Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

3.1.1 Khung cơ khí

Phần cơ khí của máy viết chữ gồm 4 phần chính: Các chi tiết cơ khí trục Y

Các chi tiết cơ khí trục X Các chi tiết cơ khí trục Z Bàn đỡ máy

Bảng 2 Chức năng các chi tiết cơ khí

STT Tên Chức năng

1 Khung nhôm 20x20-420mm Dẫn hướng cho chuyển động của bút theo trục X

2 Khung nhôm20x20-320mm Dẫn hướng cho chuyển động của bút theo trục y

3 Kê vuông Cố định khung máy

4 Chân máy Nâng đỡ máy

5 Động cơ bước Tạo chuyển động

6 GT2 pulley Dẫn động dây đai

7 Pulley vòng bi nhựa Tạo chuyển động lăn trên khung nhôm

8 Gá bút Giữ bút

9 Servo Nâng hạ bút

a) Phần cơ khí trục

Trên cơ sở kinh nghiệm và khảo sát thực tiễn, tác giả chọn dây dẫn hướng là dây đai và đai răng.

Đây là thanh có nhiệm vụ dẫn hướng cho chuyển động của bút theo trục X với phạm vi di chuyển trong biên độ 23 cm, vì vậy độ dài của thanh dẫn hướng phải này phải lớn hơn 23cm. Nhóm tác giả đã lựa chọn thanh dẫn hướng có độ dài 30cm có sẵn trên thị trường.

Truyền chuyển động: Để truyền chuyển động, và chuyển động quay của động cơ sang chuyển động tịnh tiến của trục X, ta sử dụng cơ cấu truyền đai.

b) Phần cơ khí trục Y

Phương án chọn thiết bị dẫn hướng và chọn trục truyền chuyển động cũng được sử dụng giống với thiết kế trục X, tức ta sử băng dẫn hướng là khung nhôm định hình (theo trục Y), còn truyền chuyển động ta sử dụng truyền động dạng truyền động đai. Tuy nhiên đặc điểm trục Y khác với đặc điểm trục X là trục Y có hành trình dài hơn (33cm)

Phương án truyền chuyển động là bố trí tổ hợp động cơ, dây đai và đai răng. động cơ được đặt 2 bên. Quá trình chuyển động đảm bảo cân đối và chính xác.

c) Phần cơ khí trục Z

Hình 3.4 Trục Z mô phỏng bằng Solidworks

Phần trục z được nằm trên cùng nhất và có cấu tạo phức tạp nhất. Các chi tiết của trục được kết nối với phần trục x.

Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của động cơ sẽ làm bút tiếp xúc với mặt giấy tạo ra nét mực, từ đó giúp hình thành được nét vẽ mong muốn.

Nguồn động lực điều khiển trục chính là các động cơ, các động cơ thường sử dụng là động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín.

Từ mô hình trên Solidworks nhóm tác giả đã chế tạo ra sản phẩm thực tế bằng phương pháp in 3D

Hình 3.5 Trục Z

d) Phần bàn đỡ máy

Bàn đỡ máy được làm từ gỗ là nơi để đặt mẫu giấy viết

3.1.2 Cơ cấu truyền động

Dựa trên mô hình truyền động theo trục X, Y, Z thông thường sẽ sử dụng phần cơ khí. Hoạt động dựa trên nguyên tắc vector tọa độ, vì vậy có các đặc điểm hích hợp cho mô hình máy viết chữ như sau:

Truyền động đai: Truyền động đai là truyền động bằng phương tiện kéo. Chúng truyền mômen xoắn và tốc độ giữa hai trục, và có thể có một khoảng cách lớn hơn so với bộ truyền bánh răng. Vì tất cả các dây làm bằng nhựa hoặc vải dệt đặc tính của chúng khác biệt đáng kể với các bộ truyền bánh răng hoặc xích. Có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, dây đai có răng.

Hình 3.6 Dây đai răng

Với yêu cầu của máy viết chữ ta nên chọn đai răng là phù hợp nhất cho chuyển động trên 2 trục X và Y vì các yếu tố sau:

Ưu điểm:

• Việc truyền lực có tính đàn hồi.

• Chạy êm và ít ồn, chịu sốc.

• Khoảng cách trục có thể lớn.

• Không cẩn thiết bôi trơn.

• Phí tổn bảo dưỡng ít. Nhược điểm:

• Bị trượt qua sự giãn nở của dây đai (nhưng ít hơn các đai thông thường).

• Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn.

• Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai.

• Căng dây đai phải được thực hiện trước khi vận hành lắp ráp. Lựa chọn dây đai GT2 cùng Pulley GT2, chiều dài dây đai (3)cần thiết là:

L1 = 2a +𝜋𝑑1+𝑑22 +(𝑑1−𝑑2)

L1 = 2b +𝜋𝑑1+𝑑22 +(𝑑1−𝑑2)

4𝑏 = 990.27mm (3.2)

Trong đó:

o 𝐿1: chiều dài dây đai trục X o 𝐿2: chiều dài dây đai trục Y

o 𝑎: Khoảng cách giữa 2 tâm của 2 puly trục X: a = 415mm o 𝑏: khoảng cách 2 tâm 2 puly trục Y: b= 470mm

o 𝑑1: Đường kính của Puly 1 = 16mm o 𝑑2: Đường kính của Puly 2 = 16mm

Vận tốc dài mong muốn trên bánh dẫn là 𝑣1 = 20 𝑚𝑚/𝑠 = 0,02 𝑚/𝑠. Vậy tốc độ góc mong muốn trên bánh dẫn là:

𝑛1 =6 . 10 4. 𝑣1 𝜋𝑑1 = 6 . 104 . 0,02 𝜋 . 16 = 23,87(𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) (3.3) Tỷ số truyền: Chọn hệ số trượt 𝜉 = 0,02 𝑢 = 𝑛1 𝑛2 = 𝑑2 𝑑1(1 − 𝜉) = 16 16 . (1 − 0,02)= 1,02 (3,4) Vận tốc quay bánh pully 2: 𝑛2 =𝑛1 𝑢 = 23,87 1,02 = 23,4 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) (3.5) Vận tốc dài trên bánh bị dẫn: 𝑣2 =𝜋𝑑2𝑛2 6 . 104 =𝜋 . 16 . 23,4 6 . 104 = 0,0196(𝑚/𝑠) = 19,6 (𝑚𝑚/𝑠) (3.6)

➢ Ghép nối cơ khí: Các chi tiết được ghép nối với nhau nhờ bu lông đai ốc ở phần khung cơ khí, trục động cơ được nối với nhau nhờ con lăn nhựa, giữa đai thang và động cơ nhờ pu-li .

➢ Bộ phận nâng hạ trục Z: Sử dụng động cơ servo.

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điện 3.2.1 Sơ đồ hệ thống điện 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.

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).

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)

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:

Độ phân giải= 1592

200 = 8 (vòng ) (3.10) Động cơ để đi hết quãng đường Y cần quay:

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

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.

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:

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: