Lập trình điều khiển x stage 1 cihều bằng động cơ bước

Để đáp ứng được yêu cầu đó và điều khiển động cơ bước, thì có nhiều phương pháp để thực hiện, nghiên cưú và điều khiểu vít me đai ốc bi là phương pháp hiện đại, rất phổ biến trong các má

Trang 1

LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN X -STAGE 1 CHIỀU

BĂNG ĐỘNG CƠ BƯỚC

GVHD :Th.sNGUYEN VAN BO | SVTH :HUỲNH NGỌCBÌNH „

NGUYÊN MINH HIẾU :

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CO KHI TU DONG-ROBOT

-Tìm hiểu và để ra phương án thiết kế phần cơ khí, vẽ kỹ thuật

3- Ngày giao nhiệm vụ Đô án:

4- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

4 Lp trinh + đu thân,

Ngàyf†tháng{ năm 2008

CHỦ NHIỆM KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

Trang 3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM

KHOA CƠ KHÍ TỰ ĐỘNG-ROBOT

TP Hồ Chí Minh, ngày J tháng / năm 2008

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ Và Tên: NGUYỄN MINH HIẾU MSSV: 103109005

NGÀNH: CƠ TIN KỸ THUẬT

CHỦ NHIỆM KHOA NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

Trang 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CONG HOA XÃ HỘI CHŨ NGHĨA VIỆT NAM

KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM Déc Lap — Tw do — Hanh phúc

KHOA CO KHi TU DONG-ROBOT

TP Hồ Chí Minh., ngàu x tháng U năm 2008

PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Số bản vẽ tay: ccccctocrsrrereee Số bản vẽ trên máy tính:

fle ath DAE 6d, AR Meu sessosssasunasssusssteseessesarsnttsassasassstaniasssaseesseees

6 Những thiếu sót chínH:

7, Đề nghĩ:

Được bảo vệ

D Bổ sung thêm để được bảo vệ

H Không được bảo vệ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH

(Ký và ghi rõ họ tên)

Trang 5

LOI CAM ON

Trước hết em xin chân thành cẩm ơn Ban Giám Hiệu Nhà Trường,

cùng quý thầy cô, các bạn sinh viên của khoa cơ khí tự động và robot và

đặc biệt hơn nữa, xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Văn Bổn đã hết

sức tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn này,

lời chúc sức khoẻ

Một lần nữa Em cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến tất cà các

thầy cô trong khoa cơ khí tự động và robot, đã truyền đạt cho em những

kiến thức, những kiến thức đó vẫn còn rời rạc, chưa thể tổng hợp lại đối

với mỗi sinh viên của chúng ta Chính vì vậy, trong thời gian qua nhờ sự

hướng dẫn cuả quý thầy cô đã tận tình truyển đạt kiến thức giúp sinh

viên ngày một nâng cao

Ngoài ra chúng em cũng đã nhận được sự trợ giúp và động viên của

gia đình và bạn bè Đây là nguồn động viên rất lớn cho chúng em

Do hạn chế về kinh nghiệm nên chắc chắn luận văn này không thể

tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em rất mong được sự góp ý từ quý

Trang 6

LỜI NÓI ĐẦU

Tự động hoá là một ngành quan trọng của nền kinh tế quốc dân

Phạm vi sử dụng sản phẩm của ngành chế tạo máy rất rộng rãi, từ con tàu

vũ trụ cho đến giày đép và quần áo, và các thực phẩm đóng gói, sản xuất

bia, sản xuất nước ngọt, tất cả những sản phẩm này đều được chế tạo

nhờ máy móc khác

Hiện này ngành tự động hoá ở nước ta còn rất hạn chế và đang

bườc phát triển để khẳng định được ưu thế và cũng là nên tầng của nên

công nghiệp chế tạo máy Chính vì vậy Đảng và nhà nước ta và Xã Hội

đều rất quan tâm đến ngành tự động hoá về sản xuất

Trong lĩnh vực sản xuất thì ngành tự động hoá và thiết bị tự động đóng

một vai trò hết sức quan trọng Nó nghiên cứu các quy luật tác động trong

quá trình sản xuất, nhằm nâng cao năng suất, chất lượng và giảm chỉ phí

Ngành này cũng là yêu cầu cấp bách của Xã Hội cho nên hiện nay

các trường Đại Học kỹ thuật của nước ta đang chú trọng và đầu tư về

thiết bị tự động nhằm mục đích đào tạo các kỹ sư về tự động có những

kiến thức cơ bản về năng suất, chất lượng và giá thành sản phẩm và

phương pháp thiết kế các qui trình công nghệ, phương pháp tối ưu về sai

số trong hệ thống điều khiển, phương pháp kỷ năng lập trình các hệ thống

tự động và giới thiệu các thiết bị tự động như hiện nay và các máy móc tự

động

Để chứng minh điều đó chúng em đã ahap dé tai

LAP TRINH DIEU KHIEN X-STAGE 1 CHIEU BANG

DONG CƠ BƯỚC

Dé tai là ứng dụng vi xử lý để điều khiển trục vít - đai 6c bi cho

thấy để tài không mới nhưng điểm mạnh của để tài là dùng loại drives

của động cơ bước có thể tối ưu được phần cứng, ngoài ra còn dùng

Trang ii

Trang 7

Encoder để tạo tín hiệu phản hổi trong hệ thống điều khiển và giao tiếp

máy tính thu thập, xử lý đữ liệu

Luận văn trình bày đề tài được chia làm 8 chương lớn :

- Chương] : Giới thiệu tổng quan về đề tài

- Chương 2 : Tính toán và chọn động cơ bước

- Chương 3 : Thiết kế bộ truyền trục vít — đai ốc bi

- Chương 4 : Khớp nối

- Chương 5 : Encoder

- Chương 6 : Giới thiệu mạch điện dùng trong điều khiển

- Chương 7 : Chương trình điều khiển trên máy tính

- Chương 8 : Chương trình giao tiếp vi điểu khiển

Do thời gian còn hạn chế, trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp

bậc Đại Học, nên chúng em không thể thiếu sót và những sai im không

thể tránh khỏi Mục đích làm luận văn lần nay của chúng Em hoàn thiện

lại kiến thức đã học trong suốt những năm qua để hoàn thiện luận văn

được tốt hơn, và để chuẩn bị hành trang bước vào đời và tìm ra phương

pháp giải quyết một vấn để thường gặp khi bước vào môi trường sắn xuất

của Công Ty

Chúng Em rất mong nhận ý kiến của các Thầy cô và các bạn đóng

góp ý kiến để việc thiết kế sau này được tốt hơn.Em xin chân thành cảm

ơn quý thầy cô và các bạn cho em những ý kiến có giá trị

Trang Iii

Trang 8

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

Chương1: GIỚI TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.2 Mục dich nghién ctf ccccccssssessesscesesssesesseseacsestsesssaveceetetereceeees 2

1.3 GiGi han G6 tai ee ececessssssssssessessesersecsecsesseseesssssesessecsesessessesseseece 3

1.4 Phạm vi ứng dụng của động cơ bước và trục vít đai ốc bi 3

Chương 2: TÍNH TOÁN VÀ CHỌN ĐỘNG CƠ BƯỚC

2.1 TOM QUAM 0 sesceecccsssssessssssssecssecasssesssssussiecessssestsssussasssessisssseeccersesces 5

2.1.2 Uu diém cilia d6ng Cd DUG Co cseccsseesecsessessessesssssescssssssstsssersersesceee 6

2.1.3 Nhược điểm của động cơ Đước set se sac SE nen tt ren 6

2.1.6 Xác định góc quay Rotor sau mỗi bước điều khiển SE seg 10

2.1.7 Quan hệ giữa tần số xung cấp vào day quan Stator va tốc độ quay 11

2.1.8 Hoạt động trong tình trạng cộng hưởng 22 2s SsE SE nereg 12

2.2 Chọn động cơ bưƯỚC .- - c1 SH n9 nh 13

Chương 3: THUYẾT KẾ BỘ TRUYỀN VÍT ME - ĐAI ỐC BI

3.1 So sánh giữa hai bộ truyền vít — đai ốc

3.3 BO truyén vit — dai 6c ma SAt JAM cescssesescscescscscsssssscsecseseseseeees 19

3.4, Profin ren va vat liéu ché tao Vit VA dai OC cccccccecccccesccccceccsececececceceees 20

3.5 Tính toán về bộ truyền vít — đai ốc Dicceccccccccscsssssessssssstscsescescsececeeesceses 22

Trang 9

4.1.3 Thông số cơ bản s-snTtSn T11 SE TH THETEEn ng 25

Chương 5: ENCODER

5.1.1 Nguyên tắc hoạt động của encoder sen nrec 28

3.1.4 Đặc tính Encoder tương đối Cọ TT HH HH0 ch 32

Chương 6: GIỚI THIỆU VỀ MẠCH ĐIỆN DÙNG TRONG ĐIỀU KHIỂN

6.2 Chuẩn RS — 232 Q so Tntenn ren rerei 3 34

6.3 Giới thiệu IC MAX — 232 HH1 nn HH HE na 36

=`" ` ¬ 36

=1 37

6.4 Giới thiệu AT89S52 - HH 11111 1 E111 E TH eeerey 38

6.5.6 Các chân điều khiển chính -sck+tk2EE22xcEeEEersvrerrsee 49

6.6 Giới thiệu DAC 0808 - G snnn TT 1n ng HH nga 50

6.8 Thi€t KE mach oo cceccccssssssscsescssessssssescaseveveeesececeeeeeecececeesesec 56

6.8.1 Thiét KE khOi NUON ooo ees csccessessesesscesesessessecsessereessecesescesee, 56

6.8.2 Khối giao tiếp — 58

Chương 7: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁ Y TÍNH

7.3 Chuong trinh hé théng di€u Khi@n see cccccscscccsececsssscscesecececeees 66

Trang V

Trang 10

Chương 8: CHƯƠNG TRÌNH GIAO TIẾP VI XỬ LÝ

8.1 Giải thuật cescscssssscssscesecsesssssacscsssesesesevesesesecececeeseseeceeecec 97

8.1.1 Giải thuật chương trình chính .- G5 Sa ca S SE nh net 97

Trang Vi

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ điều khiển x - stage 1 chiều bằng động cơ bước 2

Hình 1.4: Phạm vi ứng dụng của động cơ bước và trục vít đai ốc bì trong

Hình 2.1.4b: Cấu tạo động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu 7

Hình 2.1.5: Lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí

Hinh 2.1.8: Dong cd hoat dong ngay t6c d6 “Cutoff? voce cccccccscceccecececccececes 12

Hinh 2.2.1: Anh chup ctia dong C0 DUGG oo eececcccccccscecessesececseeececeecececeeseses 13

Hình 2.2.2a: Vị trí khởi động của động cơ bước SH 14

Hình 2.2.2b: VỊ trí sau một bước của động cơ bước tt se 15

Hình 2.2.2d: VỊ trí sau ba bước của động cơ bước theo 16

Hình 3.3.3: Kết cấu bộ truyền vit dai 6c bi với rãnh thu hồi nằm trên đai

Hình 3.4b: Profin tam giác - co cnH TH 111 ng HH ng 20

Hình 4.1.4b: Cấu tạo khớp nối đàn hồi loại (®10x®93z:, nối với trục động

Hình 4.1.4c: Cấu tạo khớp nối đàn hổi loại (®5xzœ5)wm, nối với trục vít

Hình 5.1.2: Cấu tạo dĩa quang trong Absolute Encoder St 29

Hình 5.1.3a: Cấu tạo dĩa quang trong Incremantal Encoder 31

Hình 5.1.3b: Dạng xung ngõ ra Encoder tương đối ngang 31

Trang Vii

Trang 12

Hình 5.1.3c: Ảnh chụp Encoder tương đối se cca

Hình 6.5.4a: Biểu đồ tốc độ của HIGH LEVEL

Hình 6.5.4b: Biểu đô tốc độ của LOW LEVEL

Hình 6.6: Sơ đồ chân DACO808 2 s ST

Trang Viii

Trang 13

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYEN VAN BON

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay với sự phát triển của công nghệ tự động đã được coi là động lực phát

triển đối với nhiều quốc gia Để phát triển nền kinh tế của mình từng quốc gia

cũng có những quốc sách phù hợp ưu tiên phát triển công nghệ tự động, đặc

biệt là lưu tâm đến vấn đề chuyển giao công nghệ, các nước công nghiệp mới

được coi là mô hình tốt về ứng dụng và phát triển công nghệ nhanh tạo cơ sở để

công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế đất nước Để phát triển và hoà

nhập với nền kinh tế thế giới, chuyển giao công nghệ là một giải pháp đang

được coi trọng

Kỹ thuật số các hệ thống điều khiển dân dần được tự động hóa Với những kỹ

thuật tiên tiến như vi xử lí, vi mạch số duce ứng dụng vào lỉnh vực điều khiển,

thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp ít chính

xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương

trình đã được thiết lập trước

Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp hiện nay, việc sử dụng máy

móc tự động là một yêu cầu hết sức cần thiết và quan trọng Vì nếu nắm bắt

được sai số do hệ thống làm việc gây ra trong dây chuyển sản xuất, giúp ta biết

được tình trạng làm việc của các yêu cầu Và có những xử lý kịp thời tránh

được những hư hỏng và sự cố có thể xảy ra

Để đáp ứng được yêu cầu đó và điều khiển động cơ bước, thì có nhiều phương

pháp để thực hiện, nghiên cưú và điều khiểu vít me đai ốc bi là phương pháp

hiện đại, rất phổ biến trong các máy công cụ và hiện đại hơn nữa là máy gia

công CNC, các con Robot hệ toạ vuông gốc là phương pháp tối ưu nhất ít sai số

nhất trong hệ thống và đạt năng suất cao trong sản xuất Được sự đồng ý của

Giáo viên hướng dẫn là Th.S Nguyễn Văn Bổn, Em tiến hành thực hiện để tài

“Lập trình điều khiển X- Stage 1 chiều bằng động cơ bước”

SVTH: HUỲNH NGỌC BÌNH ~ NGUYỄN MINH HIẾU Trang 1

Trang 14

Encoder

VỊ trí của trục vít đai ốc bi được encoder cảm nhận, biến thành xung sau đó đưa

vào bộ đếm nhiều byte, qua bộ phận giao tiếp máy tính sẽ đọc các byte ở những

thời điểm nhất định nó so sánh với các giá trị đặt thông qua bàn phím và cho ta sai lệch, tín hiệu sai lệch này sẽ được xử lý để điều khiển theo nguyên tắc tỉ lệ, tích phân tỉ lệ PI, vi phân tỉ lệ PD hay PID rồi xuất sang dạng số và đưa vào bộ điều khiển động cơ bước nói trên Phân giao tiếp máy tính sẽ dịch chuyển đai

ốc bị theo trục X

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Mục đích trước hết khi thực hiện để tài này là để hoàn tất chương trình môn học

để đủ điều kiện ra trường

Cụ thể khi nghiên cứu thực hiện để tài là các em muốn phát huy những thành quả ứng dụng của bộ Drives của động cơ bước va Encoder va vi diéu khiển 89S51 nhằm tạo ra những sản phẩm, những thiết bị tiên tiến hơn, và đạt hiệu quả sản xuất cao hơn

Ngày nay, hầu hết các thiết bị hiện đại đều phải giao tiếp được với may tinh, cho nên một mục đích quan trọng của để tài là phải thu thập được số liệu, sau

đó truyền về máy tính để xử lý, hiển thị kết quả, phân tích tổng hợp, đánh giá

theo những yêu cầu đặt ra nhằm cải thiện chất lượng, tối ưu hóa hệ thong Hon nữa, khi nghiên cứu đề tài này cũng giúp các em tìm hiểu một số thuật toán điều khiển để từ đó em có thể so sánh, đánh giá và rút ra được thuật toán tối

ưu nhất cho quá trình

Trang 15

Ngoai ra qué trinh nghién cifu thuc hién dé tài là một cơ hội để các em tự kiểm tra lại những kiến thức đã được học ở trường, đồng thời phát huy tính sáng tạo, khả năng giải quyết một vấn dé theo yêu cầu đặt ra Và đây cũng là dịp để các

em tự khẳng định mình trước khi ra trường để tham gia vào các hoạt động sản

xuất của công ty

Điều khiển tối ưu vít me đai ốc bi với độ chính xác là micromet

Ứng dụng cua vi điều khiển trong hệ thống điều khiển

Thiết lập các thông số điều khiển, từ đó điều khiển tối ưu hệ thống một cách chính xác hơn

Viết chương trình để đáp ứng các yêu cầu trên

1.4 PHAM VI UNG DUNG CUA DONG CO BUGC VA TRUC ViT ĐAI ỐC

BI

Được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghiệp, như: máy CNC, máy công

cu gia công kim loại, các con Robots v.v

Dưới đây là một số hình ảnh minh hoạ về ứng dụng của hệ thống điều khiển động cơ bước và trục vít đai ốc bi

Trang 16

Trang 17

Hình 1.4: Phạm vi ứng dụng của động cơ bước và trục vít đai ốc bì trong lĩnh

vực công nghiệp

Trang 18

Chương 2

TÍNH TOAN VÀ CHỌN ĐỢNG CƠ BƯỚC

2.1 TỔNG QUAN

2.1.1 ĐỊNH NGHĨA

Động cơ bước có thể xem là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các xung điện áp

thành chuyển động cơ học liên tục

Các đặc tính cơ bản của trạng thái chuyển động quay động cơ bước bao gồm

các đặc điểm như sau:

Trục của động cơ theo từng bước liên tục khi có xung điện điều khiển được cung cấp theo một chuối tuần tự thích hợp trạng thái quay của trục động cơ quan

hệ trực tiếp của chuổi xung cung cấp

Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xung nhập điều khiển và bể dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển

2.1.2 UU DIEM CUA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Y Cac uu diém cua dong | cơ bước trong quá trình điều khiển được tóm tắt như sau:

se Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển

cơ còn được cung cấp năng lượng)

e Chuyển động có khả năng lặp lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy,

điều khiển vị trí chính xác Với những động cơ bước có cấp chính xác cao

có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp

° Cac đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiếu tối hảo

¢ C6 độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chôi than ; như vậy tuổi thọ của động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc

đạn

e Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ

bộ điều khiển vòng hở, do đó dễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp

SVTH: HUỲNH NGỌC BÌNH _ NGUYÊN MINH HIẾU Trang 6

Trang 19

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYỄN VĂN BỔN

se Động cơ có khả năng quay với tốc độ đông bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp lên trục

® Động cơ có khả năng đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển

2.1.3 NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỘNG CƠ

e© Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị rất cao

_® _ Tiêu thụ dòng điện không phụ thuộc vào tải

e Kich thước hạn chế

e© Làm việc Ồn

se Momen giảm theo tốc độ

2.1.4 PHẦN LOẠI - CẤU TẠO ĐỘNG CƠ

Theo các tài liệu kỹ thuật hiện nay chúng ta có 3 loại động cơ bước

* Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor — Permanet Magnet Stepper Motor)

* Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor —Varible Reluctance Stepper Motor)

⁄ Động cơ bước đa hợp (Hybrid Stepper motor)

>» VR Stepper motor

Trang 20

Trang 21

Ceramic permanent magnet rotor: rotor 1A nam cham vinh cửu

> Hybrid Stepper Motor

permanent magnet

rotor, 96-pole 8-pole stator

Rotor pole detail: Hình trích các cực nam, bắc của rotor

Permanent magnet rotor, 96-pole: rotor là nam châm vĩnh cửu, 9ó cực

8-pole stator: Stator có 8 cực

2.1.5 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA ĐỘNG CƠ BƯỚC

Nguyên tắc hoạt động chung của các dạng động cơ bước được trình bày đơn

giản như sau:

Với một nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường do thanh nam châm tạo thành

hệ thống đường sức khép kín; có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào Cực nam

Tính chất lưỡng cực của thanh nam châm vĩnh cửu có thể cảm ứng trong từ

trường tạo bỡi dòng điện khi đi qua các bộ dây quấn trên stator Cực tính (hay

hướng) của từ trường tạo bởi dòng điện qua dây quấn, phụ thuộc hướng dòng

điện đi vào dây quấn Tính chất của cực từ thay đổi khi đổi hướng dòng điện

qua các dây quấn

Trang 22

Khi bố trí thanh nam châm vĩnh cửu có thể quay tự do như phần ứng của các

máy điện; phần ứng này được đặt trong từ trường tạo bởi phần dây quấn cảm

stator(xem hình 2.1.5)

Trong hình vẽ này; trục của từ trường phần ứng lệch nhau một góc @; theo

nguyên tắc chung của động cơ muốn động cơ có thể quay được đường sức từ

trường tạo bởi rotor và stator phẩi tạo thành các mũi đường sức khép kín mạch

Chúng ta có thể khảo sát lực từ tương tác giữa từ trường tạo bởi các cực từ của

rotor và từ trường tạo bởi dây quấn trén stator

Hình 2.1.5 : Lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cân

bằng (tại vị trí trục từ trường của phần cẩm và trục từ trường phần ứng thẳng

hàng)

Trong hình vẽ này, do tính chất các cực từ hình thành trên

phần ứng và phần cảm của động cơ, lực tương tác các cực từ có khuynh hướng

kéo phần ứng (rotor) quay theo chiều ngược kim đồng hồ ( CW-Counter clock

Wise) Muốn xác dinh momen quay, chúng ta phân tích lực tương tác F thành

thành phần F; có phương thẳng góc với trục của rotor: suy ra:

M =2RF,

Trang 23

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYEN VAN BON Khi rotor quay đến vị trí cân bằng; giá trị của momen quay triệt tiêu; nếu bây giờ chúng ta không cung cấp dong dién vao day quan phan cam, rotor sé đứng yên Tuy nhiên, tại thời điểm đó nếu chúng ta cung cấp dòng điện vào

một cặp cực từ tương thích ở vị trí lân cận, momen quay hình thành và có khuynh hướng tác động kéo rotor sang cân bằng ở vị trí kế tiếp Trạng thái

rotor đi chuyển từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng mới kế tiếp được gọi

là quay một bước

Nếu trên stator chúng ta bố trí nhiều cặp cực từ kế tiếp nhau và tác động cấp

xung điện áp để tạo thành dòng điện vào các dây quấn tuần tự theo chu kỳ định

trước: rotor sẽ thực hiên đi chuyển tuần tự từng bước Nói một cách khác; trạng thái cấp xung điện áp tuần tự vào các bộ dây hình thành từ trường

quay có khuynh hướng làm rotor quay từng bước theo nhip cấp xung vào dây

> Z,: Tổng số răng của stator

> Zr: Tổng số răng của rotor

> m: Số pha dây quan trén stator

> ø,: Góc lệch giữa 2 răng liên tiếp trén stator

» a, : Goc léch gitta 2 răng liên tiếp trên rotor

> ø : Góc quay của rotor sau mỗi bước điễểu khiển

Đầu tiên chúng ta có các quan hệ hình học giữa các đại lượng trên như sau:

Trong đó sô răng cua staotor Z,= 8

ran wy x VÀ atk QUA 360° _ 3609 0

Góc lệch gifta 2 rang lién tiép trén rotor a, = 7 497 36

Trang 24

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYEN VAN BON Khi cung cấp nguồn điện tuần tự vào các pha dây quấn trên stator chúng ta đã

có m bước điều khiển Sau m bước điều khiển, tại một cực từ bất kỳ khảo sát trên stator sẽ có được một răng rotor có trục trùng với trục từ này, do đó góc quay của một điểm định trước trên stator sau m bước điều khiển là (m Ø) Giá trị này thực sự tương ứng bằng với giá trị bước răng trén stator

Tw d6 suy ra:

360° => Ø= 360°

Trong đó m=2 số pha dây quấn trén stator

Za= 10 số răng của rotor - Ộ

Do đó góc quay của rotor sau mỗi bước điều khiển là :

f: Tần số nguồn điện cung cấp vào mỗi pha dây quấn

n: tốc độ quay của động cơ, giá trị n chính là số vòng quay thực hiện trong một đơn vị thời gian(1s)

Nếu với một bước ta chỉ tác động một xung; suy ra

Thời gian thực hiện I bước =chu ky/m=1/f.m (s)

Tổng thời gian thực hiện 1 vòng quay = thời gian thực hiện 1 bước x Rs

MZ p _ ZR (s)

f Tổng thời gian thực hiện 1 vong quay =

Số vong quay trong Is= Z (s)

Trang 25

Hay nat

6

Trong đó: n (vòng/phút); f (Hz); 6 (dé) ,

Động cơ bước là nam châm vĩnh cửu có số vòng quay là n = 200 vòng/phút

Từ kêt quả tính toán trên góc quay rotor sau mỗi bước điều khiển là øØ = 189

Vay f= 66 H, tan sé nguồn điện cung cấp vào mỗi pha day quan

2.1.8 HOAT DONG TRONG TINH TRANG CONG HUONG

Nếu động cơ bước được liên kết với khớp nối cứng với phụ tải không ma sát và hoạt động tại tốc độ tương ứng với giá trị tần số gần giá trị tần số cộng hưởng, năng lượng sẽ được đưa vào hệ thống công hưởng, và kết quả là động cơ bước sẽ mắt điều khiển Do vậy chúng ta phải kiểm soát cộng hưởng dùng hệ thống cơ khí

Bố trí thiết bị đo lường tính đàn hồi, liên kết với động cơ với tải, chúng ta có thể

làm mất đi năng lượng của hệ thống công hưởng, ngăn ngừa năng lượng tích lũy đên phạm vi cho phép làm rotor động cơ vượt khỏi khả năng điều khiên của hệ thống

Những dạng dòng điện theo thời gian cấp vào mỗi pha dây quấn phụ thuộc vào

mạch điện truyền động Thời hằng của sườn lên của xung dòng điện phụ thuộc vào

điện áp và mạch điện truyền động: thời hằng của sường xuống của xung dòng điện

phụ thuộc vào dây quấn của stator Tại tốc độ thấp, thời hằng của sườn lên và sườn

xuống của xun ø dòng điện cấp vào dây quấn ảnh hưởn g đến hiệu suất của động cơ; nhưng tại lúc vận hành tốc dộ cao; điện cảm dây quấn động cơ làm giảm momen hữu ích; xem kết quả trong hình 2.18

Trang 26

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ` GVHD: Th.S NGUYỄN VĂN BỔN

Tốc độ lớn nhất của động cơ được định nghĩa là tốc độ tại lúc momen giảm đến giá

trị không Việc đo lường hay xác định tốc độ tối đa của động cơ rât khó khi có hiện tượng cộng hưởng, vì hiện tượng cộng hướng cũng làm momen giảm đến giá trị

không

Toc d6 “cutoff” 1a gid trị tốc độ quay của động cơ khi momen bắt đầu giảm từ giá trị momen xem như là không đổi

Khi động cơ vận hành với tốc độ cao hơn tốc độ “cutoff” , momen bắt đầu giảm

xuống đến giá trị 0 Khi động cơ hoạt động với tốc độ thấp hon téc d6 “cutoff” ;

hằng số thời gian của sườn lên và sườn xuống của xung đòng điện qua đây quấn

tồn tại đáng kế trong mỗi bước

Khi động cơ hoạt động ngay tại tốc độ “cutoff”; khoảng thời gian diễn ra một bước

c6 thé so sánh với tổng các hằng số thời gian của sườn lên và sườn xuống của xung dòng điện Như vậy, điểm có tốc độ “cutoff” chính xác tuyệt đối rất khó xác định: thường chỉ có thể gặp các trạng thái ở gần tốc độ “cutoff”

Tóm tại các đặc tính cơ cho trong các tài liệu kỹ thuật của các nhà sản xuất thường

khác biệt so với các áp dụng thực tế, do ảnh hưởng bởi phương thức điều khiển và

cầu tạo của từng loại động cơ

Tương tự, tốc độ tại lúc cộng hưởng phụ thuộc momen quán tính của toàn bộ hệ

thống quay, không phải chỉ phụ thuộc vào rotor mà còn phụ thuộc vào sự tổn tại

của hệ thống đệm cơ khí và trạng thái của hệ thống điều khiến

Trang 27

Chọn động cơ bước, loại động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM

stepper motor — Permanent Magnet Stepper Motor) Mỗi bước có góc dịch 1.8Ẻ, động cơ bước dòng điện một chiều(DC), 3,4V, 2/7A, 2 pha, có số vòng quay n=200 bước

2.2.2 TRÌNH TỰ CÁC BƯỚC CHO ĐỘNG CƠ BƯỚC 2 PHA

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu cấu tạo bỡi rotor là một nam châm vĩnh cửu, và stator là các cuộn dây Cấp điện cho cuộn dây stator sẽ tạo ra một vùng điện từ có

các cực Bắc và các cực Nam, và stator gây ra vùng từ trường sẽ làm rotor tự quay

lệch đi một góc xác định ( một bước ) Chúng ta có thê thay đổi vùng từ trường

bằng cách kích hoạt theo trình tự hay “kích từng bước” cuộn dây stator để tạo ra

chuyển động quay của rotor

Motor bước thực hiện việc chuyển xung điện điều khiển thành các bước quay min

của motor Do sự tương ứng l-l giữa xung điện điều khiển và bước quay của

mofor nên motor bước có độ chính xác dịch chuyển cao

Motor bước có thể điều khiển quay thuận — ngược tùy theo tín hiệu điều khiển

Ưu điểm của motor bước là có thể dễ dàng ghép nỗi với thiết bị số thông qua bộ

khuếch đại công suất đơn giản, motor bước không cần mạch phan héi dé én dinh

pha Pha A tạo bởi hai cuộn trên và dưới Pha B tạo bởi hai cuộn trái và phải Dòng

câp cho cuộn motor được đặt vào các chốt A và B Rotor có 10 cực gôm các cực

SVTH: HUYNH NGOC BINH ~ NGUYEN MINH HIEU Trang 15

Trang 28

nam châm cực Nam (N) và cực Bắc (S) đặt xen kẽ Độ phân giải của motor bước

sẽ bằng số cực của rotor nhân với số cặp cực của stator Với

motor bước trên hình trên, độ phân giải sẽ là 20, tức là mỗi nhịp điều khiển, motor

bước sẽ quay một bước =3600/20=1 89

Hình 2.2.2a mô tả nhịp điều khiển khởi động Cuộn A được cấp dòng I„„„ còn

cuộn B không được cấp dòng Khi đó ở cực trên và dưới sẽ hình thành nam châm

N và 5, còn ở cực trái và phải không hình thành cực nam châm (ký hiệu O) Dưới tác dụng của từ trường rotor sẽ quay cho đến khi cực N ( hoặc S) của rotor đối diện với cực S (trên) và N (dưới) tương ứng stator thì dừng lại

từ trường roftor sẽ quay cho đến khi cực N ( hoặc §) của rotor đối diện với cực N (trái) va S (phải) tương ứng stator thì đừng lại

Trang 29

theo, trong các cuộn A và cuộn B được luân phiên câp điện

Trang 30

Hình 2.2.2 mô tả cấu trúc của loại motor bước với rotor có gắn các răng nam châm vĩnh cửu N (cực Nam) và S (cực Bắc) tuần tự Stator cé 4 cuộn dây quấn trên 4

chốt lõi để tạo thành nam châm điện |

Kiểu điều khiển mô tả ở trên thường gọi là “ bước nguyên ” (Full step)

> Với phân tích trên về cấu tạo và nguyên tắc làm việc của động cơ bước

thuộc loại rotor nam châm vĩnh cửu; chúng ta có thê rút ra các nhận xét như

Sau:

Kết cấu động cơ đơn giản, giá thành hạ

⁄ Động cơ thích hợp với các áp dụng cần sử dụng tốc độ quay thấp, momen có

giá trị bé và các khoảng di chuyển của mỗi bước có giá trị lớn

* Dòng điện cung cấp vào cho mỗi cuộn dây là dạng một chiều, nhưng phải được điều chỉnh thay đôi cực tính khi rotor quay được một góc tương ứng với nửa giá trị số bước thực hiện đúng một vòng quay

SVTH: HUYNH NGOC BINH — NGUYEN MINH HIEU Trang 18

Trang 31

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYỄN VĂN BỔN Chương 3

THIET KE BO TRUYEN VIT ME - DAI OC BI

3.1 SO SÁNH GIỮA HAI BỘ TRUYEN ViT — DAI OC VỚI MA SAT TRƯỢT VỚI MA SÁT LĂN

3.1.2 Bộ truyền vít — đai ốc với ma sát trượt

> Nhược điểm:

Do ma sát lớn nên ren mòn nhanh, hiệu suất làm việc thấp

ˆ Chiều dài lớn và mất ổn định vít

* Luôn luôn tồn tại khe hở cạnh răng, đây là nguyên nhân gây ra sai số hệ

thống trong quá trình điều khiển định vị và lặp lại vị trí

v Có thể gây ra dao động xoắn vì bản thân bánh răng, trục chuyển động là

* Ít gây ra sai số trong hệ thống điều khiển vì bộ truyền vít — đai ốc bi giữa các

bề mặt làm việc vít và đai ốc là con lăn

* Cho hiệu suất cao, lực ma sát và quán tính thấp, khe hở giữa con lăn và vít

bé

vˆ Cơ cầu chuyển động chính xác đạt tới 0,001 (mm)

v Trong hệ thống điều khiển như máy điều khiển chương trình số ( máy CNC )

cho ta điều khiển một cách chính xác định vị được vị trí trục vít đang ở một

vị trí nào đó và lặp lại vị trí trước đó một cách chính xác

Sử dụng tạo lực dọc trục lớn khi tải trọng thay đổi sử dụng ren hình thang,

khi tải trọng tác dụng theo một chiều có giá trị lớn sử dụng ren hình răng cưa

SVTH: HUYNH NGỌC BÌNH ~ NGUYỄN MINH HIẾU Trang 19

Trang 32

> Để có lợi về lực lớn để đảm bảo tính tự hãm ta sử dụng ren một mối với góc

nâng ren vít z nhỏ

3.3 BO TRUYEN VIT — DAI OC MA SAT LAN

Hinh 3.3.1: B6 truyén vit — đai ốc bi

Truyền động vít đai ốc với ma sát lăn được đùng trong các cơ cầu đi chuyến chính xác cơ cầu định lượng và điều chỉnh v.v thường đùng nhất là truyền động vít đai

ốc bi ( hình 3.3.2), ở đó các viên bỉ nằm trong rãnh xoắn của vít và đai Ốc bỉ Vận

tốc đi chuyến của các viên bi này khác với vận tốc của vít và đai ốc, vì vậy để đảm bảo sự tuân hoàn liên tục của các viên bị, hai đầu của đoạn ren làm việc được nối

với rãnh thu hôi bi ( hình 3.3.2b) hoặc các ống dẫn bi ( hình 3.3.2a)

Trang 33

Các con lăn quay va chuyên động tịnh tiến đối với vít và đai Ô ốc, do đó để luôn tổn

tại các con lăn giữa các bề mặt ren của vít và đai ốc thì ren các đầu đai é ốc hoặc vít

người ta nối các rãnh thu hồi

` SỐ lê 208g —

Trang 34

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.S NGUYỄN VĂN BON

Để giảm ma sát, bán kính rãnh lăn r¡ của vít và đai Ốc cần phải lớn hơn bán kính bi

Khi đường kính bị dy < 8mm lay r; =0,51d, khi d,>8mm lay r, =0,53d,

Mặt làm việc của cơ cấu vit bi can được tôi đến độ rắn HRC 60 hoặc lớn hơn Vít được chế tạo từ thép Crôm — Vonfam — Mangan (CrWMn) và 7CrMnyWM¿ tôi thé

Thép Dong thanh thiéc — phot pho |0.1 5143

Thép | Đồng thanh khôn g thiếc 0.12 6°51

Áp suất cho phép một SỐ, vật liệu cho trong bảng 3.2

Bảng 3.4b: Giá trị áp suất cho phép

Thép tôi — gang chống ma sát 7 0

Thép không tôi — gang GX18, GX21 5

Ứng suất kéo (nén) cho phép đối với vít bằng thép:

ở,

[6, ] = lô, — 3

Voi 6,, la gidi han chay vat liéu

Ung suat cho phép đối với vật liệu đai ốc:

Ứng suất dập cắt vật liệu thép — đồng thanh hoặc thép — gang:

Trang 35

3.5 TÍNH TOÁN VẺ BỘ TRUYEN ViT — DAI OC BI |

Chọn sơ bộ đường kính trong dị=l6mm của ren theo độ bên kéo (hoặc nén)

Ung suat kéo (nén) cho phép đối với vít bằng thép:

l,J=|,]= “+ =S” =106wPa

Ta chọn giới hạn chảy ở, =320A/Pa

Đường kính bị d,=(0,08 0,15)dị (mm)

=>d,=0,125.dị=0,125.16 =2 (mm) Bước vít p = dy†(l 5) (mm)

Trang 36

Số bi trên các vòng trên làm việc

Z„= „ D¿# _¡_ 314.18,012.2

Trong đó k số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc không quá 2 - 2,5 vòng do

đó chọn k = 2 thích hợp

Khe hé tng cộng giữa các viên bi nên lấy bằng = (0,7 1,2) dy= 1,2.2 =2,4 mm

Chon khe hở hướng tém A = 0,03(¢mm)

Khe hở tương đối y = A/d, = 0,03/1 = 0,03/16 = 0,0018(mm)

Trang 37

* Qua tính toán thiết kế bộ truyền vít — đai ốc bi ta có kết quả sau:

Trục vít được chế tạo từ thép Crôm — Vonfam — Mangan (CrWMn)

Dai ốc bị dùng vật liệu thép 18CrMnTi

Luc doc truc F, =16385 N, chiéu dai lam viéc | = 300 (mm), đường kính trong ren

dị = 16 (mm), đường kính ngoài trục vít d = 20 (mm), đường kính ngoài của dai 6 ốc

D =34 (mm), đường kính trong đai ốc Dị= 20 (mm), bước ren p = 4 (mm), 2 ổ bi

đỡ chặn

SVTH: HUYNH NGOQC BINH ~ NGUYÊN MINH HIẾU Trang 25

Trang 38

KHOP NOI

4.1 DAI CUONG VE KHOP NOI

4.1.1 KHAI NIEM

Khớp nối (còn gọi là nói trục, ly hợp, khớp nối trục) là cụm chỉ tiết máy dùng để

nỗi các trục để truyền chuyển động và công suất Nhờ khớp nối ta nối các trục đồng tâm, hơi lệch tâm hoặc nghiêng với nhau một góc nào đó Ngoài ra chức năng chính là truyền momen xoắn, thì khớp nối được sử dụng đễ giảm rung động và va đập, ngăn ngừa quá tải, sự phát triên chế tạo các cụm chỉ tiết máy riêng biệt dân đến việc ứng dụng khớp nối ngày càng rộng rãi

Theo công dụng có thể chia khớp nối thành 3 loại chính

Nối trục dùng dé nối hoặc tách các trục khi dừng máy

Ly hợp dùng để nối hoặc tách các trục, bất kỳ lúc máy đang làm việc hoặc khi

dừng máy

Ly hợp tự động có thể tự động nối hoặc tách các trục hoặc các chỉ tiết khác nhau

4.1.3 THONG SO CO BAN

Thông sé co ban làm việc quan trong nhat cac loai khớp nối là momen xoắn

T(Nmm hoặc Nm) hay công suất P( kw) với số vòng quay n(vg/ph)

Các thông số quan trọng của kết cấu khớp nối là kích thước bao, khối lượng và momen quan tinh véi truc quay

Khớp nói được tính theo chỉ tiêu về khả năng làm việc: độ bền mỏi, độ bền quá tải,

T: Momen xoan danh nghia, Nmm

K: hệ số chế độ làm việc, phụ thuộc vào loại máy

Ta chon K=1,5 2,5

SVTH: HUỲNH NGỌC BÌNH — NGUYEN MINH HI£U Trang 26

Trang 39

4.1.4 KHOP NOI DAN HOI LA KIM LOAI

Hé théng dan động của nhiều máy truyền tải trọng thay đối có thể là: quá trình sản

xuất, động cơ và cơ cấu dẫn động máy , sử dụng nối trục đàn hồi sẽ giảm tải

trọng động, va đập và dao động hệ thống truyền động

Khớp nối tương ứng với mỗi giá trị khả năng tải (momen xoắn T) có thể sử dụng

với nhiều đường kính lỗ lắp trục khác nhau ( khi mua khớp nối ta phải gia công lỗ

đê lắp trục với đường kính tùy chọn) Bỡi vì trục để truyền cùng | gia tri momen

có nhiều giá trị đường kính khác nhau, bỡi vì đường kính tục phụ thuộc vào đặc điểm chịu tải (momen uốn tác dụng lên trục) và vật liệu chế tạo

Ni trục dạng này có tuổi thọ cao hơn nối trục với chỉ tiết đàn hồi không kim loại

Tuy nhiên giá thành đắt hơn Ứng dụng truyền momen xoắn lớn

Do mô đun đàn hồi của thép có giá trị lớn nên các phần tử đàn hồi được chế tạo từ

những lá thép tắm mỏng

Nối trục cho phép hai trục có thể lệch doc truc A, ~1+5mm,A, =0,3+0,6mm léch

góc A„ đến 1° Nối trục có thể bù độ lệch đọc trục nhờ sự đi động tương đối giữa

bộ phận đàn hồi với nữa nối trục, bù độ lệch tâm và độ lệch góc nhờ vòng đàn hồi

có thể biến dạng nén

Ngoài khả năng bù được các sai lệch của trục nhờ biến dạng của chỉ tiết đàn hồi,

nối trục đàn hồi còn có thể:

e_ Giảm va dap va chan dong

e Dé phong cộng hưởng do dao động xoắn gây nên

Nối trục đàn hồi sử dụng trong các hệ dẫn động đảo chiều Trong nhiều trường

hợp, sử dụng nối trục đàn hồi làm tăng tuổi thọ cơ cấu chịu tải trọng động lên

Trang 40

Định dạng
Số trang	156
Dung lượng	5,39 MB