b. Đặc điểm
Động cơ bước hoạt động dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau [6]. Khi có dịng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của động cơ bước làm cho rotor của động cơ quay một góc nhất định gọi là bước của động cơ.
Góc bước là góc quay của trục động cơ tương ứng với một xung điều khiển [6]. Góc bước được xác định dựa vào cấu trúc của động cơ bước và phương pháp điều khiển động cơ bước.
Động cơ bước step thay đổi được chiều quay và tốc độ phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi, tổng số góc quay tương đương với tổng số lần chuyển mạch.
c. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động động cơ bước là quay theo từng bước một đem lại độ chính xác cao trong xử lý. Động cơ bước được thiết kế để các tín hiệu ở khu vực điều khiển chạy vào stato theo thứ tự và lần lượt theo tần số nhất định.. Khi các pha được cấp điện theo thứ tự như Hình 3.4 thì rotor sẽ quay theo một lượng xác định để đạt được vị trí cuối cùng mong muốn.
Hình 3.4 Ngun lí hoạt động của động cơ bước
d. Tính tốn chọn động cơ bước
Chọn động cơ bước cho trục X. Thông số ban đầu
Khối lượng tải: 2.75 kg.
Hệ số ma sát bề mặt dẫn hướng: 0.05. Hiệu suất bộ truyền vít me: ɳ = 0.9. Đường kính trục vít me: 8 mm.
Khối lượng trục vít me: Mb = 1 kg. Bước vít: Pb= 8 mm.
Độ phân giải cần thiết của động cơ bước (độ)
𝜃𝑠 =360
400 = 0.9
𝑜
Momen quán tính trục vít me Đường kính trục vít me: Db = 8 mm Khối lượng trục vít me: Mb = 1 kg
𝐽𝑡𝑣 =1
2. 𝑀𝑏. (𝐷𝐵
2)2 = 1
2.1.(0,008
2 )2 = 8.10-6(kg.m2) Momen quán tính chi tiết tác dụng lên trục vít me Khối lượng tải m = 2.75 kg
Bước vít Pb = 8 (mm) = 0,008 (m)
𝐽𝑡𝑤 = 𝑚. (𝑃𝑏
2𝜋)2 =2.75.(0,008
2𝜋 )2=4,46.10-6(kg.m2) Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝐽1 = 𝐽𝑡𝑣+ 𝐽𝑡𝑤 = 4,46. 10−6+ 8. 10−6= 1,25. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2)
Momen xoắn tác dụng lên trục động cơ
𝐽0 = 𝐽𝑚 = 380. 10−7(𝑘𝑔. 𝑚2)
Momen quán tính trục động cơ
𝑇𝑎 = 𝐽. 𝜀 = (𝐽0+ 𝐽1). 𝜀 = (380. 10−7+ 1,25. 10−5).𝜋. 0,9
180 = 7,93. 10
−7(𝑁. 𝑚)
Momen xoắn tác động lên Motor do ma sát giữa chi tiết và thanh dẫn hướng
𝑇1 =𝑃𝑏
2𝜋𝜇𝑔𝑓(𝑚𝑔 + 𝐹𝑧) = 0,008
2𝜋 . 0,05. (2,75.9,81 + 0) = 1,72.10-3(N.m) Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝑇𝑚 = (𝑇𝑎 + 𝑇1). 𝑆𝑓 = (1,72. 10−3+ 7,93. 10−7).2.100 = 0,344 (𝑁. 𝑚)
Vậy, ta chọn động cơ bước cho trục X với momen xoắn lớn hơn 0,344 N.m. Chọn động cơ bước cho trục Y.
Thông số ban đầu Khối lượng tải: 1 kg.
Hệ số ma sát bề mặt dẫn hướng: 0.05. Hiệu suất bộ truyền vít me: ɳ = 0.9. Đường kính trục vít me: 8 mm. Khối lượng trục vít me: Mb = 0.5 kg. Bước vít: Pb = 8 mm.
Độ phân giải cần thiết của động cơ bước (độ)
𝜃𝑠 =360
400 = 0.9
𝑜
Momen quán tính trục vít Đường kính trục vít me: Db = 8 mm Khối lượng trục vít me: Mb = 0,5 kg
𝐽𝑡𝑣 =1
2. 𝑀𝑏. (𝐷𝐵
2 )2=1
2.0,5.(0,008
2 )2=4.10-6(kg.m2) Momen quán tính chi tiết tác dụng lên trục vít
Khối lượng tải m = 1 kg
Bước vít Pb = 8 (mm) = 0,008 (m)
𝐽𝑡𝑤 = 𝑚. (𝑃𝑏
2𝜋)2 =1.(0,008
2𝜋 )2=1,62.10-6(kg.m2) Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝐽1 = 𝐽𝑡𝑣+ 𝐽𝑡𝑤 = 4. 10−6+ 1,62. 10−6= 5,62. 10−6(𝑘𝑔. 𝑚2)
Momen xoắn tác dụng lên trục động cơ
𝐽0 = 𝐽𝑚 = 380. 10−7(𝑘𝑔. 𝑚2)
Momen quán tính trục động cơ
𝑇𝑎 = 𝐽. 𝜀 = (𝐽0+ 𝐽1). 𝜀 = (380. 10−7+ 5,62. 10−6).𝜋. 0,9
180 = 6,85. 10
−7(𝑁. 𝑚)
Momen xoắn tác động lên Motor do ma sát giữa chi tiết và thanh dẫn hướng
Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝑇𝑚 = (𝑇𝑎 + 𝑇1). 𝑆𝑓 = (6,85. 10−7+ 6,25. 10−4).2.100 = 0,125 (𝑁. 𝑚)
Vậy, ta chọn động cơ bước cho trục Y với momen xoắn lớn hơn 0,125 N.m. Chọn động cơ bước cho trục Z.
Thông số ban đầu Khối lượng tải: 1.8 kg.
Hệ số ma sát bề mặt dẫn hướng: 0.05. Hiệu suất bộ truyền vít me: ɳ = 0.9. Đường kính trục vít me: 8 mm.
Khối lượng trục vít me: Mb = 0.63 kg. Bước vít: Pb= 8 mm.
Độ phân giải cần thiết của động cơ bước (độ)
𝜃𝑠 =360
400 = 0.9
𝑜
Momen quán tính trục vít Đường kính trục vít me: Db = 8 mm Khối lượng trục vít me: Mb = 0.63kg
𝐽𝑡𝑣 =1
2. 𝑀𝑏. (𝐷𝐵
2 )2=1
2.0,63.(0,008
2 )2=5.04.10-6(kg.m2) Momen quán tính chi tiết tác dụng lên trục vít
Khối lượng tải m = 1,8 kg
Bước vít Pb = 8 (mm) = 0,008 (m)
𝐽𝑡𝑤 = 𝑚. (𝑃𝑏
2𝜋)2 =1,8.(0,008
2𝜋 )2=2.92.10-6(kg.m2) Momen quán tính tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝐽1 = 𝐽𝑡𝑣 + 𝐽𝑡𝑤 = 5,04. 10−6+ 2,92. 10−6 = 7,96. 10−6(𝑘𝑔. 𝑚2)
Momen xoắn tác dụng lên trục động cơ
𝐽0 = 𝐽𝑚 = 380. 10−7(𝑘𝑔. 𝑚2)
𝑇𝑎 = 𝐽. 𝜀 = (𝐽0+ 𝐽1). 𝜀 = (380. 10−7+ 7,96. 10−6).𝜋. 0,9
180 = 7,2. 10
−7(𝑁. 𝑚)
Momen xoắn tác động lên Motor do ma sát giữa chi tiết và thanh dẫn hướng
𝑇1 = 𝑃𝑏
2𝜋𝜇𝑔𝑓(𝑚𝑔 + 𝐹𝑧) =0,008
2𝜋 . 0,05. (1,8.9,81 + 0) = 1,12. 10
−3(𝑁. 𝑚)
Momen xoắn tổng cộng tác dụng lên trục động cơ
𝑇𝑚 = (𝑇𝑎 + 𝑇1). 𝑆𝑓 = (7,2. 10−7+ 1,12. 10−3).2.100 = 0,22 (𝑁. 𝑚)
Vậy, ta chọn động cơ bước cho trục Z với momen xoắn lớn hơn 0,22 N.m. Vậy ta chọn 3 động cơ bước thông số kỹ thuật như sau:
Kích thước: 42mm x 42mm x 48mm. Đường kính trục: 5mm.
Dịng điện: 1.5 A. Momen xoắn: 0.44 Nm. Trọng lượng: 0.38 kg.
Độ phân giải: 0.9o (haft step 400 xung). Số dây: 4 dây.
Loại: động cơ bước 2 pha.
3.1.3. Driver điều khiển động cơ bước TB6560
Hình 3.5 Mạch điều khiển động cơ bước Driver TB6560
Mạch driver động cơ bước TB6560 3A được thể hiện trong Hình 3.5 là module để điều khiển động cơ bước. Module TB6560 này có khả năng điều khiển động cơ bước
ở các chế độ: full step, half step, vi bước (1/8 và 1/16 step). Các chế độ được set bởi phần cứng với các công tắc được bố trí trực tiếp trên bo mạch.
Module TB6560 được kết nối với động cơ bước như Hình 3.7.
Running Current (tùy chỉnh dòng xem Bảng 3.1): 0,3-3A (SW1,SW2,SW3,S1). Stop Current (tùy chỉnh dòng khi dừng xem Bảng 3.2): 20%-50% (S2).
Decay (xem Bảng 3.3): khi cấp điện cho cuộn dây motor qua cầu H bên trong IC thì sẽ có dịng điện chạy qua, ví dụ quy định dịng là 1A thì khi đến dịng 1A IC nó ngưng khơng cấp điện nữa, dịng điện tụt xuống, nó lại cấp tiếp cứ vậy. Chu kỳ cấp rồi ngưng phụ thuộc vào dao động nội bên trong IC, dao động này thay đổi bằng cách thay đổi giá trị tụ C5, trong mạch dùng tụ 330pF, dao động là 130khz, thay tụ 100pF thì dao động là 400khz, tần số càng cao thì IC kiểm tra sự thay đổi dịng càng nhanh [7].
Bảng 3.1 Tùy chỉnh dòng cho Driver (A) 0.3 0.5 0.8 1 1.1 1.2 1.4 Sw1 OFF OFF OFF OFF OFF ON OFF Sw2 OFF OFF ON ON ON OFF ON Sw3 ON ON OFF OFF ON OFF ON S1 ON OFF ON OFF ON ON OFF (A) 1.5 1.6 1.9 2 2.2 2.6 3
Sw1 ON ON ON ON ON ON ON
Sw2 OFF OFF ON OFF ON ON ON Sw3 ON OFF OFF ON ON OFF ON S1 ON OFF ON OFF ON OFF OFF
Bảng 3.2 Tùy chỉnh dòng điện khi dừng động cơ S2 20% ON 50% OFF Bảng 3.3 Hạn dòng cho động cơ S3 S4 S5 S6
Full OFF OFF 0% OFF OFF 1/2 Step ON OFF 25% ON OFF 1/8 Step ON ON 50% OFF ON 1/16 Step OFF ON 100% ON ON
Tùy chỉnh thực tế driver TB6560 (xem Hình 3.6).
Thơng số kỹ thuật:
Nguồn đầu vào là 10V - 35V. Dòng cấp tối đa là 3A.
Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao. Có tích hợp đo q dịng quá áp.
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối mạch điều khiển động cơ bước Driver TB6560
3.1.4. Nguồn tổ ong 24VDC
Nguồn tổ ong (xem Hình 3.8) là dùng để chỉnh lưu điện áp từ 220VAC xuống 24VDC. Cấp nguồn cho các thiết bị. Cụ thể trong mơ hình thì nguồn tổ ong dùng để cấp nguồn cho PLC, các các relay trung gian, các động cơ. Nguồn tổ ong là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều.
Thông số kỹ thuật:
Tên linh kiện: Nguồn tổ ong 24VDC 3A. Điện áp đầu vào: AC 110V/220V | 50/60Hz. Điện áp đầu ra: DC 24V.
Dòng ra: 3A. Cơng suất: 240W. Trọng lượng: 600g.
Kích thước: 200x110x50 mm. Chất liệu vỏ: Kim loại/nhôm. Nhiệt độ làm việc: 0 ~ 40oC. Nhiệt độ lưu trữ: -20 ~ 85oC.
Độ ẩm môi trường: 0 ~ 95% không ngưng tụ.
Trong đồ án này chúng em sử dụng nguồn tổ ong 24V, 3A để cấp nguồn cho các relay kiếng, PLC cũng như các thiết bị trong mơ hình.
3.1.5. Cảm biến hồng ngoại PNP E3F-DS30P2
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30P2 (Xem Hình 3.9) dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt, Cảm biến hồng ngoại E3F- DS30P2 có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở.
Cảm biến hồng ngoại pnp có 3 chân như Hình 3.10 gồm:
Màu nâu (Brown) chân nguồn dương VCC cấp nguồn từ 6~36VDC. Màu xanh (Blue) chân nguồn âm GND 0VDC.
Màu Đen (Black) chân tín hiệu SIGNAL đầu ra cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open Collector.
Thông số kỹ thuật:
Model: E3F-DS30P2.
Điện áp hoạt động: 6-36VDC. Khoảng cách phát hiện: 10-30cm. Loại ngõ ra: PNP thường đóng (NC). Dịng hoạt động: 300mA.
Hình 3.9 Cảm biến hồng ngoại PNP E3F-DS30P2
Hình 3.10 Sơ đồ chân cảm biến PNP
3.1.6. Aptomat
Aptomat (xem Hình 3.11) là thiết bị dùng để đóng cắt và bảo vệ mạch điều khiển, động lực khỏi sự cố, đảm bảo an toàn cho người vận hành. Ngoài ra, một số dịng Aptomat có thêm chức năng bảo vệ chống dịng rị được gọi là aptomat chống rò hay aptomat chống giật.
Nguyên lý hoạt động của Aptomat được thể hiện qua Hình 3.12.
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý Aptomat
Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, Aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm tiếp điểm động. Bật Aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 4 và phần ứng 4 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt [8]. Cách tính chọn Aptomat. Để tính chọn Aptomat ta áp dụng cơng thức: 𝑰𝒕𝒕 = 𝑷 𝑼. 𝐜𝐨𝐬 𝝋 Trong đó: - 𝐼𝑡𝑡 là cường độ dịng điện tính tốn. - P là tổng công suất tiêu thụ.
- U là hiệu điện thế 1 pha 220VAC. - cos 𝜑 là hệ số công suất, ta lấy 0.8.
Sau khi có được dịng điện 𝐼𝑡𝑡 ta có thể tính được ICB = (1.2-1.5) x 𝐼𝑡𝑡. 1.2-1.5 là hệ số an toàn trong hệ thống điện sinh hoạt.
Trong hệ thống của chúng tơi, mơ hình có các loại tải bao gồm 3 động cơ bước (57.6 W) và 3 bóng đèn (1.15 W với I = 20 mA).
Ta có 𝐼𝑡𝑡 = 58.75
0,8 . 220= 0.33 ICB = 0.33 x 1.5 = 0.5 A.
Từ đó ta có thể chọn CB có dịng định mức lớn hơn 0.5 A để đảm bảo an toàn và trường hợp nâng cấp phụ tải sau này.
3.1.7. Relay 24V 14 chân OMRON
Sử dụng loại Relay 14 chân (xem Hình 3.13) để đấu nối điều khiển động cơ.
Hình 3.13 Relay 24V 14 chân OMRON
Relay là một trong những khí cụ điện được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Nó thường làm chức năng là thiết bị trung gian giữa các mạch điều khiển và mạch động lực, điều khiển các cơ cấu chấp hành.
Nguyên lý hoạt động relay trung gian (được thể hiện qua Hình 3.14):
Khi cấp nguồn cho cuộn dây của nam châm điện thì cuộn dây sẽ tạo thành từ trường hút. Từ trường này sẽ tác động để đóng hoặc mở tiếp điểm điện. Từ đó thay đổi trạng thái từ thường đóng chuyển thành thường mở và ngược lại. Relay trung gian có 2 mạch hoạt động độc lập. Một mạch sẽ điều khiển cuộn dây relay để dịng chảy có thể đi qua cuộn dây hoặc khơng đi qua. Mạch còn lại sẽ điều khiển dòng điện để xem xét dịng điện có thể đi qua relay được hay không.
Thông số kỹ thuật:
Điện áp cuộn Coil: 24 VDC. Dòng điện: 12A.
Số cặp tiếp điểm: 4 cặp. Số chân: 14 chân. Đèn báo: Có.
Hình 3.14 Sơ đồ đấu nối relay 14 chân Ormon Relay 14 chân là relay có tổng 4 cặp tiếp điểm. Trong đó: Relay 14 chân là relay có tổng 4 cặp tiếp điểm. Trong đó:
Chân 1, 2, 3, 4 là chân thường đóng hay cịn gọi là NC. Chân 5, 6, 7, 8 là chân thường mở hay còn gọi là NO. Chân 9 10 11 12 là chân chung hay còn gọi là chân COM Chân 13 14 là chân cấp nguồn cho Coil.
Relay này được sử dụng chân đế PYF14A-N (Hình 3.15) và sơ đồ của chân đế (Hình 3.16).
Hình 3.15 Relay 14 chân Ormon
Hình 3.16 Sơ đồ đấu nối chân đế relay 14 chân Ormon
3.1.8. Cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình có thể chuyển đổi tín hiệu đưa đến PLC để tác động đến các hoạt động khác của chương trình. Cơng tắc hành trình khơng duy trì trạng thái của nó ln ln trở về vị trí đầu tiên khi khơng hoạt động.
Một cơng tắc hành trình sẽ được cấu tạo từ các bộ phận như Hình 3.17 gồm: Bộ phận nhận truyền động: nhận tác động từ các bộ phận chuyển động để tác động kích hoạt cơng tắc.
Thân công tắc: là lớp vỏ nhựa bảo vệ công tắc tránh va đập.
Chân kết nối: là chân truyền tín hiệu đến các thiết bị như PLC khi bị tác động bởi bộ phận truyền động.
Hình 3.17 Cơng tắc hành trình
Nguyên lý hoạt động của cơng tắc hành trình (Hình 3.18) hoạt động như sau: một cơng tắc hành trình bao gồm các bộ phận: cần tác động, chân COM, chân thường đóng (NC) và chân thường hở (NO). Ở trạng thái bình thường khi khơng có sự tác động đến cần tác động của cơng tắc thì chân COM và chân NC nối tiếp. Ngược lại, khi có sự tác động vào cần tác động sẽ làm cho chân COM sẽ tác động vào chân NO.
3.1.9. Đèn báo và nút nhấn
Nút dừng khẩn cấp
Hình 3.19 Nút dừng khẩn cấp
Nút dừng khẩn cấp (Hình 3.19) cịn có tên gọi khác là Emergency Stop button. Là loại nút nhấn được dùng để dừng đột ngột máy móc trong các trường hợp khẩn cấp, có thể dễ dàng tác động bằng cách nhấn vào nút và sau khi nhấn thì nút nhấn giữ trạng thái nhấn, muốn nhả nút nhấn thì phải xoay nút nhấn theo chiều được vẽ trên nút. Nút nhấn này là nút nhấn thường đóng, khi tác động thì nút này trở thành trạng thái thường hở.
- Nút nhấn 24V (Hình 3.20) bao gồm các nút start, stop, reset.
Hình 3.20 Nút nhấn 24V
- Đèn báo nguồn 24VDC (Hình 3.21) gồm các đèn start, stop, reset.
3.1.10. Camera quét mã QR
Do đặc thù mã QR chỉ gồm 2 màu đen, trắng nên camera được chọn không cần nhiều yêu cầu. Để tiết kiệm chi phí nên đề tài sử dụng camera USB module Cmos 1.0Mp (xem Hình 3.22).
Hình 3.22 Camera quét mã QR Ưu điểm:
Độ phân giải cao. Điện năng tiêu thụ ít. Ít bị nhiễu.
Tốc độ xử lý ảnh chụp cực nhanh.
Tích hợp nhiều chức năng tương tác trên chụp ảnh.
3.2. Thiết kế phần cứng
3.2.1. Bộ phận nâng, hạ hàng
Được thiết kế với 3 bậc tự do tương ứng với 3 trục chuyển động: trục X dọc theo chiều dài giá hàng, trục Y là cơ cấu nâng hạ hàng, trục Z là cơ cấu lấy hàng (Hình 3.23). Các trục chuyển động đều được định hướng bởi các thanh ray trượt cố định và dẫn động bởi các động cơ điện thông qua cơ cấu tryền động.
Ưu điểm:
Cơ cấu đơn giản, gọn nhẹ vững chắc.