Vì mơ hình tay máy làm việc ở chế độ thấp nên trong kết cấu ta sử dụng bạc trượt thay vì chọn kết cấu ổ lăn vừa đơn giản hóa kết cấu, vừa giảm khối lượng kết cấu. Bạc trượt được lắp chặt vào hai đầu nối khớp. Hai đầu nối khớp nối 2 khâu, khâu nối giá với khâu nối với mâm. Nhờ vậy 2 khâu có thể quay tương đối với nhau quanh trục khớp. Ø10 15 10 20 M1 0 Hình 6.5 Đầu nối khớp
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 65
10
14
10
43
1
1
Ø
10
Ø
15
15
Hình 6.6 Kết cấu trục khớp 10 Ø10 Ø12 Hình 6.7 Bạc trượt Thiết kế khớp bản lề nối khâu nối mâm di động với mâm di động.
Hình 6.8 Kết cấu khớp bản lề liên kết với mâm di động
Chú thích:
1: Vịng găng 2: Đế liên kết 3: Trục khớp 4: Nối khớp 5: Bạc trượt 6:Vòng găng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 66 Đế liên kết với mâm di động nhờ 4 vít cố định. Trục khớp được lắp chặt với đế liên kết. Bạc trượt cũng được lắp chặt với nối khớp giúp nối khớp quanh quanh trục khớp dễ dàng.
20
Ø10
Ø20
Ø40
Ø30
M4
Hình 6.9 Kết cấu đế nối mâm di động
1
Ø
10
Ø
10
Ø
30
14
10
5
20
43
1
Hình 6.10 Kết cấu trục khớp nối mâm di động
Thiết kế các khâu liên kết:
Từ các phương án đưa ra của các khớp bản lề, ta thiết kế các khâu liên kết sao cho khi lắp ráp đảm bảo kích thước các khâu,
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 67
Hình 6.11 Kết cấu khâu liên kết
Chú thích:
1,5: Hai đầu nối khớp 3: Khâu liên kết 2,4: Đai ốc
M1
0
Hình 6.12 Khâu liên kết
Khâu liên kết hai đầu nối với các nối khớp bằng mối lắp ren.Đai ốc có nhiệm vụ tạo lực siết chặt đầu nối khớp với khâu liên kết. Ta sử dụng kết cấu này cho cả 2 khâu liên kết, khâu nối giá với khâu nối mâm di động, bằng cách thay đổi kích thước chiều dài khâu nối.
Thiết kế mâm di động:
Mâm di động liên kết 3 cánh tay lại với nhau theo kích thước hình học đã xác định. Để giảm khối lượng của mâm di động ta chọn vật liệu thiết kế mâm là nhôm, nhẹ dễ gia công.
Thiết cụm tác động của tay máy - Chọn động cơ:
Vì theo yêu cầu của việc điều khiển tay máy nên động cơ được sử dụng là động cơ bước. ở đây ta sử dụng động cơ bước STEP SYN của hãng SANYO DENKI:
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 68
Hình 6.13 Động cơ bước STEP SYN
Các thơng số truyền động của động cơ: Loại: 103H7126-0140
Mômen xoắn cực đại: Tmax 1.27Nm1270Nmm
Đường kính trục ra của động cơ: d 6mm
Công suất cực đại của động cơ: Pmax 60W
Trục động cơ được nối với trục tác động qua khớp nối.
Hiệu suất truyền động:k 0.99
Mômen xoắn tác động lên trục: Ttr Tmaxk 1270 0.99 1257.3 Nmm
- Chọn vật liệu chế tạo trục là thép C35, chọn sơ bộ ứng suất xoắn cho phép:
20MPa- Xác định đường kính sơ bộ dọc trục theo công thức:
3 3 1257,3 6,8 0,2tr 0,2 20 T d mm Ta chọn đường kính d 10mmtại vị trí thân trục lắp nối trục.
Lựa chọn khớp nối động cơ
Vì ở đây truyền động cơng suất nhỏ, kích thước trục động cơ và trục tác động nhỏ, nhưng lại yêu cầu hiệu suất truyền động cao, khả năng tích trữ năng lượng lớn. Vì
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 69 vậy ở đây ta sử dụng nối trục đàn hồi đĩa hình sao, bao gồm hai nữa nối trục với hai vấu mặt đầu trở lên trở lên. Các vấu ăn khớp với rãnh của phần tử đàn hồi trung gian là đĩa hình sao, được chế tạo từ cao su. Các nữa nối trục được chế tạo từ thép CT3.
Hình 6.14 Khớp nối trục đàn hồi
Chú thích:
1,3: Hai nữa nối trục 2:Đĩa cao su đàn hồi
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 70 Kích thước cơ bản của nối trục đàn hồi:
Đường kính lỗ trục vào: d1 6mm
Đường kính lỗ trục ra: d2 10mm
Đường kính ngồi của nối trục: D 27.3mm Chiều dài ngỗng trục: l15.6mm
Chiều dài nối trục:L 43.4 mm Vít cấy 6x1M
Khoảng cách :F 8mm
Thiết kế ổ trục tác động:
Ở mỗi cánh tay máy, trục tác động khi làm việc chỉ thực hiện truyền momen tác động làm quay cánh tay. Vì vậy yêu cầu làm việc thấp, nhưng lại yêu cầu về độ vng góc của trục với mặt phẳng làm việc cao.
Ổ trục tác động được thiết kế từ 2 gối trục ổ bi nhào lắp đối xứng qua mặt phẳng đế. Dựa trên tính chất của ổ bi nhào là tự lựa tâm trục khi lắp nên đảm bảo độ vng góc giữa trục và mặt phẳng đế cao.
Hình 6.16 Kết cấu ổ trục bạc đạn nhào
Chú thích:
1: Bulơng 3: Tấm đế 2: Gối trục bạc đạn nhào. 4: Đai ốc
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 71
Hình 6.17 Gối trục ổ bi nhào UCF 204
Các thơng số kích thước gối trục ổ bi nhào UCF204: 1 64 L mm L86mm 1 12 d mm M 6mm 33,3 A mm A125,5mm 15 t mm B31mm 12,7 S mm D20mm Thiết kế trục tác động:
Từ việc thiết kế các chi tiết trên ta đưa ra kết cậu trục như sau: Chiều dài trục: ltruc 33,3 2 6 5 2 8 15 15 120,6 mm
Đường kính tại các tiết diện lắp như sau: Tại tiết diện lắp ổ lăn: d1 20mm
Tại tiết diện lắp khâu nối giá: d2 10mm
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 72 23 5 72.6 120.6 Ø 20 Ø 10 Ø 10 M8 8 1 5 Hình 6.18 Kết cấu trục tác động
Mơ hình thiết kế mơ phỏng:
Hình 6.19 Mơ hình thiết kế mô phỏng
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 73
Hình 6.20 Mơ hình chế tạo thực tế
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 74
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 75
CHƯƠNG 7: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính 7.1 Giới thiệu về giao tiếp với máy tính
Ngày nay máy tính được dùng rất nhiều việc và trở nên rất phổ biến trong cuộc sống cũng như trong kỹ thuật. Trong kỹ thuật nó thường được dùng rất nhiều để thu thập dữ liệu, sau đó tính tốn rồi xuất tín hiệu điều khiển ra bên ngồi. Để các hệ thống đo lường và điều khiển có thể ghép nối với máy tính chúng ta cần phải có thêm phần mềm để giao tiếp với các mạch điện bên ngoài. Muốn viết được phần mềm trước hết chúng ta phải biết được cách giao tiếp với máy tính.
Có nhiều kiểu giao tiếp với máy tính như: giao tiếp qua slot, giao tiếp qua cổng song song(LPT), giao tiếp qua cổng nối tiếp.
Hình 7.1 Các kiểu giao tiếp với máy tính
a. Giao tiếp qua cổng song song LPT b. Giao tiếp qua khe slot.
c. Giao tiếp qua cổng nối tiếp (COM)
Ở đây để đơn giản, ta sử dụng cách giao tiếp với máy tính qua cổng nối tiếp (COM).
7.2 Giao tiếp qua cổng nối tiếp
Cổng nối tiếp được sử dụng để truyền dữ liệu hai chiều giữa máy tính và ngoại vi, có các ưu điểm sau:
- Khoảng cách truyền xa hơn truyền song song. - Số dây kết nối ít.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 76 - Có thể truyền khơng dây dùng hồng ngoại.
- Có thể ghép nối với vi điều khiển hay PLC (Programmable Logic Device). - Cho phép nối mạng.
- Có thể tháo lắp thiết bị trong lúc máy tính đang làm việc. - Có thể cung cấp nguồn cho các mạch điện đơn giản
Các thiết bị ghép nối chia thành 2 loại: DTE (Data Terminal Equipment) và DCE (Data Communication Equipment). DCE là các thiết bị trung gian như MODEM còn DTE là các thiết bị tiếp nhận hay truyền dữ liệu như máy tính, PLC, vi điều khiển, … Việc trao đổi tín hiệu thơng thường qua 2 chân RxD (nhận) và TxD (truyền). Các tín hiệu cịn lại có chức năng hỗ trợ để thiết lập và điều khiển quá trình truyền, được gọi là các tín hiệu bắt tay (handshake). Ưu điểm của q trình truyền dùng tín hiệu bắt tay là có thể kiểm sốt đường truyền. Tín hiệu truyền theo chuẩn RS-232 của EIA (Electronics Industry Associations). Chuẩn RS-232 quy định mức logic 1 ứng với điện áp từ -3V đến -25V (mark), mức logic 0 ứng với điện áp từ 3V đến 25V (space) và có khả năng cung cấp dịng từ 10 mA đến 20 mA.
Ngồi ra, tất cả các ngõ ra đều có đặc tính chống chập mạch. Chuẩn RS-232 cho phép truyền tín hiệu với tốc độ đến 20.000 bps nhưng nếu cáp truyền đủ ngắn có thể lên đến 115.200 bps.
Các phương thức nối giữa DTE và DCE:
- Đơn công (simplex connection): dữ liệu chỉ được truyền theo 1 hướng.
- Bán song công ( half-duplex): dữ liệu truyền theo 2 hướng, nhưng mỗi thời điểm chỉ được truyền theo 1 hướng.
- Song công (full-duplex): số liệu được truyền đồng thời theo 2 hướng. Định dạng của khung truyền dữ liệu theo chuẩn RS-232 như sau:
Khi không truyền dữ liệu, đường truyền sẽ ở trạng thái mark (điện áp -10V). Khi bắt đầu truyền, DTE sẽ đưa ra xung Start (space: 10V) và sau đó lần lượt truyền từ D0
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 77 đến D7 và Parity, cuối cùng là xung Stop (mark: -10V) để khôi phục trạng thái đường truyền.
Các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS-232 như sau Chiều dài cable cực đại 15m Tốc độ dữ liệu 20 Kbps Điện áp ngõ ra cực đại ±25V Điện áp ngõ ra có tải 5V đến 15 V Trở kháng tải 3K đến 7K Điện áp ngõ vào ±15V Độ nhạy ngõ vào 3V Trở kháng ngõ vào 3K đến 7K
Bảng 7.1 Bảng các đặc tính kỹ thuật của chuẩn RS232
Các tốc độ truyền dữ liệu thông dụng trong cổng nối tiếp là: 1200 bps, 4800 bps, 9600 bps và 19200 bps.
Cổng COM có hai dạng: đầu nối DB25 (25 chân) và đầu nối DB9 (9 chân) mơ tả như hình 7.2.
Hình 7.2 Sơ đồ các chân cổng COM DB25 và DB9
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 78
Bảng 7.2 Bảng mô tả các chân cổng COM
7.3 Giới thiệu về động cơ bước
Động cơ bước ngay nay đước sử dụng trong điều khiển. Với cơng suất khơng lớn và có nhiều loại, giá thành khơng cao lắm, đạt độ chích xác cao. Có khả năng truyền động tịnh tiến và chuyển động quay. Đặc biệt có thể thay đổi vận tốc hay momen xoắn trong vùng khá lớn trực tiếp trên động cơ hay qua bộ truyền một cách dễ dàng. Nếu muốn trục động cơ quay bao nhiêu vịng, quay với tốc độ nào thì cấp xung theo cấp độ đó. Như vậy trục động cơ sẽ quay với vận tốc theo tần số cấp xung, khi dừng động cơ tự khố chặt khơng thể quay được nữa cho đến khi có tín hiệu xung mơí chạy tiếp. Khi động cơ làm việc với tốc độ nào đó thì momen xoắn tỉ lệ nghịch với vận tốc quay đó.
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 79 Tóm lại động cơ bước rất phù hợp cho điều khiển tay máy song song. Vậy cần 3 động cơ bước, nó sẽ cùng làm việc khi xung được cấp và cùng dừng khi xung dừng.
7.3.1 Nguyên lý đặc điểm của động cơ bước
Nguyên lý làm việc của động cơ bước là dựa trên sự tác động tương hổ giữa từ trường của Stato và Roto hình thành Momen từ làm quay Roto đi một góc nhất định (hay gọi là bước) dưới tác dụng của các xung rời rạc và kế tiếp nhau.
Khi một xung dòng điện hay điện áp đặt vào cuộn dây phần ứng của dộng cơ bước, thì Roto của động cơ sẽ quay đi một góc nhất định và nếu tác dụng xung một cách liên tục thì Roto của động cơ sẽ quay liên tục.
Vi trí của động cơ được xác định bằng số lượng xung và vận tốc tỷ lệ với tần số xung và xác định bằng số bước trên sec. Vận tốc lớn nhất của động cơ có thể đạt được là 3000 v/f, và loại đặt biệt có thể đạt đến 20000 v/f , cơng suất của động cơ bước hiện nay có thể đạt từ vài W – 5 KW.
Tính năng làm việc của động cơ được đặt trưng bởi bước được thực hiện, đặc tính góc (quan hệ giữa momen điện từ theo góc giữa trục của roto và trục của trường tổng) tần số xung giới hạn sao cho các q trình q độ khi hồn thành 1 bước có thể tắt đi trước khi bắt đầu bước tiếp theo. Tính năng mở máy của động cơ đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không cho Roto mất đồng bộ (bỏ bước). Tùy theo kết cấu của từng loại động cơ mà tần số động cơ có thể nhận được từ 10 đến 10000Hz.
Chiều quay các động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây pha mà phụ thuộc vào thứ tự các cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển. Nhiệm vụ này do bộ phận chuyển phát thực hiện.
7.3.2 Cấu tạo chung của động cơ bước
Động cơ bước thực chất là động cơ đồng bộ họat động dưới tác dụng của các xung rời rạc. Do đó có cấu tạo cũng gồm hai phần:
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 80
Hình 7.3 Cấu tạo động cơ bước
Stato: thường có các dạng cực móng hay dạng răng (cực) có cực từ xen kẻ nhau. Số cuộn dây phần ứng (hay còn gọi là số cuộn dây pha ) của động cơ bước thường được chế tạo từ 2 đến 5 cuộn dây pha. Mỗi cuộn dây pha được quấn thành nhiều cuộn dây (bối dây) và được đặt đối nhau trong các rãnh của Stato. Đối với cuộn dây pha có 2 cuộn thì chỉ dùng cho điều khiển luỡng cực ( cuộn dây có cực tính thay đổi ), với 4 cuộn dây có thể dùng cả hai chế độ điều khiển đơn cực hay lưỡng cực.
Roto cũng có 2 lọai: đối với loại cơ từ trở thay đổi thì thường có dạng răng , cịn đối với các loại nam châm vĩnh cửu có các cực được phân bố đều nhau.
7.3.3 Phân loại động cơ bước
Có nhiều cách phân loại khác nhau nhưng về mặt cấu tạo động cơ bước có thể chia làm 2 loại : động cơ bước nam châm vĩnh cữu (Permanent Magnet Motors) và động cơ bước có từ trở thay đổi ( Variable Reluctance Motors). Ngồi ra cịn có loại động cơ kết hợp các ưu điểm của hai động cơ trên: Động cơ nam châm vĩnh cữu với dạng cực móng và động cơ có từ trở thay đổi gọi là động cơ bước hổn hợp (hydrid motors) hay còn gọi là động cơ bước cảm ứng.
Động cơ bước có từ trở thay đổi (Variable Reluctance Motors)
Động cơ có từ trở thay đổi hay cịn gọi là động cơ bước phản kháng. Kiểu động cơ này có góc bước giới hạn từ 1,80 đến 300 trong chế độ điều khiển bước đủ, momen hảm từ 1 đến 50 Ncm, tần số khởi động lớn nhất 1 KHz, và tần số làm việc lớn nhất trong điều kiện không tải là 20 KHz. Stato được chế tạo thành dạng răng có bước cực
SVTH: Nguyễn Thành Phúc 81
s. Cuộc dây pha được quấn trên 2 hay 4 răng đối xứng nhau. Roto cũng chế tạo dưới
dạng răng có bước cực r.
Hình 7.4 Cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha
Hình trên là cấu tạo của động cơ bước có từ trở thay đổi có 3 cuộn dây pha. Cách nối dây như trên hình vẽ, với một đầu dây chung nối tất cả các cuộn dây pha. Đây là cách mắc thông dụng của động cơ loại này. Công dụng của dây chung là để điều khiển việc cấp nguồn cho các cuộn dây pha một cách tuần tự.
Đây là loại động cơ có góc bước s = 300 . Roto có dạng răng gồm 4 răng đối
xứng nhau và Stato gồm 6 cực, mỗi cuộn dây pha được quấn thành 2 cuộn dây đối
xứng nhau.
Nếu tác dụng một xung dòng điện hay hiệu điện thế vào cuộn một thanh Roto mang dấu X bị hút bởi những cực của cuộn dây này. Nếu ngắt cuộn 1 nối cuộn 2 này thì Roto sẽ quay một góc 300 theo chiều kim đồng hồ để cực mang dấu Y thẳng hàng
