.6: Hệ thống khí nén thực tế
5.1.3. Sản phẩm thực tế
Dung dịch lỏng sẽ lấp đầy thể tích bị khuyết xuống của khuôn đã gia công, sau khi gia nhiệt dung dịch sẽ đông đặc và định hình theo khuôn, sản phẩm được lấy ra có hình dạng của khuôn gia công.
Hình 5.7: Sản phẩm thực tế
5.2.Tốc độ di chuyển và sự ổn định khi hệ thống khi vận hành
Sau khoảng thời gian chạy thực nghiệm, nhóm nhận thấy động cơ bước hoạt động ổn nhất ở tốc độ là 50mm/min.
Tương tự như tốc độ tối thiểu, nhóm đẩy lên tốc độ lên từ từ đến 1000mm/min, tiếp tục tăng thêm thì có hiện tượng motor quay không được, nhưng với tốc độ 1000mm/min máy vận hành ổn định được 10 phút thì thấy motor quá nhiệt dẫn đến nhiệt tượng trượt bước. Tuy nhiên, khuyến cáo không nên sử dụng tốc độ 1000mm/min vì dễ làm cho động cơ bước giảm tuổi thọ và hư hỏng gây ảnh hưởng đến toàn hệ thống.
Tốc độ 800mm/min là tốc độ mà hệ thống hoạt động ổn định nhất, khi giảm dần từ 1000mm/min xuống, không xảy ra bất kì hiện tưởng nào trong suốt quá trình thử nghiệm.
5.3. Kiểm nghiệm độ sai lệch khi vận hành 5.3.1. Vị trí của 2 trục khi hoạt động 5.3.1. Vị trí của 2 trục khi hoạt động
Sai số về điều khiển Step driver có thể do nhiều nguyên nhân, ví dụ sai số có thể xảy ra khi đường truyền tín hiệu từ Mach3 xuống động cơ bước có thể bị mất xung do khả năng truyền tải của dây tín hiệu, hoặc có thể là do động cơ bước vận hành sinh nhiệt cao, hoặc là do tốc độ điều khiển quá nhanh vượt mức giới hạn của motor và gây trượt bước.
Để kiểm nghiệm được sự sai lệch của vị trí trong khi vận hành máy, nhóm đã chạy bơm cùng một khuôn từ việc về home và chạy đổ lặp đi lặp lại trong 10 lần ở vận tốc ổn định 800mm/min. Sau mỗi lần hoàn thành công đoạn bơm, nhóm điều khiển đầu bơm tới các vị trí góc và bốn cạnh của khuôn để kiểm tra sai lệch vị trí home theo giá trị hiển thị trên phần mềm Mach3. Và giữ nguyên không set home lại chạy lần lượt cho đến 10 lần.
Bảng 5.1: Độ sai lệch ví trí của 2 trục X (mm) Y (mm) Lần 1 -0.02 +0.04 Lần 2 +0.01 +0.02 Lần 3 -0.04 -0.01 Lần 4 -0.02 +0.02 Lần 5 -0.03 +0.01 Lần 6 +0.00 -0.01 Lần 7 -0.02 +0.03 Lần 8 -0.05 +0.06 Lần 9 -0.02 +0.04 Lần 10 -0.05 -0.02
Nhận xét: Sai số trên có thể sai số trong quá trình đo các bước, thực tế máy có
thể chạy ổn định được trong nhiều chu kỳ liên tiếp, vì thế có thể đáp ứng được khả năng bơm liên tục trong suốt một ca làm việc mà không phải canh home lại cho máy. Từ đó giúp người vận hành đỡ vất vả hơn trong quá trình canh chỉnh khuôn.
5.3.2. Vị trí các khớp gối đỡ
Trong quá trình máy hoạt động không thể tránh khỏi rung lắc, tác động của bên ngoài vào máy, để máy có thể hoạt động chính xác thì các gối đỡ không được dịch chuyển.
Sau khi quá trình ráp máy hoàn thành, và vận hành máy trong 2 tuần chạy khi kiểm nghiệm vị trí tương đối giữa các khớp lắp ráp không có sự xê dịch trong khi vận hành. Các ty trượt, khớp nối sau quá trình vận hành không xảy ra bất kỳ thiệt hại nào.
5.4.Sự khác nhau khi vận hành với nước và keo PVC
Trước khi vận hành với keo PVC, nhóm đã thử nghiệm với nước sau đó đánh giá kết quả và kiểm nghiệm khả năng hoạt động của đầu bơm đúng với các tiêu chí yêu cầu của đồ án.
5.4.1. Vận hành thực nghiệm với nước
Là dung dịch loãng, khi có áp suất nhỏ để kích mở van khí nén 3/2 thì vẫn dễ dàng xảy ra hiện tượng tràn dung dịch ra khỏi khuôn. Vì vậy khi chạy thử với nước đã giúp nhóm rút ra được kinh nghiệm về việc pha chế độ đặc của dung dịch với từng mức áp suất là vô cùng quan trọng.
Hình 5.8: Thực nghiệm với nước
5.4.2. Vận hành thực nghiệm với keo PVC
Do có độ nhớt nhất định nên trong quá trình vận hành dung dịch không xảy ra hiện tưởng nhỏ giọt bên cạnh đó cũng dễ dàng kiểm soát được hiện tượng tràn keo hơn so với khi vận hành thử với nước.
Hình 5.9: Thực nghiệm với keo PVC
5.5.Độ chính xác của hệ thống và cụm bơm keo PVC
Theo dõi link video sau đây để có thêm sự đánh giá trực quan về độ chính xác của cơ cấu CNC 2 trục và cơ cấu bơm keo PVC khi vận hành.
Link video: (90) DT86 CLC TV 013421 - THIẾT KẾ VÀ GIA CÔNG MÁY BƠM KEO PVC TỰ ĐỘNG - YouTube
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.1. Kết luận
Sau khoảng 5 tháng nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển đồ án, nhóm đã rút ra được những kinh nghiệm và kết luận sau:
- Nghiên cứu được những lý thuyết cũng như cách tính toán liên quan đến đồ án. Đây là phần quan trọng nhất để việc điều khiển được chính xác và trơn tru.
- Nghiên cứu các cơ cấu truyền động, từ đó đưa ra mô hình cho các trục điều khiển. Tránh trường hợp thiết kế tính toán mô phỏng không đúng như thực tế, dẫn đến thay thế các thành phần, linh kiện làm vượt chi phí ban đầu đã đề ra.
- Biết được những khó khăn để làm ra được những máy móc có tính tự động hóa và có hiệu quả cao.
- Máy hoạt động đúng bởi các lệnh từ phần mềm Mach3, đầu bơm hoạt động ổn định, không làm rò rỉ dung dịch xuống khuôn.
- Phần cơ khí được thiết kế và hoàn thiện đúng như mô hình 3D trên phần mềm.
- Máy chưa có thiết kế tối ưu, tốc độ chưa được như mong đợi.
6.2. Hướng phát triển đề tài
- Gia tăng thêm số đầu bơm để tăng năng suất từ đó gia tăng được số lượng màu giúp cho sản phẩm thêm đa dạng và phong phú.
- Xuất file đồng loạt hơn, không phải tinh chỉnh file cho khuôn, giúp tiết kiệm được thời gian, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc.
- Nâng cấp hệ thống điện có các nút bấm, công tắc hành trình cùng với các chế độ điều khiển tự động, điều khiển thủ công và dừng khẩn cấp.
- Nâng cấp motor để hệ thống được vận hành nhanh hơn, trơn tru và không xảy ra hiện tượng trượt bước ở tốc độ cao.
- Nghiên cứu và thiết kế hệ thống gia nhiệt, hệ thống làm mát từ đó hình thành một quy trình công nghệ sản xuất ra được sản phẩm hoàn thiện và có tính