Động cơ chạy mũi khoan

3.1 Thiết kế chế tạo phần cơ khí

3.2.1 Động cơ chạy mũi khoan

Nguyên lý làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Động cơ điện một chiều được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp và giao thông vận tải. Động cơ điện một chiều gồm những loại sau đây:

- Động cơ điện một chiều kích từ song song - Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp - Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

nên để quá trình khoan diễn ra 1 cách ổn định, thì việc tính chọn tốc độ quay của động cơ kéo trục vitme cân đối cùng momen và tốc độ của động cơ chạy mũi khoan, để phù hợp với độ bền của vật cấu thành lên phôi là hết sức quan trọng. Dựa vào hướng dẫn mang tính kinh nghiệm của nhân viên kỹ thuật phân môn cơ khí, chúng em chọn sử dụng động cơ có tốc độ cao cỡ 1000 vòng/phút trở lên, momen quay đủ khỏe chọn loại động cơ 24v DC công suất 35w.

3.2.2 Động cơ kéo trục vitme.

+ Định hướng ban đầu.

Trong cơ cấu làm việc của dàn khoan tịnh tiến trục vitme, có thể hiểu 1 cách đơn giản là cơ cấu biến chuyển động quay của trục vitme thành chuyển động tịnh tiến của bầu khoan ở trên bàn trượt trục vitme. Mà ở đây chuyển động quay trục vitme nhờ vào động cơ là điều khiển thiết bị điện mà ta sẽ thực hiện.

Với thiết kế gia công cơ khí, bước zen trên trục vitme là i=4mm, hay nói cách khác khi trục vitme quay 1 vòng thì bầu khoan sẽ tịnh tiến được 4mm (với sai số test thử không quá 20%, gây ra bởi độ zơ trong thiết kế cơ khí ăn khớp giữa trục vitme và bàn trượt trục vitme).

Vì vậy yêu cầu với động cơ kéo trục vitme là phải có momen quay rất lớn và tốc độ nhỏ. Đó là hướng đi ban đầu cho chúng em đi đến việc tìm hiều loại động cơ 1 chiều 24 VDC có gắn hộp giảm tốc và động cơ có encoder, xác định với loại động cơ có tốc độ khoảng hơn 100 vòng/phút.

+ Yêu cầu công nghệ của động cơ kéo trục vitme.

Do yêu cầu thiết kế kỹ thuật, ban đầu bầu khoan sẽ ở vị trí hành trình trên, sao cho mũi khoan cách phôi 1 khoảng cách cố định sẵn.

* Lựa chọn thực tế loại động cơ có thông số như sau: - Điện áp nguồn cấp 24 VDC

- Công suất định mức vào khoảng 48 W, dòng 2A

-Là loại động cơ có hộp giảm tốc, chạy test thử với vận tốc khoảng 80

vòng/phút khi đã mang tải 10kg, như vậy đủ khả năng kéo trục vitme hoạt động một cách tốt nhất.

3.3 Tính chọn phần tử khí nén 3.3.1 Tính chọn xilanh

Tính chọn xilanh dựa vào 2 yêu cầu chính đó là: - Chiều dài hành trình làm việc của xilanh.

-Lực đẩy của xilanh khi nó là việc.

Để đáp ứng yêu cầu này, phải dựa vào yêu cầu hoạt động của mỗi phần tử trong mô hình. Mà ở đây chúng em xét đến là sử dụng 2 xilanh:

+ Một xilanh dùng để kẹp cố định phôi tại vị trí khoan, để bắt đầu cho quá trình khoan. Xác định sử dụng xilanh có hành trình dài 250mm. đường kính 20mm. + Một xilanh có hành trình dài đủ để đẩy phôi từ ổ chứa vào vị trí khoan và hành trình tiếp theo là đẩy phôi thành phẩm đã được khoan ra hết máng. Lựa chọn cân đối với các thiết bị cơ khí phần cứng cố định khác, xác định sử dụng xilanh có chiều dài hành trình 250mm đường kính 20mm.

Để tính chon được lực đẩy mà xilanh sinh ra phụ thuộc vào áp suất của nguồn cấp khí nén, và được tính theo công thức sau:

Q=

Trong đó: D là đường kính xilanh(mm) P là áp suất khí nén (kg/cm) η Hiệu suất làm việc

3.3.2 Tính chọn van khí nén điện từ và van tiết lưu.

Như đã giới thiệu trong phần điều khiển thiết bị điện khí nén ở chương 2, để điều khiển hành trình làm việc của xilanh ta sử dụng van khí nén điện từ, là sử dụng tín hiệu điện cấp cho cuộn dây của van khí chuyển hướng đường dẫn khí vào xilanh hai chiều.

- Lựa chọn van khí nén 5/2 điều khiển hai phía (điều khiển bằng cuộn dây 24

VDC ). Thực tế chúng em sử dụng van Airtac 4V120-06.

- Van tiết lưu dùng để điều khiển tốc độ dịch chuyển của xilanh.

3.3.3 Dựa trên yêu cầu công nghệ xác định điều khiển cho từng thiết bị phần cứng trong hệ thống.

* Xilanh đẩy phôi và kẹp phôi

Khi hệ thống ở chế độ sẵn sàng làm việc, nếu xác định có phôi rơi vào trong ống chứa phôi, xilanh sẽ đẩy phôi vào vị trí khoan để kẹp chặt phôi, hoàn thành chu trình làm việc thứ nhất. Sau khi xilanh đi hết hành trình có tín hiệu điều

phép xilanh kẹp phôi rút về và xilanh thứ 2 làm việc, đẩy phôi đã khoan từ vị trí khoan đi hết máng dẫn phôi.

* Động cơ kéo trục vitme.

Được điều khiển quay thuận để hạ bầu khoan khi dây quấn phần ứng động cơ được cấp nguồn 24VDC.

* Động cơ chạy mũi khoan.

Được điều khiển quay thuận khi khoan để mũi khoan ăn phôi. Điều khiển quay ngược để rút mũi khoan khỏi phôi, khi đã khoan theo yêu cầu xong chi tiết bầu khoan được nâng lên.

Tất cả các thiết bị phần cứng trên đều được điều khiển bởi tín hiệu điều khiển bởi từ mạch điện- khí nén, gián tiếp thông qua các role trung gian, làm nhiện vụ cách li và khuếch đại điều khiển.

3.4 Xây dựng hệ thống mạch điện – khí nén.

3.4.1 Hành trình bước trong mạch

Hình 3.7 Hành trình bước

3.5 Xây dựng hệ thống điều khiển trục vit-me bi, điều khiển động cơ * Thiết kế mạch điều khiển động cơ

3.6 Phân tích,tính toán cho từng khối 3.6.1 Tính toán thiết kế mạch nguồn.

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5VDC

+ Tính toán và lựa chọn linh kiện

- Ta lấy Uo=12V

- Uo= U2max

- U2max= .Uo=1.57.12=18,8 v

- Trị số hiệu dụng của điện áp thứ cấp

U2= = =13

* Do chọn MBA có U1=220V và có U2=12V, I2 thỏa mãn

Lí luận : Do dòng vào bằng 10% so với dòng định mức => dòng tối đa =0,7(A) => Id =0,7(A)

-Ta có : Công thức tính toán:

Id =

Đặt A=

 Id = A => R = A

Mà : A= ; T = = = 0,02

=> 2 .U2 sinθ1 = E ( Do chọn máy biến áp U2 =12v nên => E = 12V)

 θ1= = arc sin = 20,7 => Rad = 20,7. =0,36  θ2= π- θ1=3,14-0,36=2,78(rad) Mà τ = θ2 - =2,78 - = 2,78 - .3,14.50=7,7 => A = = = 4,6 => R = . (4,6) = 220(Ώ) Thông thường: ∆UBA = (5÷10)%.Ud Ta chọn: ∆UBA = 6%Ud = 6(V) Trong đó: min

α = 100 là góc dự trữ khi có suy giảm điện áp lưới ∆UV = 1,7 (V) sụt áp trên Transistor:

dn

U

∆ = 0 sụt áp trên dây nối

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có:

0 10 cos 6 0 7 , 1 . 2 220 min cos 2 0= + ∆ +∆ +∆ = + + + α BA U dn U V U d U d U = 232,94 (V)

Công suất tối đa của tải là:

d d

d U I

Trong đó:

ba

S : Công suất biểu kiến của MBA

ks = 1,2: hệ số công suất đối với cầu chỉnh lưu 1 Điện áp pha thứ cấp MBA là:

π 2 2 94 , 232 2 = = U d k U U = 258,73 (V)

Dòng điện hiệu dụng thứ cấp MBA là: I2= k2.Id= 1,2. 0,7= 0,84 (A)

(Với cầu chỉnh lưu 1 pha k2= 1,2) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp MBA là:

I1=KBA.I2=(258,73÷220).0,84=1(A)

Nhưng trên thực tế nếu ta chọn máy biến áp 1A thì không nên, ta phải chọn máy biến áp có dòng > 1A, vì động cơ của chúng em đã chọn có dòng là 2,1A và điện áp là 12V nên chúng em đã lựa chọn máy biến áp có thông số như sau:

- Chọn biến áp nguồn 12V, 3A - IC 7805 tạo ra nguồn 5V - Tụ gốm 0.1μf, tụ hóa 470μF + Nguyên lý hoạt động :

Là nơi cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống và có giá trị là 5V. Khối nguồn gồm có 7805 có chức năng tạo ra nguồn 5V, tụ gốm và tụ hóa có chức năng lọc và san phẳng điện áp.

CHƯƠNG 4

CHẾ TẠO MÔ HÌNH KHOAN 4.1 Chế tạo phần cứng cho mô hình mạch điện-khí nén

Mạch được thiết kế gồm có các khối như sau: khối nguồn, khối nút ấn, khối đưa tín hiệu, khối xử lý tín hiệu, khối phần tử điều khiển, khối cơ cấu chấp hành.

Từ hình 2.7 Hành trình bước chúng em đi xây dựng thiết kế mạch điện- khí nén điều khiển lắp đặt các cảm biến, role, van điện từ để điều khiển các xilanh kẹp phôi và đẩy phôi như sau:

Vì ở đây khi có phôi thì điều khiển xilanh 1A đi ra, kẹp chặt phôi và khi xilanh 1A đi hết hành trình chạm vào S2 thì tác động cho Trục vit-me đi xuống để khoan. Sau khi khoan xong Trục vit-me đi về tác động vào S3 thì điều khiển xilanh 1A đi về. 1A về hết thì điều khiển xilanh C đi ra hết hành trình chạm vào S6 thì điều khiển cho xilanh đi về như vậy hết một hành trình. Từ đó em xác định được tín hiệu logic đầu vào và đầu ra như sau để thiết kế mạch điện-khí :

* Tín hiệu logic đầu vào:

E1= Start v(S0^S5); E2=S4; E3=S6 đảo * Tín hiệu logic đầu ra:

Y1=L1; Y2=L2^S3; Y3=L1^S2; Y4=L2; Y5= L2^S1; Y6=L3. =>Sơ đồ thiết kế mạch điện –khí nén được em thiết kế ở hình 3.4.2.

Nguyên lý hoạt động của hệ thống điện-khí nén:

- Nút ấn ON/OFF để điều khiển bật tắt nguồn 24VDC cho toàn bộ cảm biến và các rơle.

- Nút Start điều khiển cho hệ thống điện-khí nén hoạt động và để đảm bảo hệ thống an toàn ban đầu khi chưa có phôi nút ấn Start được ấn để kiểm tra hoạt động hệ thống .

- Khí có phôi cảm biến S0 nhận tín hiệu, Y1 van điện từ có điện và điều khiển xilanh A đẩy phôi đi ra hết hành trình kẹp chặt phôi. Tín hiệu cảm biến S2 có kích vào mạch vi điều khiển để điều khiển dàn khoan đi xuống khoan theo giá trị đặt và tác động S4 chuyển tầng khí nén. Sau khi khoan xong dàn khoan đi về vị trí ban đầu chạm cảm biến S3, Y2 van điện từ có điện và điều khiển cho xilanh A

biến S6 ngắt toàn bộ điện cuộn hút K chuyển tầng điện làm Y6 van điện từ có điện điều khiển xilanh C đi về. Như vậy hết một hành trinh khoan phôi.

4.2 Thiết kế phần cứng điều khiển dàn khoan

Mạch được thiết kế gồm có các khối như sau: khối nguồn, khối bàn phím, khối hiển thị, khối mạch công suất, khối điều khiển.

4.2.1 Khối mạch nguồn

Hình 3.10 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 24VDC, 12VDC Chức năng của các phần tử trong mạch:

- Cầu chỉnh lưu: chức năng nhận điện áp xoay chiều 24VAC, đầu ra là điện áp 1 chiều.

- IC 7805: chức năng ổn áp điện áp 5V

- C1, C2 tụ hóa (có phân cực) ổn áp ngõ vào, điện dung của tụ này càng lớn thì điện áp vào IC 7805 càng phẳng.

- C3 tụ giấy (không phân cực) là tụ lọc nhiễu tầng số cao ở ngõ vào và ngõ ra. Trong sơ đồ trên, nguồn vào từ biến áp từ 220VAC giảm xuống 5VAC và 24VAC . +Nguồn 5VAC được đưa qua cầu chỉnh lưu biến đổi từ xoay chiều thành 1 chiều, điện áp qua tụ lọc san phẳng điện áp, sau đó qua IC LM7805v ổn định nguồn 5V dòng max 1A

- Nguồn 5v được đưa tới mạch điều khiển và động lực để làm nguồn nuôi cho PIC16F877A, LCD16X2

+ Điện áp 24VAC từ biến áp qua cầu chỉnh lưu thành 1 chiều , tụ lọc nguồn và đèn LED báo nguồn cho ra nguồn +12v dc cung cấp cho mạch lực IR2184 ,+24V cung cấp cho động cơ dc.

4.2.2 Mạch vi xử lý và hiển thị

Hình 3.11 Sơ đồ nguyên lý mạch vi xử lý và hiển thị

Chương trình nạp vào PIC16F877A thực hiện xử lý.Điện áp +5VDC được cấp cho PIC16F877A, LCD16X2, encoder, chiết áp.Khi ta đặt một giá trị nào đó (số vòng quay) động cơ dc một giá trị nào đó thì pic xử lý và đưa tới mạch driver, điều khiển động cơ bằng phương pháp pwm. Encoder có nhiệm vụ phản hồi về trung tâm xử lý. Bù sai lệch

phương pháp được dùng trong đồ án này. Ý tưởng của phương pháp rất đơn giản, chúng ta nối kênh A của encoder với 1 ngắt T0. Cứ mỗi lần ngắt ngoài xảy ra, tức có 1 xung xuất hiện trên ở kênh A thì trình phục vụ ngắt ngoài tự động được gọi.

* Mạch hiển thị bao gồm màn hình LCD giao tiếp với PIC qua Port D với giao thức 4 bit, ngoài ra còn có biến trở để điều chỉnh độ sáng của LCD.

* Thạch anh dùng trong mạch có giá trị 20MHz, với 2 tụ C6,C2 là tụ giấy với điện dung 33uF. Pic reset khi chân số 1 MCLR nối mass.

4.2.3 Khối mạch bàn phím

Mạch bàn phím gồm 16 phím, được bố trí thành 4 hàng và 4 cột như hình vẽ:

Hình 3.12 Khối mạch bàn phím

Bốn hàng được nối với Port A (từ RA0 đến RA3) của vi xử lí, bốn cột được nối với 1 chân Port A và 3 chân Port E (từ RA4 đến RE2) của vi xử lí và được nối với nguồn VCC qua điện trở (nghĩa là các chân của Port E từ RE0 đến RE2 sẽ luôn nhận mức 1 khi không có phím nhấn), việc làm này nhằm phục vụ cho giải thuật quét phím sẽ được trình bày ở phần sau.

Trong số 16 phím có 10 phím để nhập dữ liệu số từ 0 đến 9, 6 phím điều khiển (FW, RV, STOP, ENTER, CLEAR, SAVE).

Nguồn VCC trong sơ đồ mạch bàn phím là 5V, được cấp từ khối mạch ỗn áp ở trên.Vì mạch bàn phím truyền nhận dữ liệu trực tiếp với PIC nên cần điện áp ỗn định.

4.3 Mạch lực (mạch cầu H)

Hình 3.13 Sơ đồ nguyên lý mạch lực

Phân tích mạch lực:

-PC817 có nhiệm vụ cách ly và truyền tín hiệu từ khối điều khiển

- Transistor T1 và T4 có nhiệm vụ chọn chiều hoạt động,T1 là Transistor thuận T4 là Transistor ngược.Khi CHIEU=0V T1 dẫn tín hiệu PWM truyền qua T2 sẽ bị khóa=0V Transistor T4 không dẫn tín hiệu PWM truyền qua T2 được đảo ngược và truyền đến chân tín hiệu đầu vào của IR2184.Khi CHIEU=1 T1 không dẫn T2 dẫn và khóa tín hiệu PWM qua T3

-Khi IR2184 trên nhận được tín hiệu PWM ON thì Mosfet Q2 và Q4 dẫn động cơ hoạt động

-Khi IR2184 dưới nhận được tín hiệu PWM ON thì Mosfet Q1 và Q3 dẫn động cơ chạy theo chiều ngược lại

-Khi PWM OFF thì Mosfet Q1 và Q2 không dẫn, Mosfet Q3 và Q4 dẫn núc này động cơ sẽ bị ngắn mạch 2 đầu rotor động cơ ở trạng thái hãm

-Tụ C3,C4 là tụ kích Ugs cho 2 mosfet kênh trên.Khi mosfet kênh trên không dẫn thì tụ sẽ được nạp điện áp tiếp tục cho lần dẫn sau chính vì vậy mà ta không thể sử dụng tối đa thời gian dẫn của mosfet mà phải có thời gian Toff để nạp lại điện tích cho tụ.

4.4 Lưu đồ thuật toán

Chương trình chính:

Đ 0 1 S Đ Cài đặt giá trị

Hiển thị giá trị cài đặt lên LCD Kiểm tra nút bấm Enter Điều kiện CBCP(=1:=0)

Động cơ chạy thuận

Kiểm tra số vòng quoay vòng nhập Động cơ quoay ngược

về vị trí ban đầu và dừng

0

1

4.5 Kết quả đạt được

Sau khi nghiên cứu hoàn thành đề tài:

“Thiết kế, chế tạo hệ thống khoan sản phẩm chính xác theo yêu cầu”

cho sinh viên ngành Điện-Điện tử trường ĐHSP kỹ thuật Hưng Yên đề tài đã thực hiện đúng các mục tiêu và nội dung đăng ký, đề tài cũng đạt được các vấn đề như sau:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về động cơ điện một chiều, các phương pháp thiết kế