4.2. Mạch điều khiển
4.2.6. Động cơ bước NEMA17 (Step motor 42)
Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện - từ trường: các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau. Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà từ trường này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây gây nên. Khi hướng của dịng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo chiều). Ở đây trục rotor được làm bằng sắt từ hay nam châm được bao quanh bởi stator điện từ. Rotor và stator có thể có răng hoặc khơng có tùy thuộc vào loại của động cơ bước. Khi stator được cấp năng lượng rotor di chuyển theo lực hút của bản thân nó với stator (trong trường hợp động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu) hay di chuyển để có 1 khoảng cách tối thiểu với stator (trong trường hợp động cơ bước loại từ trở biến thiên). Bằng cách này, stator được cấp năng lượng một cách trình tự để làm quay rotor động cơ bước.
Step motor NEMA 17 size 42 x 48mm (Động cơ bước) là loại động cơ bước thường được dùng khi chế tạo máy in 3D, CNC mini và thường được lắp cùng với puli GT2.
Đặc điểm/Thông số kỹ thuật
Chiều dài: 48MM
Đường kính trục 5mm. Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng
khi hoạt động
Cường độ định mức 1.5A, mơ men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8 °
Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54. Tương thích với đầu ra động cơ bước
trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3
Công suất phù hợp cho máy in 3D và CNC mini
SVTH: Lê Văn Báu 48 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Hình 4.11 Step motor NEMA17 4.2.7. Code điều khiển
Phần mềm Arduino IDE
Arduino IDE là một phần mềm mã nguồn mở chủ yếu được sử dụng để viết và biên dịch mã vào module Arduino.
Đây là một phần mềm Arduino chính thức, giúp cho việc biên dịch mã trở nên dễ dàng. Nó có các phiên bản cho các hệ điều hành như MAC, Windows, Linux và chạy trên nền tảng Java đi kèm với các chức năng và lệnh có sẵn đóng vai trị quan trọng để gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong mơi trường.
Có rất nhiều các module Arduino như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino Micro và nhiều module khác. Trong phạm vi đồ án này, nhóm sử dụng module Arduino Nano. Mỗi module chứa một bộ vi điều khiển trên bo mạch được lập trình và chấp nhận thơng tin dưới dạng mã. Mã chính, cịn được gọi là sketch được tạo trên nền tảng IDE sẽ tạo ra một file Hex, sau đó được chuyển và tải lên trong bộ điều khiển trên bo. Môi trường IDE chủ yếu chứa hai phần cơ bản: Trình chỉnh sửa
SVTH: Lê Văn Báu 49 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
và trình biên dịch, phần đầu sử dụng để viết mã được yêu cầu và phần sau được sử dụng để biên dịch và tải mã lên module Arduino.
Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++.
Khi người dùng viết mã và biên dịch, IDE sẽ tạo file Hex cho mã. File Hex là các file thập phân Hexa được Arduino hiểu và sau đó được gửi đến bo mạch bằng cáp USB. Mỗi bo Arduino đều được tích hợp một bộ vi điều khiển, bộ vi điều khiển sẽ nhận file hex và chạy theo mã được viết.
Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau:
1. Window bar
2. Menu bar
3. Phím tắt
4. Text Editor
5. Output Panel
SVTH: Lê Văn Báu 50 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
4.3. Tính tốn, thiết kế cụm trục tịnh tiến
Cụm trục tịnh tiến là cụm có tác dụng làm tịnh tiến bộ dẫn dây nhờ động cơ thông qua bộ dẫn động trục vít me đai ốc bi.
u cầu bài tốn áp dụng trong cụm trục là:
- Khối lượng cụm tịnh tiến: 0,5 (kg).
- Trọng lượng tác dụng tối đa: 5 N.
4.3.1. Chọn vật liệu, tính tốn đường kính trục vít me
Ngồi u cầu về độ bền, vật liệu làm trục vít me chính cần phải có độ bền mịn cao và dễ gia công. Trục không lôi được làm bằng thép CT5, 35, 45, 50. Bạc dẫn hướng thường được làm bằng thép không gỉ.
Trong đồ án này, sử dụng vật liệu như sau:
4.3.1.1. Trục vít me
Thép C45.
Thép C45 là một loại thép hợp kim có hàm lượng Cacbon là 0,45%. Ngồi ra loại thép này cịn chứa một số tạp chất khác như silic, lưu huỳnh, mangan, crom,…(H3.2). Có độ cứng, độ kéo phù hợp trong ứng dụng cơ khí chế tạo máy, các chi tiết chịu tải trong và sự va đập mạnh.
SVTH: Lê Văn Báu 51 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
Dựa vào các đặc tính cơ bản của thép C45, ta có thể tính ra các thơng số của trục vit nhằm đáp ứng tải trọng đã được đề bài đặt ra. Đặc biệt là thông số về giới hạn chảy của thép (H3.3). Hình 4.14 Bảng thơng số tính chất cơ học thép C45 4.3.1.2. Xác định đường kính trục vít me √ [ ] Trong đó: [ ] [ ]
([ ] - ứng suất chảy cho phép của vật liệu làm vít me)
Với tải trọng yêu cầu là 3 (kg) thì . Tra bảng (H3.3) giới hạn chảy của thép
C45 là [ ]
Thay vào (3.1), suy ra:
√
[ ] √
SVTH: Lê Văn Báu 52 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
4.3.1.3. Đai ốc
Để giảm ma sát và mòn ren, đai ốc được chế tạo từ các loại đồng thanh như đồng thanh thiếc, đồng thanh thiếc – chì - kẽm và đồng thanh nhôm – sắt hoặc gang. Nhằm giảm chi phí đồng, thường dùng đai ốc bằng hai kim loại.
Trong đồ án, ta chọn vật liệu làm đai ốc là đồng thanh.
4.3.2. Kiểm tra bền
4.3.2.1. Tải trọng riêng dọc trục
Theo [giáo trình chi tiết máy], cơng thức tính tải trọng riêng dọc trục:
Trong đó: , , . , , , ( ) Chọn .
SVTH: Lê Văn Báu 53 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
Thay vào (3.2),
4.3.2.2. Khe hở tương đối
Theo [giáo trình chi tiết máy]
Từ đồ thị (H3.4), với tra ra được
SVTH: Lê Văn Báu 54 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
4.3.2.3. Sơ đồ truyền động
Hình 4.16 Sơ đồ truyền động của trục vit me
Các thông số đầu vào: Tải khối lượng .
Vận tốc lớn nhất của đai ốc: .
Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu bằng 0, và gia tốc là hằng số ở cả giai đoạn khởi đầu và hãm (Thời gian khởi động xấp xỉ 20% thời gian 1 vòng chu kì).
SVTH: Lê Văn Báu 55 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
Thời gian thực hiện hết 1 chu trình là:
Từ đó ta có:
. Lực dọc trục lớn nhất:
Chọn trục vít me theo tiêu chuẩn SKF:
Từ những thống số trên ta chọn được trục vít me bi hỗ trợ bạc chặn KFL08 (H3.7)
Hình 4.18 Bạc chặn KFL08
Theo [giáo trình chi tiết máy], + Tuổi bền của cơ cấu:
( )
Trong đó: - Tuổi thọ (triệu vòng quay)
- Tải trọng động cơ bản,
- Lực dọc trục trung bình (kN)
SVTH: Lê Văn Báu 56 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Thay vào cơng thức (3.):
Tốc độ giới hạn của trục vít me (rpm):
Trong đó:
- Hệ số tốc độ. Với kết cấu 1 đầu gối tựa, một đầu cố định;
- Đường kính chân ren của trục vít,
- Khoảng cách hai gối đỡ
- Tổng hành trình Thay vào (3.4), Vận tốc thiết kế lớn nhất: ( ) ( ) . Với .
Vậy nên trục vít hoạt động tốt. + Kiểm tra tải:
Vậy nên trục vít hoạt động tốt. + Hiệu suất lý thuyết của bộ truyền:
SVTH: Lê Văn Báu 57 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân + Hiệu suất thực tế:
Hình 4.19 Thơng số hình học của trục vít me SD/BD 8x2 4.3.3. Tính chọn động cơ trục vít me
+ Mơ men xoắn cần truyền vào trục vít me:
Từ các thông số trên. Chọn động cơ truyền động cho trục vít me sau: Ta chọn động cơ NEMA17 1,5 A-42*48 mm
SVTH: Lê Văn Báu 58 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Động cơ NEMA17 có một số thơng số kỹ thuật như sau:
- Kích thước mặt bích: 42*42mm
- Chiều dài thân: 48mm
- Dòng chịu tải: 1,5A
- Momen xoắn: 0,55Nm
- Góc bước: 1,8 độ/ bước.
Hình 4.21 Thơng số kích thước động cơ NEMA17 4.3.4. Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo
SVTH: Lê Văn Báu 59 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Hình 4.22 Bạc dẫn hướng LMF 8UU
SVTH: Lê Văn Báu 60 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
4.4. Tính chọn động cơ trục cuốn dây
Khối lượng cuộn dây lớn nhất là: 0,5 kg. + Mô men xoắn cần truyền vào trục cuốn dây:
Từ các thông số trên. Chọn động cơ truyền động cho trục cuốn dây sau: Ta chọn động cơ NEMA17 1,5 A-42*48 mm
Động cơ NEMA17 có một số thơng số kỹ thuật như sau:
- Kích thước mặt bích: 42*42mm;
- Chiều dài thân: 48mm;
- Dòng chịu tải: 1,5A;
- Momen xoắn: 0,55Nm;
- Góc bước: 1,8 độ/ bước.
SVTH: Lê Văn Báu 61 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
CHƯƠNG V
THI CƠNG, MƠ HÌNH THỰC TẾ
5.1. Mơ hình 3D mấy quấn dây tự động ( Phần cơ Khí )
SVTH: Lê Văn Báu 62 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
5.2. Mạch Động lực
5.3. Sơ đồ mạch thiết kế Altium
Altium Designer trước kia có tên gọi là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh nhất hiện nay. Được phát triển bởi hãng Altium Limited, Altium Designer là một phần mềm chuyên ngành được sử dụng trong thiết kế điện tử. Nó là một phần mềm mạnh với nhiều tính năng thú vị, tuy nhiên phần mềm này ít được biết đến hơn so với các phần mềm cùng chức năng khác như ORCAD hay PROTEUS.
SVTH: Lê Văn Báu 63 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Altium Designer có một số đặc trưng sau:
Giao diện thiết kế, quản lí và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lí file,
quản lí phiên bản các tài liệu thiết kế.
Hỗ trợ mạnh mẽ cho việc thiết kế tự động, đi dây tự động theo thuật toán tối ưu,
phân tích lắp ráp linh kiện. Hỗ trợ cho việc tìm các giải pháp thiết kế hoặc chỉnh sửa mạch, linh kiện có sẵn trước theo các tham số mới.
Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện,
dữ liệu bản vẽ, kích thước và số lượng.
Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả
các linh kiện nhúng, số và tương tự.
Đặt và sửa đối tượng trên các lớp cơ khí, định nghĩa các luật thiết kế, tùy chỉnh
các lớp mạch in, chuyển từ schematic sang PCB, đặt vị trí linh kiện trên PCB.
Mơ phỏng mạch PCB 3D, đem lại hình ảnh, mạch điện trung thực trong không
gian 3 chiều, hỗ trợ MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với mơ hình STEP, kiểm tra khoảng cách cách điện , cấu hình cả 2D và 3D.
SVTH: Lê Văn Báu 64 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
Hình 5.3 Sơ đồ mạch ngun lí của mạch điều khiển
SVTH: Lê Văn Báu 65 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
SVTH: Lê Văn Báu 66 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
SVTH: Lê Văn Báu 67 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
5.5. Mơ hình thực tế
SVTH: Lê Văn Báu 68 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
SVTH: Lê Văn Báu 69 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
Hình 5.7 Mơ hình thực tế 3
Sản phẩm thực tế đã thêm một số cơ cấu nhôm bên dưới giúp máy chắc chắn hơn. Cùng với đó là 1 số cải tiến so với mơ hình 3D giúp cho máy chạy chính xác ổn định hơn
SVTH: Lê Văn Báu 70 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
Quá trình hoạt động
Bước 1: Setup máy ( chuẩn bị ống dây và cuộn dây )
Bước 2: Tăng giảm số vòng dây
SVTH: Lê Văn Báu 71 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
CHƯƠNG VI
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN
6.1. Kết quả và đánh giá kết quả 6.1.1. Kết quả đạt được 6.1.1. Kết quả đạt được
Nghiên cứu , đánh giá được các loại máy quấn dây điện từ trên thị trường
Thiết kế, chế tạo được máy quấn dây điện từ có điều khiển
Máy điện có điều khiển có đầy đủ thơng số kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng
6.1.2. Ưu điểm
Được điều khiển tự động thay vì quấn dây bằng tay
Nhỏ gọn, tiện lợi cho vận chuyển, sử dụng, vệ sinh và bảo dưỡng máy móc
Tiết kiệm nhiều công sức lắp đặt và sửa chữa
Là sản phẩm thực hành tốt cho sinh viên và trợ giúp giảng dạy cho giảng viên
trong nhà trường
6.1.3. Hạn chế
Gia cơng cơ khí có độ chính xác chưa cao
Cơng suất động cơ cịn nhỏ
Ngoại hình thơ sơ, chưa có tính thẩm mỹ
SVTH: Lê Văn Báu 72 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
6.2. Kết luận
Thiết bị này thiết thực phục vụ cho việc giảng dạy và học tập của Khoa điện – Tự động hóa. Nếu nhận được sự quan tâm của các thầy cô giảng viên trong nhà trường, đây sẽ là một đề tài nghiên cứu đáng tham khảo, phục vụ cho việc chế tạo các thiết bị phục vụ cho việc đào tạo của nhà trường do chính các giảng viên trực tiếp giảng dạy tự làm. Từ đó tăng cường kỹ năng thực hành, giảm thiểu thời gian và công sức cho các sinh viên theo học.
Đây là bộ thiết bị được chế tạo lần đầu và đơn chiếc, khơng tránh khỏi các thiếu sót trong gia cơng chế tạo, cần thêm nhiều cải tiến để hồn thiện hơn, từ đó đưa vào sản xuất và sử dụng đại trà. Rất mong nhận được thêm nhiều sự quan tâm đến từ bộ môn và nhà trường để cải tiến và chế tạo các bộ máy quấn dây điện phục vụ cho hệ thống phịng thí nghiệm bộ mơn Điện - Tự đơng hố.
SVTH: Lê Văn Báu 73 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hồn Tân
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Sách giáo trình, bài giảng
[1] Kỹ thuật quấn dây – Lê Thị Hồng Gấm – Nhà xuất bản giáo dục
[2] Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý- TS . Vũ Khánh Lâm - Nhà xuất bản Thông tin và truyền thơng
[3] Giáo trình Vi Điều khiển ARM – TS.Nguyễn Vũ Quỳnh – KS.Phạm Quang Huy-Nhà Xuất bản Thanh Niên
[4] Tự Động Hóa và Điều khiển thiết bị điện – Trần Văn Thịnh – Nhà xuất bản giáo dục
[5] Động cơ bước (STEP), phân loại, ứng dụng và điều khiển . 8/6/2019 .
https://vietmachine.com.vn/cac-loai-dong-co-buoc-step-phan-loai-ung-dung- va-dieu-khien.html
SVTH: Lê Văn Báu 74 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
PHỤ LỤC
Code Control_Step_Motor
/*
* Control_Step_Motor.h *
* Created on: Mar 6, 2020 * Author: Phieu Du */ #ifndef CONTROL_STEP_MOTOR_H_ #define CONTROL_STEP_MOTOR_H_ //============================================================= ============ #include "stdint.h" #include "stm32f0xx_hal.h" //============================================================= ============
/* Define Control Pin */
#define MotorX_ENA GPIOC,GPIO_PIN_15 #define MotorY_ENA GPIOB,GPIO_PIN_8 #define MotorZ_ENA GPIOB,GPIO_PIN_13
SVTH: Lê Văn Báu 75 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân
#define MotorX_DIR GPIOC,GPIO_PIN_13 #define MotorY_DIR GPIOB,GPIO_PIN_7 #define MotorZ_DIR GPIOB,GPIO_PIN_14 #define MotorX_PUL GPIOC,GPIO_PIN_14 #define MotorY_PUL GPIOB,GPIO_PIN_6 #define MotorZ_PUL GPIOB,GPIO_PIN_15 #define SensorX GPIOA,GPIO_PIN_12 #define SensorY GPIOA,GPIO_PIN_11 #define SensorZ GPIOF,GPIO_PIN_2 #define EMG_Button GPIOA, GPIO_PIN_1
//============================================================= ============
/* Define Control Direction */
#define MotorX_CW HAL_GPIO_WritePin(MotorX_DIR, RESET) #define MotorX_CCW HAL_GPIO_WritePin(MotorX_DIR, SET) #define MotorY_CW HAL_GPIO_WritePin(MotorY_DIR, RESET) #define MotorY_CCW HAL_GPIO_WritePin(MotorY_DIR, SET) #define MotorZ_CW HAL_GPIO_WritePin(MotorZ_DIR, SET) #define MotorZ_CCW HAL_GPIO_WritePin(MotorZ_DIR, RESET)
SVTH: Lê Văn Báu 76 Đặng Trung Thành
Nguyễn Hoàn Tân