CHƯƠNG II : TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.2 Tính tốn và thiết kế
2.2.6 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước
Động cơ bước (tiếng Anh: stepper motor, step motor, hoặc stepping motor) là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rơto có khả năng cố định rơto vào các vị trí cần thiết. Về cấu tạo, động cơ bước có thể được coi là tổng hợp của hai loại động cơ: Động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ [11].
Hoạt động:
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định. Tổng số góc quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như
SVTH: Đặng Hoài Bảo 50 chiều quay và tốc độ quay của roto phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Ứng dụng:
Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấp hành đặc biệt bởi nó có thể thực hiện chính xác các lệnh đưa ra dưới dạng số.
Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hoá, chúng được ứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác. Ví dụ trong các máy gia cơng cắt gọt CNC, điều khiển robot, điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học,…
Cơng cụ tính tốn động cơ FASTECH, phụ lục [1].
Hình 2.23 Giao diện cơng cụ tính tốn động cơ FASTECH
Để thuận tiện trong việc tính tốn và lựa chọn động cơ phù hợp em sử dụng cơng cụ tính của hãng FASTECH.
Với các thông số đầu vào được đánh dấu bằng các ơ màu vàng ở (hình 2.23) như sau:
Total weight of table & work (Tổng trọng lượng của bàn và bàn làm việc) w= (kgf).
Ball Screw Diameter (Đường kính vít me bi) D = (cm). Ball Screw whole length (Tổng chiều dài vít me) L= (cm).
SVTH: Đặng Hồi Bảo 51 Ball Screw Pitch (Bước vít me) P= (cm).
Travel Distance (Chiều dài di chuyển) 𝑙= (cm). Positioning Time (Thời gian định vị) t0 (s). Time of Acc/Dec (Thời gian tăng giảm tốc) t1= (s). External Force (Ngoại lực) 𝐹𝑒= (kgf).
Encoder Resolution (Độ phân giải bộ mã hóa) (ppr). Installation angle (Gốc lắp đặt) 𝛼 = °.
Gear Ratio (Tỉ số truyền) R.
Gear Efficiency (Hiệu suất bánh răng) R. Safety Ratio (Hệ số an toàn) S.
2.2.6.1 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước trục Z
Với các thông số đầu vào của trục Z như sau:
Tổng khối lượng của bàn và bàn làm việc: w = 5,5 kgf Đường kính vít me bi: D = 16mm = 1,6cm
Hình 2.24 Tính tốn động cơ trục Z
SVTH: Đặng Hoài Bảo 52 Bước vít me: P = 5mm = 0,5cm
Chiều dài di chuyển: 𝑙 = 189mm = 18,9cm Thời gian định vị: t0 3s
Thời gian tăng giảm tốc: t1= 0.2s Ngoại lực 𝐹𝑒 = 0 kgf
Độ phân giải bộ mã hóa: 6400 ppr Góc lắp đặt: α= 90°
Tỉ số truyền: R=1
Hiệu suất bánh răng: R=1 Hệ số an toàn: S = 2
Ta tiến hành nhập các thơng số vào cơng cụ tính tốn (hình 2.24):
Sau khi ta nhập đầy đủ các thông số ta chọn Calculate trên công cụ ta được kết quả như sau (hình 2.25):
Chúng ta cần quan tâm hai thông số là tốc độ quay và moment động cơ để chọn động cơ (hình 2.25):
Ta cần chọn động cơ tạo ra moment lớn hơn 0.24N.m tại 810 vịng/phút (hình 2.25).
Từ biểu đồ moment (hình 2.26) em chọn động cơ của Leadshine với mã số 57CM23 với thơng số như (hình 2.27):
SVTH: Đặng Hồi Bảo 53
Hình 2.25 Kết quả tính tốn động cơ trục Z
SVTH: Đặng Hồi Bảo 54
Hình 2.27 Thơng số động cơ Leadshine 57CM23
Chúng ta cần kiểm tra tính hợp lệ của động cơ bằng cách kiểm tra giá trị quán tính, bằng cách tính moment xoắn cần thiết với quán tính của động cơ như sau: Nhập: J0 480gcm3 0, 48kgcm3 với J0: là qn tính rotor của động cơ (hình 2.28).
SVTH: Đặng Hồi Bảo 55
Hình 2.28 Kiểm tra giá trị qn tính trục Z
Từ hình 2.28 ta phải chọn động cơ có moment xoắn lớn hơn 0,28N.m tại 810 vịng/phút. Vì động cơ 57CM23 tạo ra moment xoắn 1,1N.m tại 810 vòng/phút nên động cơ đảm bảo điều kiện làm việc.
2.2.6.2 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước trục X.
Với các thông số đầu vào của trục X như sau:
Tổng khối lượng của bàn và bàn làm việc: w = 10 kgf Đường kính vít me bi: D = 25mm = 2.5cm
Tổng chiều dài vít me: L = 571mm = 57,1cm Bước vít me: P = 10mm = 1cm
Chiều dài di chuyển: l= 489mm = 48,9cm Thời gian định vị: t0 3s
Thời gian tăng giảm tốc: t1 0.2s Ngoại lực 𝐹𝑒 = 0 kgf
Độ phân giải bộ mã hóa: 6400 ppr Góc lắp đặt: α= 0°
SVTH: Đặng Hồi Bảo 56 Tỉ số truyền: R=1
Hiệu suất bánh răng: R =1 Hệ số an toàn: S = 2
Hình 2.29 Tính tốn động cơ trục X
Ta tiến hành nhập các thơng số vào cơng cụ tính tốn (hình 2.29):
Sau khi ta nhập đầy đủ các thơng số ta chọn Calculate trên công cụ ta được kết quả như sau (hình 2.30):
Chúng ta cần quan tâm hai thông số là tốc độ quay và moment động cơ để chọn động cơ (hình 2.30):
Ta cần chọn động cơ tạo ra moment lớn hơn 0.28N.m tại 1048 vịng/phút (hình 2.30).
Từ biểu đồ moment (hình 2.26) em chọn động cơ của Leadshine với mã số 57CM23.
Chúng ta cần kiểm tra tính hợp lệ của động cơ bằng cách kiểm tra giá trị quán tính, bằng cách tính moment xoắn cần thiết với qn tính của động cơ như sau:
SVTH: Đặng Hồi Bảo 57
Hình 2.30 Kết quả tính tốn động cơ trục X
Nhập: J0 480gcm3 0, 48kgcm3 với J0: là qn tính rotor của động cơ (hình 2.31).
Hình 2.31 Kiểm tra giá trị qn tính trục X
Từ (hình 2.31) ta phải chọn động cơ có moment xoắn lớn hơn 0,33N.m tại 1048 vịng/phút. Vì động cơ 57CM23 tạo ra moment xoắn 0,9N.m tại 1048 vòng/phút nên động cơ đảm bảo điều kiện làm việc.
SVTH: Đặng Hồi Bảo 58
2.2.6.3 Tính tốn, lựa chọn động cơ bước trục Y.
Với các thông số đầu vào của trục Y như sau:
Tổng khối lượng của bàn và bàn làm việc: w = 23 kgf Đường kính vít me bi: D = 25mm = 2.5cm
Tổng chiều dài vít me: L = 771mm = 77,1cm Bước vít me: P = 10mm = 1cm
Chiều dài di chuyển: l= 689mm = 68,9cm Thời gian định vị: t0 3s
Thời gian tăng giảm tốc: t1 0.2s Ngoại lực 𝐹𝑒 = 0 kgf
Độ phân giải bộ mã hóa: 6400 ppr
Hình 2.32 Tính tốn động cơ trục Y
Góc lắp đặt: α= 0° Tỉ số truyền: R=1
SVTH: Đặng Hoài Bảo 59 Hệ số an toàn: S = 2
Ta tiến hành nhập các thông số vào cơng cụ tính tốn (hình 2.32):
Sau khi ta nhập đầy đủ các thông số ta chọn Calculate trên công cụ ta được kết quả như sau (hình 2.33):
Chúng ta cần quan tâm hai thông số là tốc độ quay và moment động cơ để chọn động cơ (hình 2.33):
Ta cần chọn động cơ tạo ra moment lớn hơn 0.6N.m tại 1476 vịng/phút (hình 2.33).
Từ biểu đồ moment (hình 2.26) em chọn động cơ của Leadshine với mã số 57CM23.
Hình 2.33 Kết quả tính tốn trục Y
Chúng ta cần kiểm tra tính hợp lệ của động cơ bằng cách kiểm tra giá trị quán tính, bằng cách tính mơ men xoắn cần thiết với qn tính của động cơ như sau: Nhập: J0 480gcm3 0, 48kgcm3 với J0: là quán tính rotor của động cơ (hình 2.33).
Từ (hình 2.34) ta phải chọn động cơ có moment xoắn lớn hơn 0,67N.m tại 1476 vịng/phút. Vì động cơ 57CM23 tạo ra moment xoắn 0,7N.m tại 1480 vòng/phút nên động cơ đảm bảo điều kiện làm việc.
SVTH: Đặng Hoài Bảo 60
Hình 2.34 Kiểm tra giá trị qn tính trục Y