4.1.1. Đầu vào
- Các quỹ đạo từ khuôn thiết kế có sẵn. - Lượng keo PVC có thể lắp đầy khuôn.
- Có được vị trí tọa độ của khuôn. - Thời gian thực hiện đổ keo PVC.
4.1.2. Đầu ra
- Chạy được tới các vị trí cần đổ chính xác. - Điều chỉnh được lượng keo vừa đủ vào khuôn. - Canh chỉnh được tọa độ khuôn đã thiết kế. - Đáp ứng được thời gian đổ keo yêu cầu.
4.2. Sơ đồ khối
Hình 4.2: Sơ đồ khối hệ thống điện
Giải thích sơ đồ khối hệ thống điện:
- Từ nguồn 220VAC cấp cho bộ nguồn 12VDC và máy tính.
- Nguồn 12VDC cấp cho mạch Mach3, Driver Step và thông qua mạch Relay 5V cấp cho cuộn coil 12V của van 3/2 khí nén.
- Mạch Arduino nhận nguồn 5V và tín hiệu từ mạch Mach3 để điểu khiển kích Relay cho cuộn coil 12V của van 3/2 khí nén.
4.3. Sơ đồ kết nối 4.3.1. Hệ thống điện
Hình 4.3: Sơ đồ nối dây hệ thống điện
Sơ đồ nối dây ở trên giúp vận hành đầy đủ các chức năng của hệ thống, từ máy tính truyền tín hiệu điều khiển xuất Mach3 xử lý, sau đó xuất xung điều khiển driver, từ mạch Mach3 lấy tín hiệu của chân DIR của các kênh Z, A, B làm tín hiệu cho Arduino, từ đó xuất tín hiệu kích relay điều khiển van 3/2 khí nén.
Bảng 4.1: Kết nối giữa Mach3 và Driver Step trục X
Mach3 Driver Step trục X
5V EN+, DIR+, PUL+
EN EN-
XD DIR-
XP PUL-
Bảng 4.2: Kết nối giữa Mach3 và Driver Step trục Y
Mach3 Driver Step trục Y
5V EN+, DIR+, PUL+
EN EN-
YD DIR-
Bảng 4.3: Kết nối giữa Mach3 và Arduino Mega 2560 R3
Mach3 Arduino Mega 2560 R3
PC5V Vin
PCGND GND
ZD 30
AD 32
BD 34
Bảng 4.4: Kết nối giữa Arduino Mega 2560 R3 và Relay5V
Arduino Mega 2560 R3 Relay5V
5V + GND - 22 S_Z1 24 S_B1 26 S_Z2 28 S_B2 4.3.2. Hệ thống khí nén
Giải thích hệ thống khí nén:
- Bình chứa khí nén thông qua 2 van giảm áp và lọc hơi nước sẽ điều chỉnh được áp suất mong muốn.
- Từ van giảm áp nối ra thiết bị đóng mở khí trong trường hợp khẩn cấp. - Từ thiết bị đóng mở khí qua van một chiều để ngăn cho dòng khí đi ngược
về, đảm bảo dung dịch bơm không tràn ngược làm hỏng thiết bị và cấp khí cho các bộ chia khí khác nhau.
- Bộ chia khí 2 có tác dụng tạo áp suất cho bình chứa dung dịch.
- Bộ chia khí 4 sẽ cấp lần lượt cho 4 van 3/2 khí nén, thông qua relay điều khiển cuộn coil để cấp mở khí cho cụm bơm.
4.4. Giải thuật điều khiển
Hình 4.5: Lưu đồgiải thuật điều khiển khuôn chữ UTE
Từ lưu đồ có thể điều khiển vị trí bơm keo theo Gcode bằng cách điều chỉnh tín hiệu âm dương của chân DIR các trục Z, A, B.
4.5.Cách thức điều khiển
Hình 4.6: Phần mềm Mach3 CNC Controller
4.5.1. Cụm X và Y
Ta điều chỉnh vi bước 1/32 trên driver cho motor của từng cụm, với vi bước 1/32 một xung motor sẽ quay với 1 góc bằng 0.05625 độ. Dựa vào bước vít của hệ thống là 4mm, tính được để chạy 1mm ta cần 1600 xung.
- Vận tốc mong muốn của hệ thống là 1000 (mm/min). - Gia tốc mong muốn của hệ thống là 100 (mm/min ).
Từ đó ta có được đồ thị hình thang của motor
Hình 4.7: Biểu đồ quỹ đạo vận tốc
- Đầu bơm keo gồm đầu nhận khí đóng mở van cho dung dịch đi ra và một đầu nguyên liệu để bơm keo.
Để có thể bơm được, đầu nguyên liệu luôn cần áp suất dung dịch và khi cần bơm sẽ cấp khí vào đầu nhận khí mở van để dung dịch đi xuống. Từ các tín hiệu của chân DIR Z, DIR A, DIR B ta lập bảng tín hiệu để điều khiển cụm bơm như yêu cầu vận hành.
4.6.Tín hiện điều khiển
Bảng 4.5: Tín hiệu điều khiển
B A Z Z1+ B1+ Z2+ B2+ 1 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 1 1 0 0 0 3 0 1 1 1 1 0 0 4 0 1 0 0 0 1 0 5 1 1 0 0 0 1 1
Bảng tín hiệu này dựa trên tín hiệu xuất ra của chân DIR của trục Z, A, B trong mạch Mach3 gởi tín hiệu đến Arduino để xử lý điều khiển cụm bơm.
4.7. Xử lý tín hiệu trong ardruino
Trường hợp 1: Khi nhận tín hiệu từ chân DIR Z = 0, DIR A = 0, DIR B = 0 thì
lò xo xy lanh sẽ tác động Z1, Z2 chạy lên, van đóng mở của B1 và B2 sẽ ngăn không có dung dịch từ đầu nguyên liệu thoát ra.
if((digitalRead(Z)==0) &&(digitalRead(A)==0) &&(digitalRead(B)==0)) { digitalWrite(Z_1,0); digitalWrite(Z_2,0); digitalWrite(B_1,0); digitalWrite(B_2,0); }
Trường hợp 2: Khi nhận tín hiệu từ chân DIR Z = 1, DIR A = 0, DIR B = 0 thì
lò xo xy lanh sẽ tác động Z1 chạy xuống, Z2 không hoạt động, van đóng mở của B1 và B2 sẽ ngăn không có dung dịch từ đầu nguyên liệu thoát ra.
if((digitalRead(Z)==1) &&(digitalRead(A)==0) &&(digitalRead(B)==0)) {
digitalWrite(Z_1,1); digitalWrite(Z_2,0); digitalWrite(B_1,0);
digitalWrite(B_2,0); }
Trường hợp 3: Khi nhận tín hiệu từ chân DIR Z = 1, DIR A = 1, DIR B = 0 thì
lò xo xy lanh sẽ tác động Z1 chạy xuống, Z2 không hoạt động, van đóng mở của B1 mở ra cho dung dịch thoát ra và B2 sẽ ngăn không có dung dịch từ đầu nguyên liệu thoát ra.
if((digitalRead(Z)==1) &&(digitalRead(A)==1) &&(digitalRead(B)==0)) { digitalWrite(Z_1,1); digitalWrite(Z_2,0); digitalWrite(B_1,1); digitalWrite(B_2,0); }
Trường hợp 4: Khi nhận tín hiệu từ chân DIR Z = 0, DIR A = 1, DIR B = 0 thì
lò xo xy lanh sẽ tác động Z2 chạy xuống, Z1 không hoạt động, van đóng mở của B1 và B2 sẽ ngăn không có dung dịch từ đầu nguyên liệu thoát ra.
if((digitalRead(Z)==0) &&(digitalRead(A)==1) &&(digitalRead(B)==0)) { digitalWrite(Z_1,0); digitalWrite(Z_2,1); digitalWrite(B_1,0); digitalWrite(B_2,0); }
Trường hợp 5: Khi nhận tín hiệu từ chân DIR Z = 0, DIR A = 1, DIR B = 1 thì
lò xo xy lanh sẽ tác động Z1 chạy xuống, Z2 không hoạt động, van đóng mở của B1 mở ra cho dung dịch thoát ra và B2 sẽ ngăn không có dung dịch từ đầu nguyên liệu thoát ra.
if((digitalRead(Z)==0) &&(digitalRead(A)==1) &&(digitalRead(B)==1)) { digitalWrite(Z_1,0); digitalWrite(Z_2,1); digitalWrite(B_1,0); digitalWrite(B_2,1); }
Hình 4.8: Mô phỏng vận hành trên Cimco
Trước khi vận hành, luôn phải về home của khuôn trước khi chạy Gcode, đầu tiên xử lý các tín hiệu Z, A, B về mức âm, chân DIR có giá trị bằng 0V, các relay kích Z1, Z2, B1, B2 sẽ tắt.
G1 Z-1. A-1. B-1. F300.
Tiếp theo điều khiển đến vị trí bơm và điều khiển cụm bơm 1 đưa Z xuống và mở van bơm.
G0 X0. Y0.
G0 X-114.393 Y-50.857 G1 Z1. A1. F300.
Gcode reset các biến Z, A, B để Z nâng lên và đóng van bơm. G1 Z-1. A-1. B-1. F300.
4.8.Cách thức bơm keo vào khuôn
Các sản phẩm nhựa PVC trong ngành quảng cáo hiện nay có nhiều mẫu mã, nhiều chi tiết khác nhau. Một sản phẩm PVC hoàn chỉnh bao gồm có nhiều màu PVC tạo nên, các màu PVC trong sản phẩm được tạo từ các đường nét dày mỏng khác nhau. Vì thế rất khó để kiểm soát được áp suất đầu vào của dung dịch bơm phù hợp với tất cả các đường nét bơm khi gia công. Nên để giải quyết được bài toán về các đường nét khác nhau trong một lần bơm nhóm quyết định thiết kế khuôn gồm những đường nét dày mỏng để nghiên cứu cách vận hành và ứng dụng của máy vào thực tế.
Hình 4.9: Khuôn UTE
Bộ khuôn được thiết kế gồm có 3 hàng sản phẩm UTE, hàng 1 có đường nét 4mm, hàng 2 có đường nét 3mm, hàng 3 có đường nét 2mm, để thực hiện nghiên cứu cách thức đổ keo cùng áp suất.
Lượng keo PVC của đầu bơm thoát ra trong khi mở van có thể điều chỉnh bằng việc tăng giảm áp lực của của van giảm áp khí nén. Tuy nhiên việc thực hiện một cách đồng bộ tự động hóa việc đổ keo vào khuôn và điều chỉnh áp suất phù hợp thực tế rất khó khăn, nguyên nhân là do van giảm áp không thể đồng bộ được với điện lập trình trong quá trình đổ keo.
Có 2 phương pháp bơm được sử dụng, bao gồm phương pháp bơm keo chạy theo đường, và phương pháp bơm keo chạy theo điểm. Cần phải kết hợp cả 2 phương pháp này với nhau để bơm keo hợp lý cho khuôn có nhiều đường nét dày mỏng khác nhau.
Đầu tiên phải xác định được các đường nét có độ dày lớn nhất, sau đó điều chỉnh áp suất phù hợp có thể chạy hết biên dạng chữ mà lượng keo không bị lem ra bên ngoài, giữ áp suất cố định và giữ mức áp suất đó cho các đường nhỏ hơn khác. Do áp suất đã cố định mà các biên dạng khác có đường nét mỏng hơn nên không thể chạy theo đường xuyên suốt như đường nét dày nhất được, khi đó phải chọn những điểm có thể đổ dọc theo biên dạng khuôn, tùy vào nét mỏng hay dày mà điều chỉnh mật độ các điểm.
Hình 4.10: Cách thức bơm keo PVC vào khuôn UTE
Các đường nét UTE 4mm sẽ được đổ keo theo đường hết biên dạng của chữ, trong khi đó đường nét UTE 3mm sẽ chỉ đổ tại những điểm đã chỉ định, đường nét UTE 2mm cũng chỉ đổ tại những điểm chỉ định nhưng mật độ các điểm thấp hơn.
4.9.Các thành phần được sử dụng 4.9.1. Hệ thống điện 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