Cơ sở lý thuyết về động cơ bước

2.9.1. Khái niệm động cơ bước

Động cơ bước là một động cơ điện và trục được quay bằng cách thực hiện các bước, tức là chuyển động theo một góc (độ) cố định. Biết được vị trí góc chính xác của trục bằng cách chỉ cần đếm các bước có thể đã được thực hiện mà không cần cảm biến.

Có độ chính xác cao nhờ vào động cơ quay theo từng bước. Các tín hiệu điều khiển được đưa vào stator theo thứ tự cũng như là một tần số cụ thể nhờ vào các bộ chuyển mạch. Số lần chuyển mạch tương ứng với số góc quay của rotor, bên cạnh đó thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ và chiều quay của rotor. Vì vậy cần xem xét các tham số sau khi sử dụng động cơ bước: tốc độ hoạt động (bước/giây), mô-men xoắn, mô-men quán tính, góc bước yêu cầu, kiểu truyền động được sử dụng, kích thước và trọng lượng.

2.9.2. Các phương pháp điều khiển động cơ bước a. Điều khiển dạng sóng (Wave Drive) a. Điều khiển dạng sóng (Wave Drive)

Trong chế độ dạng sóng, tại một thời điểm chỉ có một pha được kích hoạt. Nếu trong một pha dòng điện chạy từ + đến – sẽ có chiều dương và ngược lại. Bắt đầu từ bên trái (Hình 2.28), dòng điện sẽ thẳng hàng với rotor và chỉ chạy trong pha A theo chiều dương và rotor được minh họa bằng một nam châm. Tiếp theo pha B chạy theo chiều dương, pha A bị vô hiệu hóa và rotor sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ một góc 90° phù hợp với từ trường tạo ra bởi pha B [12]. Sau đó, điện được cấp trở lại pha A, nhưng lúc này sẽ đi theo chiều ngược lại là chiều âm, rotor quay lại một góc 90° và tương tự như với pha B ở bước cuối cùng.

Hình 2.28: Phương pháp điều khiển wave drive [12]

b.Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive)

Ở chế độ này sẽ luôn cấp điện cho hai pha cùng một lúc, nghĩa là khi stator thứ nhất ON thì một thời gian ngắn sau đó stator thứ hai sẽ ON. Các bước tương tự như chế độ dạng sóng, sự khác biệt có thể kể đến đó là từ trường mạnh hơn, mô-men xoắn cao hơn vì trong động cơ có có nhiều dòng điện chạy hơn [12].

Hình 2.29: Phương pháp điều khiển full step drive [12]

c. Điều khiển chạy nửa bước (Half Step drive)

Ở chế độ này để điều khiển động cơ bước, đầu tiên sẽ kích hoạt hai stator nằm cạnh nhau trước, sau đó stator thứ ba sẽ được kích hoạt lúc này hai stator nằm cạnh nhau được kích hoạt trước đó sẽ bị vô hiệu hóa và quá trình này được lặp lại một cách liên tục. Do đó bước sẽ giảm một nửa từ 90° giảm còn 45°. Ưu điểm của chế độ này là độ chính xác tăng gấp đôi và khi vận hành ở tốc độ thấp sẽ ít rung hơn.

Hình 2.30: Phương pháp điều khiển half step drive [12]

d.Điều khiển vi bước (Micro Step Drive)

Microstepping là chế độ điều khiển có tính chính xác cao và được sử dụng phổ biến nhất. Vì chế độ này có thể giảm bước hơn rất nhiều so với chế độ nửa bước và mô-men xoắn ở đầu ra không đổi do dòng điện trong mỗi pha được kiểm soát. Hình đầu tiên bên trái ta thấy IA = IMAX và IB = 0, sau đó IA = 0.92 x IMAX và IB = 0.38 x IMAX, lúc này rotor sẽ quay cùng chiều kim đồng hồ một góc 22.5° cứ lặp lại như vậy với các giá trị hiện tại khác nhau, rotor sẽ tới được cái vị trí 45°, 67,5° và 90° [12]. Khi mô-men quay sẽ tỷ lệ với góc sin giữa từ trường rotor và từ trường stator, do đó khi mô-men quay càng nhỏ thì bước càng nhỏ. Vì vậy khi sử dụng vi bước sẽ đạt được độ phân giải vị trí rất cao và khi hoạt động sẽ giúp giảm tiếng ồn.

Hình 2.31: Phương pháp điều khiển micro step drive [12]

2.9.3. Ưu, nhược điểm khi sử dụng động cơ bước a. Ưu điểm a. Ưu điểm

- Vị trí động cơ không cần cảm biến để xác định.

- Không cần bộ trình điều khiển, tính toán, điều chỉnh, điều khiển dễ dàng. Với chế độ microstepping, vị trí có thể đạt độ chính xác cao, khoảng 0.007°. - Mô-men xoắn tốt.

- Hiệu quả trong việc giữ vị trí, tiết kiệm chi phí và có tuổi thọ dài.

- Mô-men xoắn quá cao động cơ bước sẽ gặp vấn đề làm tác động đến việc kiểm soát, vì không biết vị trí thực sự của động cơ. Nếu sử dụng chế độ microstepping càng làm cho động cơ bước có khả năng cao gặp vấn đề này. - Ngay cả khi không hoạt động, động cơ bước luôn tiêu hao dòng điện, điều

này dẫn đến quá nhiệt và hiệu suất kém.

- Ở tốc độ cao động cơ bước gây ra tiếng ồn khá to và mô-men xoắn thấp. - Tỷ lệ mô-men xoắn quán tính thấp cộng với mật độ công suất thấp.

2.10. Ứng dụng vào mô hình đồ án

Quy trình tạo ra sản phẩm nhựa PVC

- Pha trộn bột nhựa PVC và dầu hóa dẻo để tạo nguyên liệu nền. - Pha màu vào nguyên liệu nền để tạo ra màu sản phẩm.

- Từ nguyên liệu màu đã pha, ta đổ vào khuôn định hình đã có sẵn theo đường tách màu trên khuôn.

- Sau khi đã đổ vào khuôn, tiến hành quá trình gia nhiệt.

- Quá trình gia nhiệt sẽ làm đông đặc nhựa, tiến hành làm nguội khuôn, sau đó sản phẩm được lấy ra.

Dựa vào quy trình trên, thấy được quá trình bơm keo PVC vào khuôn rất quan trọng trong quy trình tạo mẫu vì phụ thuộc nhiều vào độ chính xác. Do đó mục tiêu của máy là đến những vị trí trên khuôn mẫu đã gia công sẵn để bơm keo vào. Bên cạnh đó độ chính xác vị trí trên khuôn cần đến một quy trình chuyển động giống như khi gia công khuôn.

Khi gia công khuôn mẫu nhôm cho máy bơm keo thì người ta sẽ dùng công nghệ gia công phay CNC để hoàn thành khuôn, khi đó ta có tọa độ và vị trí của những chi tiết cần bơm keo và các kích thước chi tiết của khuôn, từ đó sẽ giúp dễ dàng điều khiển máy bơm keo như bản vẽ nếu phương pháp điều khiển CNC được áp dụng vào mô hình. Những cơ cấu SCARA có thể điều khiển đến vị trí chính xác như tay máy nhưng dễ bị rung lắc dẫn đến keo đổ vào khuôn dễ bị trào ra ngoài. Vì vậy mô hình chuyển động tịnh tiến X, Y như các mô hình CNC sẽ được sử dụng để đạt được độ chính xác cao và đáp ứng được độ hoàn thiện của sản phẩm. Dựa vào những lý thuyết tìm hiểu được thì nhóm ứng dụng vào đồ án như sau:

- Lý thuyết về nhựa PVC giúp hiểu được các tính chất lý hóa của nhựa PVC dạng lỏng, tùy vào cách pha trộn nguyên liệu sẽ tạo nên hỗn hợp có độ đặc lỏng khác nhau, vì thế hệ thống phải có khả năng điều chỉnh được áp suất đầu ra phù hợp được với độ đặc của nhựa.

- Từ các phương pháp bơm keo tham khảo và đặc tính của nhựa PVC dạng lỏng, nhóm chọn phương pháp dùng khí nén tạo áp suất lên nhựa PVC để có dòng nhựa chảy ra ổn định.

- Ứng dụng điều khiển số vào Gcode để có thể di chuyển đến các vị trí cần đổ keo một cách chính xác, vận hành êm ái và hiệu quả. Bên cạnh đó việc biết được các chức năng mã Gcode sẽ được sử dụng để đồng bộ hóa và xuất tín hiện cho vi điều khiển xử lý.

- Ứng dụng khí nén vào mô hình biết được dãy áp suất và áp suất cho phép của linh kiện từ đó giúp chọn lựa các thiết bị khí nén phù hợp cho hệ thống. Từ mục tiêu điều khiển của đồ án và kiến thức về các linh kiện khí nén nhóm xây dựng hệ thống khí nén hoàn chỉnh cho đầu bơm.

- Ứng dụng cơ cấu truyền động vít me bi và động cơ bước vào đồ án giúp lập trình chạy vị trí một cách chính xác.

- Khuôn mẫu: đồ án sẽ dựa trên khuôn mẫu các logo đã được thiết kế và vận hành phù hợp.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Hình 3.1: Hình mô phỏng 3D của máy

3.1.Thiết kế và tính toán các trục, động cơ

Dựa vào những nghiên cứu, tìm hiểu và những kinh nghiệm rút ra được từ kỳ trước. Cơ cấu vít me đai ốc bi có đường hồi bi trong sẽ được sử dụng thay cho đai ốc vít me thường để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến của các trục X, Y. Những tính toán được tính rõ ở mục 3.1.1. và 3.1.2., trục vít me đai ốc bi có các thông số kích thước như sau:

- Đường kính 12mm, dài 600mm cho trục X, 400mm cho trục Y. - Bước vít me 4mm.

3.1.1. Thiết kế và tính toán cụm X

Thiết kế cụm X gồm 2 ty trượt và 1 bộ vít me bi theo phương ngang nhằm tải được cụm bơm dịch chuyển ổn định. Để vận hành trơn tru, làm giảm tải tác động lên motor thì nhóm phải điều chỉnh các trục đồng đều và chỉnh từng chút để có độ mượt chuyển động cao. Bên cạnh đó cụm X tải số lượng đầu bơm nhiều nên việc trừ hao chiều ngang dài hơn so với bàn máy để đáp ứng khả năng làm việc hết không gian bàn máy của các đầu bơm. Cụm bơm liên tục lên xuống dưới tác động của xy lanh nên độ ổn định, bền vững và hiệu quả của bộ truyền động phải đặt lên hàng đầu để đáp ứng được mục đích chính xác của đồ án.

Cụm X

Cụm Y

Hình 3.2: Sơ đồ lực tác dụng lên trục trơn X Ta có: P = mđầ á ×g 2= 5 × 9.8 2 = 24.5N

Hình 3.3: Biểu đồ nội lực và mô-men trên trục trơn X

b.Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm

Mô-men tương đương được tính theo công thức (10.15) và (10.16)/194 tài liệu [5].

Mđ = M + M + 0.75 × T

Đường kính trục được tính theo công thức (10.17)/194 tài liệu [5]: d ≥ đ

( . ×[ ]) và

Mđ = 3466 = 3466 (N. mm) → d ≥ 3466

(0.1 × 60)= 8.32 (mm)

Trong mô hình nhóm sử dụng trục có đường kính trục X = 12 mm nên thỏa điều kiện.

c. Tính toán chọn động cơ

Hình 3.4: Sơ đồ truyền động vít me trục X [2]

Bảng 3.1: Thông số tính toán động cơ bước trên trục X

Tổng khối lượng bàn và tải trọng m = 5kg

Hệ số ma sát của mặt trượt μ = 0.05

Hiệu suất vít me bi h = 0.9

Hệ số ma sát của đai ốc tải trước μ = 0.3

Đường kính vít me bi D = 12mm

Chiều dài tổng thể vít me L = 600mm

Vật liệu vít me Thép: ρ = 7.9 x 10 (kg/m )

Bước vít me P = 4mm

Độ dịch chuyển của 1 xung ∆l = 0.000625 (mm/step)

Chiều dài đi máy l = 8.3mm

Thời gian biểu đồ hình thang t = 0.5s

Góc nghiêng của bàn máy θ = 0°

Hệ số an toàn Sf = 2

Độ phân giải cần thiết của motor θ được tính theo công thức trang H-8 tài liệu [2].

θ =360° × ∆l

P =

360° × 0.000625

4 = 0.05625°

A = l P × 360° θ = 8.3 4 × 360° 0.05625° = 13280 (xung)

Thời gian tăng tốc hoặc giảm tốc t (s) được tính theo công thức trang H-8 tài liệu [2] và bằng 25% của thời gian trong biểu đồ hình thang là lý tưởng.

t = 0.5 × 0.25 = 0.125 (s)

Tần số xuất xung f (Hz) được tính theo công thức trang H-8 tài liệu [2].

f =A − f × t

t − t =

13280 − 0

0.5 − 0.125= 35413 (Hz)

Hình 3.5: Biểu đồ hình thang theo tính toán

Tốc độ vận hành N (vòng/phút) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

N = θ

360°× f × 60 =

0.05625°

360° × 35413 × 60 = 332 (vòng/phút)

Hình 3.6: Sơ đồ lực F [2]

Dựa vào hình 3.6, lực theo hướng chuyển động F (N) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2]. F = F + m × g(sin θ + μ cos θ) = 0 + 5 × 9.807(sin 0° + 0.05 cos 0°) = 2.45N Trong đó: F (N): ngoại lực g = 9.807 m/s2: gia tốc trọng trường

Tải trong đặt trước F (N) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

F = F

2.45

3 = 0.82 (N)

T = F × P 2π ×h+μ × F × P 2π = 2.45 × 4 × 10 2π × 0.9 + 0.3 × 0.82 × 4 × 10 2π = 1.89 × 10 (N. m)

Mô-men quán tính của vít me quy về đầu trục động cơ J (kg. m ) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

J = π

32× ρ × L × D =

32× 7.9 x 10 × 600 × 10 × (12 × 10 )

= 9.649 × 10 (kg. m )

Mô-men quán tính của bàn máy và tải quy về đầu trục động cơ J (kg. m ) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

J = m × P

2π = 5 ×

4 × 10

2π = 2.026 × 10 (kg. m )

Mô-men quán tính tổng J (kg. m ) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

J = J + J = 9.649 × 10 + 2.026 × 10 = 11.675 × 10 (kg. m )

Mô-men xoắn T (N. m) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

T =(J + J ) 9.55 × N t = (J + 11.675 × 10 ) 9.55 × 332 0.125 = 278J + 3.247 × 10 (N. m)

Mô-men cần thiết T (N. m) được tính theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

T = (T + T ) × Sf = [1.89 × 10 + (278J + 3.247 × 10 )] × 2

= 556J + 10.274 × 10 (N. m)

Hình 3.7: Thông số motor theo nhà sản xuất

Qua khảo sát thị trường dựa trên cơ sở các thông số tính toán được nhóm quyết định chọn mua động cơ bước cũ Shinano Kenshi STP-59D3026 57x57mm và tham khảo thông số motor dòng tương đương (Hình 3.7) để kiểm tra tính toán.

Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật động cơ bước trên trục X

Góc bước 1.8°/step

Động cơ 2 pha - loại 6 dây

Trục 6.35 mm

Dòng điện 2,1A

Ta có: ppr = 360° α = 360° 1.8° = 200 → pps = rpm 60 × ppr = 332 60 × 200 = 1106

Vậy ta có biểu đồ hoạt động của motor STP-59D3026 theo 2 đơn vị mô-men xoắn và số xung xuất trong 1s dựa trên thông số biểu đồ của nhà sản xuất.

Hình 3.8: Biểu đồ hoạt động của motor trục X

Bởi vì vùng hoạt động của motor nằm trong đường giữa mô-men xoắn và tốc độ nên motor có thể được sử dụng. Sau đây nhóm kiểm tra lại mô-men quán tính của động cơ theo công thức trang H-9 tài liệu [2].

J =

11.675 × 10

245 × 10 = 0.476

Bởi vì mô-men quán tính của motor STP-59D3026 nhỏ hơn hoặc bằng 10 nên giá trị 0.476 thỏa điều kiện.

Hình 3.9: Tỷ lệ mô-men quán tính tham khảo [2]

3.1.2. Thiết kế và tính toán cụm Y

Thiết kế cụm Y gồm 2 ty trượt và 1 bộ vít me bi theo phương dọc nhằm tải được khuôn định hình chắc chắn. Cũng như trục X thì độ chuyển động của trục Y phải thật mượt để không làm quá tải lên motor, khi trục mượt thì quá trình vận hành của phương ngang sẽ không bị khựng tại từng khoảng, do đó thì quá trình bơm keo sẽ không bị quán tính giật dẫn đến lem màu PVC ra khuôn.

a. Tính toán lực tác dụng lên trục Y

Hình 3.10: Sơ đồ lực tác dụng lên trục trơn Y

Ta có:

P = m à á ×g

5 × 9.8

4 = 12.25N

Hình 3.11: Biểu đồ nội lực và mô-men trên trục trơn Y

b.Đường kính trục tại các tiết diện nguy hiểm

Mô-men tương đương được tính theo công thức (10.15) và (10.16)/194 tài liệu [5].

Mđ = M + M + 0.75 × T

Đường kính trục được tính theo công thức (10.17)/194 tài liệu [5]: d ≥ đ

Mđ = 1543.5 = 1543.5 (N. mm) → d ≥ 1543.5

(0.1 × 60)= 6.36 (mm)

Trong mô hình nhóm sử dụng trục có đường kính trục Y = 12 mm nên thỏa điều kiện.

c. Tính toán chọn động cơ

Hình 3.12: Sơ đồ truyền động vít me trục Y [2]

Bảng 3.3: Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y