3.2.1 Sơ đồ hệ thống điện
Hình 3.8 Sơ đồ phần mạch điện
a) Khối nguồn và cách li. Chức năng:
• Khối mạch này thực hiện chức năng cách li điện áp giữa module Arduino và mạch driver điều khiển động cơ bước.
• Cung cấp nguồn cho mạch driver và động cơ bước.
Sơ đồ nguyên lí
28 Chân Chức năng D5 Step x D6 Step y D2 Dir x D3 Dir y D9 Limit x D10 Limit Y D12 Pulse servo b) Khối input: Gồm có mạch giới hạn
Chức năng: Mạch giới hạn trục có nhiệm vụ giới hạn đường di chuyển của
các trục trên máy, còn các phím chức năng điều khiển hoạt động của máy.
29
Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch giới hạn
Sơ đồ nguyên lí mạch giới hạn: Mô tả:
Khối mạch giới hạn được kết nối với module Arduino, module Arduino phát hiện giới hạn khi công tắc hành trình tác động thông qua các ngắt. Ở đây sẽ dùng hai khối mạch cho mỗi trục, một tại vị trí gốc tọa độ một ở vị trí biên. Hai chân GND và LIMIT nối chung với nhau, led báo để biết đang ở vị trí tọa độ hay vị trí biên. Chân nguồn 5VDC và GND lấy từ module Arduino, chân LIMIT thì được kết nối với chân 9 (Trục x), 10 (Trục y) và chân 11 (Trục z).
30
3.2.2 Động cơ bước
Động cơ truyền động cho 3 trục X, Y, Z thông thường sử dụng động cơ bước. Việc lựa chọn động cơ bước là phù hợp vì tính khách quan của mô hình có giá thành rẻ và đáp ứng được yêu cầu phục vụ nghiên cứu. Nó có các đặc điểm thích hợp cho mô hình máy viết chữ như sau:
Bảng 3 Bảng tiêu chí đánh giá động cơ bước
Tiêu chí đánh giá Động cơ bước
Mạch Driver Đơn giản (Có thể chế hoặc mua với giá thành rẻ)
Nhiễu rung động Đáng kể
Tốc độ Chậm
Hiện tượng trượt Có thể xảy ra
Giá thành Rẻ, dễ tìm
Góc bước 1,8° ( Nhỏ, độ chính xác cao ) ➢ Thủ tục lựa chọn động cơ bước (2) :
1) Xác định cơ cấu và thông số kỹ thuật yêu cầu: Trước hết phải xác định được đặt điểm kết cấu, đường kính thô, khoảng cách di chuyển và chu kì định vị.
2) Tính toán độ phân giải cần thiết: Độ phân giải được định nghĩa là số lượng bước cần thiết để hoàn thành 1 vòng quay của trục rotor.
Góc bước được xác định là góc quay của động cơ khi được cấp 1 xung. Vị trí của động cơ được quyết định bởi góc bước. Độ mịn hay góc bước là số bước trên mỗi vòng quay của rotor (động cơ có góc bước cảng nhỏ thì nó càng mịn)
31
Góc bước (𝛽) yêu cầu là 1,8°. Chia 360° cho 1,8° ta được độ phân giải là 200 (bước/vòng) . Động cơ bước tiêu chuẩn có roto 200 răng hoặc 200 full step cho mỗi trục xoay động cơ.
Thông thường chế độ full step thực hiện bằng cách tiếp điện cho theo thứ tự liên tiếp số cuộn dây chẵn hoặc số cuộn dây lẻ. Về cơ bản mỗi đầu vào từ trình điều khiển tương đương một bước
3) Xác định vận tốc và momen cần thiết: tính toán vận tốc và momen động cơ có thể đáp ứng.
Gọi a là quãng đường động cơ di chuyển trong 1 xung: a = Chu vi trục quay Độ phân giải = 2πR 200 = 2π. 5 200 = 0,157(mm) (3.7) Dựa vào (1), Gọi b là số xung cần thiết để đi quãng X=250mm, Gọi c là số xung cần thiết để đi quãng Y=300mm:
b =Quãng đường X a = 250 0,157 = 1592 (xung) (3.8) c =Quãng đường Y a = 300 0,157= 1910 (xung) (3.9) Từ (3) và (4), tính được động cơ để đi hết quãng đường X cần quay:
b
Độ phân giải= 1592
200 = 8 (vòng ) (3.10) Động cơ để đi hết quãng đường Y cần quay:
c
Độ phân giải = 1910
200 ≈ 9,55 (vòng) (3.11) Tần số bước ( hay tần số xung ) là lượng xung cấp cho động cơ trong 1 giây. Để tìm tần số bước ta dựa vào tốc độ dài mong muốn là 20 mm/s.
Dựa vào công thức (2) ở trên, ta biết được vận tốc góc động cơ 1 hay vận tốc quay trục chính (RPM) là 23,87 vòng/phút.
32 f =RPMx360 o β = 23.87x360o 1.8 o = 4774 (xung/p) ≈ 80 (xung/s) (3.12)
Bảng 4 Danh sách động cơ bước NEMA phân loại theo mô men xoắn
Loại
Mô men xoắn (Nm)
Bước tối đa (RPM) NEMA 11 0,06-0,12 1000 NEMA 14 0,05-0,5 1000 NEMA 17 0,2-1 1000 NEMA 23 0,5-3 1000 NEMA 34 3-12 1000 NEMA 42 12-20 1000
Dựa theo đặc tuyến mô-men/công suất từ từng động cơ ở trên, nhóm đã lựa chọn động cơ bước Nema 17 là động cơ truyền động cho 2 trục X, Y.
33 ❖ Thông số kĩ thuật + Điện áp làm việc: 12 – 24VDC + Góc bước: 1.8° + Mômen giữ: 0,55 Nm + Kích thước: 42x42x41.5 mm + Đường kính trục: 5 mm + Công suất định mức: 6W
❖ Phương pháp điều chế xung điều khiển động cơ bước
Cài đặt chế độ vi bước 1/16: những vi bước này sẽ tạo nên một bước của động cơ. Nhưng vi bước này không phải để làm tăng độ chính xác của động cơ mà làm cho động cơ hoạt động êm ái hơn ở tốc độ thấp. Nếu ở tốc độ cao khi ta thực hiện điều khiển vi bước để được một bước động cơ hoặc thực hiện điều khiển một bước luôn ta sẽ không thấy sự khác biệt nhiều giữa hai cách điều khiển. Tuy nhiên sử dụng vi bước sẽ giảm đáng kể được độ ồn và độ rung của hệ thống khi ta cần tăng tốc, giảm tốc hoặc chạy ở tốc độ thấp.
Để điều khiển động cơ bước dẫn động dây đai 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:
+ Đai GT2 bước 2mm + Động cơ có góc bước 1,8
+ Driver A4988 cài đặt chế độ vi bước 1/16
Ta có số xung cần cấp cho động cơ để di chuyển các trục X, Y, 1mm:
a = 1 𝑃𝐵 360 𝜃𝑠.𝑚 = 360.16 2.20.1,8 = 80(xung) (3.13) Trong đó: + PB: bước răng + R: số răng + θs: Góc bước động cơ dẫn động
34
3.3 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển 3.3.1 Cơ chế hoạt động: 3.3.1 Cơ chế hoạt động:
Hình 3.13 Cơ chế hoạt động
Phần mềm Lightburn cho phép biên dịch xuất file Gcode từ đầu vào ảnh. File Gcode sẽ gửi đến Adruino thông qua phần mềm Universal Gcode sennder.
Adruino điều khiền hoạt động của động cơ bước, servo để tạo ra nét chữ
3.3.2 Phần cứng điều khiển truyền động
Là bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển ngoại vi.
a) Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng máy tính làm bộ điều khiển trung tâm lưu trữ các file lập trình từ các phần mềm thiết kế và điều khiển như:Lightburn Inkscape, Arduino IE, Universal G-code Sender
b) Bộ điều khiển ngoại vi: Sử dụng Board Arduino Nano làm bộ điều khiển ngoại vi kết nối vưới board CNC Shield V3 và Driver thành bộ điều khiển ngoại vi.
35
Đây là khối điều khiển chính, nó tương tác qua lại giữa máy tính và các khối mạch khác nhằm nhận mã G từ máy tính và kiểm soát toàn bộ hệ thống và xuất tín hiệu điều khiển đến các khối mạch khác.
3.3.3 Phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển Lightburn Phần mềm điều khiển Lightburn
LightBurn là một bố cục ấn tượng, chỉnh sửa cũng như ứng dụng điều khiển cho máy vẽ 2d, máy cắt khắc laser. Nó cho phép bạn nhập các tác phẩm nghệ thuật trong nhiều định dạng tệp hình ảnh và đồ họa vector phổ biến bao gồm PDF, SVG, PNG, JPG, GIF và BMP, v.v. Bạn cũng có thể sắp xếp, chỉnh sửa cũng như tạo các hình dạng vector mới trong trình chỉnh sửa với một số tính năng rất mạnh như thao tác boolean, hàn và chỉnh sửa nút.
LightBurn cho phép áp dụng các cài đặt như tốc độ, sức mạnh, thứ tự vẽ, chế độ hoà sắc, độ sáng và độ tương phản. Ứng dụng này đã được thiết kế để hoạt động với laser của bạn mà không cần sử dụng phần mềm bổ sung.
Nó hỗ trợ các bộ điều khiển dựa trên Ruid, Trocen và GCode. Các bộ điều khiển Gcode được hỗ trợ bao gồm Smoothieware, Grbl, Grbl-LPC và Marlin. Tất cả trong tất cả Light Burn là một bố cục hùng vĩ, chỉnh sửa cũng như ứng dụng điều khiển cho máy vẽ 2d.
36 Tính năng:
- Lightburn quản lí bản vẽ theo các lớp và cho phép chuyển giữa các lớp một cách linh hoạt.
- Chức năng nhân bản đối tượng (clone) rất có ích khi cần sao chép với số lượng lớn hay tạo ra các họa tiết.
- Lightburn hiện đang phát triển tính năng nhận diện hình: đổi từ ảnh bitmap ra các đường nét.
- Cho phép xuất ra nhiều định dạng, Inkscape có thể tạo ra các file EPS, EMF, và các định dạng ảnh bitmap (PNG, JPEG, v.v...)
- Các đối tượng hình vẽ gồm có một số loại đặc biệt: hình sao, đường cong Bézier, gradient màu.
Phương pháp tạo hình quang hợp: - Tạo dữ liệu của file mẫu.
- Dựa vào dữ liệu trên file Lightburn vào các vị trí cần.
- Sau khi viết xong một từ lại nâng viết lên và chuyển qua từ tiếp theo. - Lặp lại các bước 2, 3 cho đến khi viết xong mẫu bài.
Để máy có thể hoạt động được thì cần phải lập trình, viết mã nguồn (firware) để nạp vào board mạch. Lúc đó máy viết chữ mới có thể hiểu được và làm theo những gì ta ra lệnh.
Máy chỉ có thể hiểu được ngôn ngữ G-code vì thế, lightburn giúp lựa chọn chế độ kiểu chữ phù hợp cho bản vẽ, những yêu cầu về độ phân giải, tốc độ viết,và chuyển những yêu cầu đó thành G-code để ra lệnh cho máy viết chữ.
b) Phần mềm Arduino IDE để điều khiển phần cứng hoạt động
❖ Chức năng
Nhận lệnh Gcode từ PC và biên dịch các lệnh này thành những tín hiệu điều khiển động cơ bước. Các chức năng chính của phần mềm như sau:
37
Giao tiếp UART theo hai chiều (truyền và nhận) để nhận mã lệnh G được gửi từ chương trình điều khiển trên máy tính.
Đọc ghi dữ liệu từ EEPROM. Các ngõ ra I/O dùng để: - Điều khiển động cơ bước. - Điều khiển động cơ trục chính.
- Điều khiển quá trình làm mát phôi khi gia công.
- Điều khiển START, STOP, PAUSE, RESET hoạt động máy - Điều khiển enable hoặc disable hoạt động của mạch driver.
Nhận các sự kiện ngắt từ bên ngoài từ các công tắc giới hạn của trục x, y và z.
Chương trình còn lưu lại các hướng dẫn và thông số cài đặt ($x) trong EEPROM phục vụ cho việc điều khiển động cơ các trục mỗi khi khởi động.
Bảng 3.2 là chức năng các chân I/O được lập trình trong code chương trình và được đưa ra các chân tương ứng trên module Arduino để cho việc kết nối ngoại vi.
Để máy CNC hoạt động tốt đúng theo yêu cầu ngoài việc hiểu kết nối với phần cứng ta cần phải hiểu được cách cài đặt các thông số cho chương trình điều khiển dưới máy CNC. Các lệnh được lập trình cố định bắt đầu là $, các giá trị được lưu vào bộ nhớ EEPROM. Các lệnh gồm có:
$: Dùng hiển thị giúp đỡ.
$$ (view Grbl settings): Xem các cài đặc $x trước đó.
$x=value (save Grbl setting): lưu lại cài đặt mới với giá trị mới là value,
các $x được trình bài trong bảng 4.
~ (cycle start): Có chức năng là Start/Restart.
38
Tất cả các lênh này sẽ được sử dụng và thao tác trên phần mêm điều khiển trên máy tính. Trong đề tài sẽ sử dụng chương trình Universal GcodeSender v1.0.5. Các lệnh này sẽ được nhập tại mục Commond trong tab Commond Mode.
Arduino IDE Arduino (Integrated Development Environment) là một trình soạn thảo văn bản, giúp bạn viết code, kiểm tra lỗi và upload code để nạp vào board mạch arduino.40
Một trương trình viết bởi Arduino IDE được gọi là sketch, sketch được lưu dưới định dạng file.ino.
39 ❖ Lưu đồ chương trình chính:
40
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết quả đạt được của đồ án
Do đây là lần đầu tiếp xúc với đề tài này, nên trong quá trình tìm hiểu em đã gặp phải một số khó khăn nhất định. Nhưng dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo cộng thêm nỗ lực tìm tòi, nghiên cứu đã giúp em đạt được một số kết quả sau:
4.1.1 Cơ khí
Phần cơ khí đã được chế tạo giống như mô hình thiết kế trên Solidworks, đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra cho đề tài
Không gian làm việc thực tế 300x230mm Sản phẩm chạy ổn định, chính xác
Hình 4.1 Sản phẩm thực tế
4.1.2 Điện, điện tử
Hiểu được nguyên lí làm việc của các module trong hệ thống và cách ghép nối chúng như thế nào.
41
Tốc độ viết 40-45 kí tự/ phút với cỡ chữ 13
Tốc độ di chuyển bút có thể điều chỉnh từ 1-60mm/s, sản phẩm làm việc ổn định và hiệu quả ở khoảng 20-30mm/s
4.1.3 Phần mềm điều khiển
Nắm rõ tính năng cách sử dụng của các phần mềm. Có thể xử lý văn bản hình ảnh để xuất file Gcode, điều khiển máy hoạt động. Tuy nhiên chỉ dừng lại ở mức độ cơ bản chưa thực sự chuyên sâu về phần mềm
42
Bên cạnh những kết quả đạt được thì mô hình vẫn tồn tại nhiều giới hạn như sau
Khi viết đôi lúc bút vẫn bị dính nét
Phần cơ cấu gá bút trục Z chỉ có thể gá bút vuông góc 90 độ so với mặt giấy Phần đi dây của sản phẩm chưa thực sự gọn gàng
Do giới hạn về phần mềm nên sản phẩm chỉ có 1 số lượng font chữ nhất định
4.2 Phương hướng phát triển
Máy viết chữ tự động có ý nghĩa rất lớn về lĩnh vực sản xuất, giáo dục…Việc làm chủ và ứng dụng vào những lĩnh vực này vẫn còn nhiều hạn chế nhất định. Qua đề tài này em mong muốn sử dụng kiến thức đã học được trong thời gian sinh viên để thực hiện việc tiếp cận với công nghệ và xu hướng của thế giới.
Qua đồ án này em xin đề xuất một số hướng phát triển cho hệ thống: Có thể viết được ngay chữ và hình ảnh nhận diện được qua camera
Kết nối bluetooth truyền hình ảnh từ điện thoại và các thiết bị không dây khác để vẽ.
Phát triển nhiều font chữ nghệ thuật
Sản phẩm có thể biến thành một chiếc máy khắc lazer mini một cách đơn giản bằng việc thay thế cơ cấu gá bút thành đầu khắc lazer.
43
KẾT LUẬN
Sau thời gian hai tháng nỗ lực tìm hiểu và nghiên cứu, đến nay nhóm đồ án đã nắm được cơ sở lý thuyết điều khiển NC áp dụng vào máy viết chữ, nắm được các bước chế tạo một sản phẩm từ việc lên ý tưởng, mô phỏng đến lắp ráp hoàn thiện. Đồ án như một bước đệm nhỏ trong sự phát triển của xu hướng tự động hóa, hiện đại hóa hiện nay, phục vụ trực tiếp cho đời sống sinh hoạt và sản xuất của con người.
Từ sản phẩm “Quạt điện thông minh” đã nghiên cứu nhóm đồ án muốn nghiên cứu, phát triển sản phẩm hơn trong tương lai với những tính năng tiện lợi và hiện đại hơn, phát triển thêm app trên điện thoại. Qua đó giúp sản phẩm dễ dàng sử dụng, nâng cao hiệu suất đáp ứng nhu cầu xã hội hiện nay.
Sau thời gian nỗ lực tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thiện đồ án, đến nay đồ án tốt nghiệp đã được hoàn thành đúng hạn với sự cố gắng của nhóm trong khả năng làm việc chung và phân chia nhiệm vụ về việc tìm hiểu sản phẩm, ứng dụng và chế tạo thành công sản phẩm thực tế. Bằng những kiến thức đã được trang bị ở trường và tìm hiểu một số tài liệu tham khảo có liên quan đến vấn đề đang nghiên cứu,