CHƢƠNG 4 QUY TRÌNH THIẾT KẾ SẢN PHẨM
4.2 Hệ thống điều khiển
4.2.2 Màn hình LCD
Để hiện thị thông số gia công và những thông số khác, giúp người vận hành có thể kiểm sốt được q trình làm việc. Thì nhóm chúng tơi quyết định đầu tư thêm một màn hình LCD.
Không những thế, trước khi đưa mã G-Code để vận hành máy thì trước tiên chúng ta phải xem qua mã code và sửa lại để phù hợp. Mã code có thể hiện thị trên màn hình LCD giúp người vận hành có thể kiểm sốt được q trình gia cơng.
Màn hình phải hoạt động tốt trong mơi trường của các nhà máy, xí nghiệp, các cơng ty. Những mơi trường đó có thể có rất nhiều dầu mỡ hoặc là bụi kim loại.
34
Hình 4.13: Màn hình LCD
4.2.3 Điều khiển động cơ bƣớc (Step Driver – A4988)
A4988 là một trình điều khiển vi bước để điều khiển động cơ bước lưỡng cực có bộ dịch tích hợp để vận hành dễ dàng. Điều này có nghĩa là chúng ta có thể điều khiển động cơ bước chỉ với 2 chân từ bộ điều khiển của chúng ta hoặc một chân để điều khiển hướng quay và chân kia để điều khiển các bước.
35
Hình 4.14: A4988-Trình điều khiển bước
Driver cung cấp năm độ phân gii bc khỏc nhau: bc , ẵ bc, ẳ bc, 1/8 bước và 1/16 bước. Ngồi ra, nó có một biến trở để điều chỉnh đầu ra hiện tại, tắt khi nhiệt độ quá cao và bảo vệ dòng điện ch o.
Nguồn vào của nó là từ 3 đến 5,5 V và dòng điện tối đa trên m i pha là 2A nếu được làm mát bổ sung tốt hoặc dòng điện liên tục 1A m i pha mà không cần tản nhiệt hoặc làm mát.
Chân ra Driver A4988
Bây giờ, hãy nhìn kỹ vào sơ đồ chân của trình điều khiển và nối nó với động cơ bước và bộ điều khiển. Vì vậy, chúng tơi s bắt đầu với 2 chân ở nút bên phải để cấp nguồn cho trình điều khiển, chân VDD và Ground mà chúng tôi cần kết nối chúng với nguồn điện từ 3 đến 5,5 V và trong trường hợp của chúng tôi s là bộ điều khiển của chúng tôi, Arduino Board s cung cấp 5 V. 4 chân sau đây để kết nối động cơ. Các chân 1A và 1B s được kết nối với một cuộn dây của động cơ
36
và chân 2A và 2B với cuộn dây khác của động cơ. Để cung cấp năng lượng cho động cơ, chúng tôi sử dụng 2 chân tiếp theo, Ground và VMOT mà chúng tôi cần kết nối chúng với Nguồn cung cấp từ 8 đến 35 V và chúng tôi cũng cần sử dụng tụ tách rời với ít nhất 47 PhaF để bảo vệ board điều khiển khỏi các xung điện áp.
Hình 4.15: A4988-Sơ đồ nối dây
Hai chân tiếp theo, Step và Direction là các chân mà chúng ta thực sự sử dụng để điều khiển chuyển động của động cơ. Chân Direction điều khiển hướng quay của động cơ và chúng ta cần kết nối nó với một trong các chân kỹ thuật số trên vi
37
điều khiển, hoặc trong trường hợp của tôi, tôi s kết nối nó với chân số 4 của Board Arduino.
Với chân Step, chúng ta điều khiển mirosteps của động cơ và với m i xung được gửi tới chân này, động cơ s di chuyển một bước. Vì vậy, điều đó có nghĩa là khơng cần bất kỳ chương trình phức tạp, board chuyển pha, dịng điều khiển tần số, v.v., vì trình dịch tích hợp của Driver A4988 đảm nhiệm mọi thứ. Ở đây chúng ta không nên nối chúng trong chương trình của mình.
Tiếp theo là chân SLEEP và mức logic thấp đặt board ở chế độ nghỉ để giảm thiểu mức tiêu thụ điện khi động cơ không được sử dụng.
Tiếp theo, chân RESET đặt trình dịch sang trạng thái Home được xác định trước. Trạng thái Home hoặc Vị trí Microstep Home này có thể được nhìn thấy từ Board dữ liệu A4988. Vì vậy, đây là vị trí ban đầu từ nơi động cơ khởi động và chúng khác nhau tùy thuộc vào độ phân giải microstep. Nếu trạng thái đầu vào của chân này ở mức logic thấp, tất cả các đầu vào STEP s bị bỏ qua. Chân Reset là một chân nổi, vì vậy nếu chúng ta khơng có định điều khiển nó trong chương trình của mình, chúng ta cần kết nối nó với chân SLEEP để đưa nó lên mức cao và bật board.
38
3 chân tiếp theo (MS1, MS2 và MS3) là để chọn một trong năm độ phân giải theo board ở trên. Các chân này có điện trở bên trong, vì vậy nếu chúng ta ngắt kết nối, board s hoạt động ở chế độ bước đủ.
Cuối cùng, chân ENABLE được sử dụng để bật hoặc tắt các đầu ra FET. Vì vậy, mức cao s giữ cho đầu ra bị vơ hiệu hóa.
4.2.4 Nguồn
Máy in cần nguồn 12V nhưng ít nhất phải là 20A. Nên sử dụng nguồn 30A cho hiệu quả cơng suất cao hơn vì q trình in làm nóng đầu phun.
Do đó nhóm quyết định chọn nguồn Meanwell 12V Thông số kỹ thuật :
Điện áp ra: 12V
Cường độ dòng điện: 29A Hiệu suất: 85%
39 Cơng suất: 350W Khối lượng: 0.76kg Kích thước: 215mm x 115mm x 30mm Nhiệt độ hoạt động : (-20°) – 70°C Độ ẩm hoạt động cho ph p: 20% – 90% Nhiệt độ bảo quản: (-20°) – 85°C
Hình 4.16: Nguồn
4.3 Động cơ
4.3.1 Giới thiệu về động cơ Servo
40
sự hoạt động chính xác, hiệu quả cao thì chúng ta chọn Servo.
Trong kỹ thuật điều khiển, Servo là gọi tắt của động cơ Servo. Nó là một thiết bị tự động có cảm biến phản hồi để điều chỉnh hành động. Servo là một bộ phận của hệ thống điều khiển, cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành. Với cơng nghệ Driver Servo thì nó cịn được biết đến tương tự như Driver máy tính.
Các loại động cơ Servo phổ biến:
Động cơ Servo hiện nay đang được ứng dụng rất nhiều và được phân loại thành 2 loại Servo chính là: động cơ DC Servo và động cơ AC Servo.
AC Servo là động cơ cho ph p xử l được các dịng điện cao, do đó nó thường được sử dụng trong máy móc cơng nghiệp.
DC Servo là động cơ chỉ phù hợp cho các ứng dụng nhỏ, vì nó khơng xử l được các dịng điện cao.
Cấu tạo của các loại Servo:
Cấu tạo chung của một động cơ Servo bao gồm 2 phần chính là: Rotor và Stator
DC Servo
Động cơ DC Servo được chia làm 2 loại: động cơ 1 chiều có chổi than và động cơ 1 chiều khơng chổi than.
DC Servo có chổi than: Rotor, Stator, chổi than và cuộn cảm lõi.
Ƣu điểm: dễ điều khiển, giá thành tương đối r , kiểm sốt tốc độ
chính xác, đặc điểm tốc độ mo-men xoắn rất khó.
41
hành. Chổi than cho giới hạn tốc độ, mơi trường khơng có bụi khơng thích hợp. Vì thế để khắc phục, người ta thường sử dụng động cơ DC Servo không chổi than.
AC Servo
Động cơ AC Servo đa số là động cơ 1 chiều không chổi than. Cấu tạo gồm 2 phần chính là Rotor và Stator.
Rotor là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh.
Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn để làm quay Rotor.
Ƣu điểm: điều khiển tốc độ tốt, khơng dao động, ít nhiệt độ, điều
khiển vị trí chính xác (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa). Tiếng ồn thấp, mo-men xoắn, có qn tính thấp, khơng có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với mơi trường khơng có bụi, nổ).
Nhƣợc điểm: hệ thống điều khiển phức tạp, giá thành cao hơn so với
DC Servo.
42
Một trong những thành phần cũng tương đối quan trộng của động cơ AC Servo đó là cảm biến hồi tiếp hay còn gọi là Encoder. Bởi vì, đặc trưng cho độ chính xác của AC Servo là độ phân giải cuả Encoder. Ví dụ: động cơ AC Servo có có độ phân giải Encoder 3000 xung/ vịng thì bạn có thể điều khiển motor m i bước quay 1/3000 vòng.
Nguyên lý hoạt động:
Về nguyên tắc, động cơ servo là một thiết bị độc lập. Tuy nhiên động cơ servo chỉ có nghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống servo.
Chế độ hoạt động servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Động cơ servo nhận một tín hiệu xung điện (PWM) từ bộ điều khiển để hoạt động và được kiểm soát bằng bộ mã hóa (encoder).
Khi động cơ vận hành thì vận tốc và vị trí s được hồi tiếp về mạch điều khiển này thông qua bộ mã hóa (encoder). Khi đó bất kỳ l do nào ngăn cản chuyển động và làm sai lệch tốc độ cũng như vị trí mong muốn, cơ cấu hồi tiếp s phản hồi tín hiệu về bộ điều khiển. Từ tín hiệu phản hồi về, bộ điều khiển servo s so sánh với tín hiệu lệnh và đưa ra điều chỉnh phù hợp, đảm bảo động cơ servo hoạt động đúng theo yêu cầu đạt được tốc độ và vị trí chính xác nhất.
Do phƣơng án thiết kế máy ở kích thƣớc cơng nghiệp và cần độ ổn định và chính xác cao chọn động cơ AC Servo đáp ứng đƣợc yêu cầu đặt ra.
Lợi ích khi sử dụng AC servo
Khả năng điều khiển tốc độ, vị trí và mo-men cực kì chính xác.
Tốc độ đáp ứng và phản hồi nhanh, qn tính thấp (gần như khơng
43
Hiệu suất hoạt động cao tới hơn 90%, ít sinh nhiệt và hầu như
không dao động.
Tốc độ cao và tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục.
Hoạt động êm ái, nhẹ, tiết kiệm điện năng.
4.3.2 Chọn động cơ
Phần đế máy là nơi chịu tải trọng của toàn bộ cánh tay, thế nên động cơ ở phần đế máy phải đảm bảo được sự ổn định khi hoạt động. Cũng như, động cơ này phải có Momen xoắn lớn để có thể hoạt động được trước khối lượng khơng nhỏ của cả cánh tay.
Động cơ phải hoạt động trên tiêu chí ổn định, chính xác, lâu dài. Thế nên ở phần đế máy, nhóm chúng tôi quyết định lựa chọn động cơ Servo ECMA C30804F7 400W để đáp ứng đủ Momen xoắn cho toàn bộ khối lượng của cánh tay máy.
Thông số kỹ thuật: Servo ECMA C30804F7 400W
Công suất: 400W Điện áp: 220V Tốc độ: 3000rpm
44
Hình 4.18: Động cơ Servo ECMA C30804F7 400W
45
Hình 4.20: Driver AC Servo 400w
Lựa chọn động cơ cho phần trục làm việc:
Phần trục làm việc là phần bên trên của cánh tay máy, có nhiệm vụ là thực hiện trực tiếp tới quá trình gia cơng theo chiều Z. Thế nên phần trục làm việc của cánh tay máy không cần một động cơ quá mạnh trong khi nhu cầu đặt ra là ở mức độ thử nghiệm trong môi trường học tập.
Nếu đưa sản phẩm vào trong mơi trường cơng nghiệp thì việc lựa chọn phần động cơ trục Z tùy thuộc vào mục đích gia cơng.
Vì vậy nhóm tơi quyết định lựa chọn động cơ SERVO 200W
46 Công xuất: 0.2KW,
Điện áp: 200V
Momen xoắn: 0.64 NM / MAX 1.9 NM Tốc độ vịng quay: 3000/4500 VỊNG/PHÚT
Hình 4.21: Động cơ Mitsubishi – HC-KFS23 200W
47
48
4.4 Lựa chọn phƣơng án thiết kế tối ƣu từ 3 phƣơng pháp gia cơng
Kích thước của máy phải ở mức trung bình, khơng được q to cũng như không được quá nhỏ. Nếu đảm bảo kích thước của máy ở kích thước cơng nghiệp thì càng tốt.
Thiết kế của máy phải đơn giản, dễ dàng mua bán hoặc thay thế linh kiện của máy.
Máy phải hoạt động ổn định trong thời gian dài. Phạm vi hoạt động của máy phải đảm bảo, không được khiến máy mất thăng bằng s nguy hiểm trong quá trình làm việc và vận hành máy.
Dễ dàng di chuyển, cũng như vận chuyển đi xa.
Có giá thành đảm bảo hơn những máy ở nước ngồi, đảm bảo được sự đa dạng hóa các chức năng của máy.
Phần điện tử, bo mạch của máy đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài, dễ dàng sửa chữa và thay thế.
Máy phải dễ dàng tháo lắp để bảo trì thường xuyên.
Từ những phương pháp gia cơng có thể tích hợp trên máy và từ những yêu cầu thiết kế đặt ra. Nhóm chúng tơi quyết định thiết kế theo mẫu Robot Scara.
49
Hình 4.24: Kết cấu Robot Scara trong cơng nghiệp
4.5 Thiết kế khung máy 4.5.1 Thiết kế phần đế máy 4.5.1 Thiết kế phần đế máy
Đế máy là phần chịu tải trọng toàn bộ của máy, thế nên đế máy được làm từ những vật liệu có độ cứng vững và độ chịu tải lớn vs như Gang, hợp kim từ th p. Chiều cao của phần đế máy phải tính tốn thật kĩ lưỡng để phù hợp với không gian làm việc cũng như phải đúng với kích thước của robot cơng nghiệp để tính ứng dụng của máy được đưa ra ngoài thực tế.
Bên cạnh đó, phần đế máy phải kín để có thể tra dầu mỡ bảo quản những chi tiết máy có ở bên trong phần đế. Đế máy phải có l để tiện bơm dầu hoặc bơm mỡ vào bên trong để đảm bảo những chi tiết có bên trong làm việc trơn tru.
50
Hình 4.25: Phần đế máy của Robot Scara
4.5.2 Thiết kế phần cánh tay của Robot Scara
Phần cánh tay ở vị trí giữa phần đế máy và phần trục Z. Để máy làm việc một cách hiệu quả thì phần cánh tay phải chuyển động một cách linh hoạt, các chi tiết cơ khí trong máy phải hoạt động trơn tru.
Bên cạnh đó , phần cánh tay này cũng phải có kích thước chiều dài và chiều cao vừa phải. Không được quá dài làm mất thăng bằng máy khi máy hoạt động.
Vị trí đặt động cơ phải chắc chắn, ổn định, không bị di chuyển khi động cơ hoạt động. Đảm bảo an toàn khi vận hành và làm việc.
51
Hình 4.26: Cánh tay 1
52
4.5.3 Thiết kế phần trục làm việc của Robot Scara
Phần trục của Robot Scara là phần thực hiện chuyển động chính của máy. Trục chính phải đảm bảo sự ổn định khi làm việc.
Người thiết kế phải tính tốn thật kĩ lưỡng chiều cao của phần trục gia công. Không được ngắn quá cũng không được dài quá, tránh được sự hỏng hóc khi chạy thử nghiệm, tránh được sự nguy hiểm khi làm việc.
53
4.5.4 Bàn làm việc của máy
Bàn làm việc của máy có nhiệm vụ cố định máy trong khi làm việc, tránh hiện tượng mất thăng bằng của máy.
Bàn làm việc rất quan trọng, có bàn làm việc thì những thời gian đầu ta mới đánh giá được máy làm việc có ổn định trong quá trình thử nghiệm hay không.
54
4.5.5 Đế động cơ số 1
Ngồi chức năng cố định động cơ, thì đế có vị trí bơm dầu, bơm mỡ vào bên trong vị trí làm việc của các bánh răng. Giúp các bánh răng hoạt độgn mượt mà, trơn tru và hiệu quả.
55
4.5.6 Trục dẫn động
Trục dẫn động có chức năng dẫn động chuyển động quay từ động cơ số 1 lên đến vị trị cánh tay. Trục dẫn động được cố định với bánh răng 106.
56
4.5.7 Đế động cơ số 2
Đế động cơ số 2 có chức năng cố định động cơ số 2.
57
4.5.8 Khớp nói trục Z và thanh răng
Khớp nối trục Z và thanh răng có nhiệm vụ nối thanh răng với trục làm việc của máy. Nếu thanh răng chuyển động thì trục làm việc của máy cũng chuyển động. Đây là một chi tiết rất quan trọng.
58
4.5.9 Khớp nói trục
Khớp nói trục là bộ phận cơ khí để nối và truyền momen xoắn giữa trục bánh răng và động cơ.
Hình 4.34: Khớp nói trục
4.6 Tính tốn, thiết kế bộ truyền động cho Robot
Để giảm chi phí nghiên cứu, thiết kế, chế tạo Robot thì hệ thống truyền