Linear actuator_ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ TRƯỢT TUYẾN TÍNH

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TRƯỢT TUYẾN TÍNH Mô hình trượt tuyến tính là một thiết bị truyền động mà tạo ra chuyển động theo một đường thẳng, ngược lại với chuyển động xoay tròn của m

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn trường Đại học Nha Trang và Khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện cho em học tập và nghiên cứu tốt trong suốt những năm học vừa qua Nhờ vào chương trình đào tạo này đã giúp cho em rất nhiều kinh nghiệm quý báu Những kinh nghiệm đó sẽ giúp em hoàn hơn trong công việc và môi trường làm việc sau này

Em cũng xin cảm ơn quý thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dạy và trang bị cho

em những kiến thức cần thiết Chính những kiến thức này sẽ hỗ trợ em trong việc hoàn thành khóa học 2014 – 2018 này

Đồng thời nhà trường đã tạo cho em có cơ hội được học tập tại nơi mà em yêu thích, cho em bước ra đời sống thực tế để áp dụng những kiến thức mà các thầy cô đã giảng dạy Qua công việc giảng dạy của cán bộ giáo viên em nhận ra nhiều điều mới mẻ và bổ ích, sẽ giúp ích cho công việc sau này của bản thân em

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Thiên Chương và các thầy cô trong khoa cơ khí đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập tại trường Đây

là báo cáo cuối cùng của em ở trường Đại học Nha Trang vì vậy nó sẽ phản ánh một phần

về kiến thức và năng lực học tập của em thời gian qua tại trường, em sẽ cố gắng hết sức cho buổi bảo vệ Chuyên Đề

Trong quá trình báo cáo chuyên đề tốt nghiệp sẽ không tránh những thiếu xót rất mong nhận được sự thông cảm, chia sẻ của quý thầy cô để giúp em hoàn thành tốt lễ bảo

vệ chuyên đề tốt nghiệp!

MỤC LỤC

Trang bìa phụ I

Lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 4

Danh mục các bảng 5

Danh mục các hình 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TRƯỢT TUYẾN TÍNH 7

1.1 Tổng quan về số cơ cấu trượt tuyến tính: 7

1.2 Cơ cấu truyền động cơ điện: 8

1.3 Một số loại trượt tuyến tính khác và ưu nhươc điểm của chúng: 9

1.4 Giới thiệu các kết quả nghiên cứu đã có trong nước: 11

1.5 Giới thiệu 1 số hãng chế tạo bộ trượt tuyến tính trên thế giới: 15

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRƯỢT TUYẾN TÍNH1 19

2.1 Phương pháp nghiên cứu: 19

2.1.1 Cơ cấu trượt sử dụng truyền động bằng vít me và dây đai: 19

2.1.2 Động cơ bước nema 17: 20

2.1.3 Động cơ servo: 21

2.1.4 Driver A4988: 22

2.1.5 Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Ardunio NaNo và Ardunio Uno R3: 23

2.1.6 Phần đệm grbl: 26

2.1.7 Visual Studio 2010: 28

2.2 Yêu cầu về mô hình: 35

2.2.1 Yêu cầu phần cứng: 35

2.2.2 Yêu cầu phần điện: 35

2.2.3 Yêu cầu phần mềm và điều khiển: 36

2.3 phương án thiết kê: 36

2.4 Chế tạo phần cơ khí: 38

2.4.1 Giới thiệu và lựa chọng vật liệu: 38

2.4.2 Chế tạo phần cơ khí: 47

2.4.3 Chế tạo mạch điều khiển: 55

2.4.4 Phần mềm điều khiển: 59

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM 61

3.1 Kết quả nghiên cứu: 61

3.2 Thử nghiệm: 62

3.3 Hiệu chỉnh bằng phần mềm: 63

3.4 Thử nghiệm phần mềm khắc laser: 65

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 67

4.1 Kết quả đạt được: 67

4.2 Những vấn đề chưa đạt được: 67

4.3 Đề xuất kiến nghị: 67

TÀI LIỆU KHAM KHẢO 68

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CNC: Computer(ized) Numerical(ly) Control(led) (điều khiển bằng máy tính)

MS1, MS2, MS3: chân kết nối để set vi bước trên driver A4988

KB: Kilobyte

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Mô hình trượt tuyến tính công nghiệp 7

Hình 1.2 Cấu tạo bên trong của một bộ trượt tuyến tính 8

Hình 1.3: Bộ trượt tuyến tính sử dụng động cơ có gắn encoder 9

Hình 1.4 Bộ trượt THK J1 12

Hình 1.5 Bộ trượt tuyến tính SK Robot 14

Hình 1.6 Bộ trượt tuyến tính KA Stage 14

Hình 1.7 Sản phẩm bộ trượt tuyến tính của openbuil 15

Hình 1.8 Sản phẩm lắp gắp từ bộ trượt openbuil 16

Hình 1.9 Một số sản phẩm khác của Openbuil 17

Hình 1.10 Bộ trượt tuyến tính SKF CASM-32 17

Hình 2.1: Cơ cấu dây đai bánh răng 20

Hình 2.2 Cơ cấu truyền động vít me 20

Hình 2.3 Động cơ nema 17 21

Hình 2.4: cấu tạo động cở servo 22

Hình 2.5: Driver A4988 23

Hình 2.12: Ardunio nano 25

Hình 2.6 Sơ đồ đấu chân Ardunio R3 26

Hình 2.7 Hình đấu dây của Ardunio 26

Hình 2.8 Giao diện visual studio 30

Hình 2.9 Tạo project mới 31

Hình 2.10 Vị trí mà bảng danh sách các bài tập được tạo sẽ hiện ra 32

Hình 2.12 Tạo thuộc tính cho nút Connect 33

Hình 2.13 Tạo Phím Jog 35

Hình 2.14 Mô hình trượt tuyến tính dùng dây đai 37

Hình 2.15 Mô hình trượt tuyến tính sử dụng vít me 38

Hình 2.16 Mạch mach3 40

Hình 2.17 Nhôm định hình 2060 42

Hình 2.18: Thanh trượt tuyến tính 42

Hình 2.19: Bạc đạn trượt LM8UU 43

Hình 2.20: Vít me đai ốc phi 8 dài 400mm 43

Hình 2.21: Khớp nối mềm 5 x 8mm 44

Hình 2.22 KFL08 44

Hình 2.23: Mica tấm 46

Hình 2.24 Thông số bu lông thường 46

Hình 2.25 Thông số bu lông lục giác 47

Hình 2.26 Quạt làm mát 47

Hình 2.27 Công thức tính điện trở 48

Hình 2.28 Các loại tụ dùng trong mạch điện 49

Hình 2.29: Công tắc hành trình 50

Hình 2.23: Cầu chì 1Ampe 51

Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý mạch laser 56

Hình 2.31 Bản vẽ layout mô tả sắp xếp linh kiện và đi dây 57

Hình 2.32 Mạch điều khiển 58

Hình 2.33 Sơ đồ đấu nối phần điện 58

Hình 2.34: Giao diện phần mềm 59

Hình 3.1: Mô hình hoàn thiện 61

Hình 3.2 Chọn khoảng dịch chuyển 1mm 62

Hình 3.3 Chọn khoảng dịch chuyển 5mm 63

Hình 3.4 Hiệu chỉnh xung 63

Hình 3.5 Về home 64

Hình 3.6 Máy khắc laser 65

Hình 3.7 Kết nối với máy tính 65

Hình 3.8 Chọn file gia công 65

Hình 3.9 Bấm nút bắt đầu 66

Hình 3.10 Một số sản phẩm từ phần mềm khắc laser 66

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các loại trượt tuyến tính 9

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của bộ trượt TCL J1 12

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ trượt tuyến tính THK 13

Bảng 1.4 Thông số bộ trượt KA Stage 15

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật CASM-32 19

Bảng 2.1 Cách set vi bước cho driver A4988 24

Bảng 2.2: Thông số Ardunio nano 23

MỞ ĐẦU

Ngày nay CNC đã ứng dụng vô cùng rộng rãi trên toàn thế giới, ở rất nhiều lĩnh vực đều ứng dụng công nghệ CNC vào công việc của họ Nó đã góp phần to lớn vào xây dựng bộ mặt của xã hội hiện đại và đẹp đẽ như hiện tại

Nhưng để tạo ra được những cổ máy CNC chính xác, có sức mạnh vượt trội và dễ dàng lắp ráp và chế tạo hàng loại phải nhắc đến một bộ phận quan trọng của nó Đó là bộ phận truyền động tuyến tính được ứng dụng ở tất cả các trục XYZ của máy CNC, tên tiếng Anh gọi là Linear Actuator

Lý do chọn đề tài:

➢ Với nhu cầu phát triển các máy công cụ chính xác và hoàn thiện được sản phẩm đầu ra như hiện nay, thì các máy tự động hóa như CNC, In 3D, Laser hay

Plasma… rất cần các cơ cấu trượt chính xác

➢ Đồng thời bộ trượt tuyến tính có thể kết hợp, lắp ghép dễ dàng với nhau để tạo ra các máy công cụ này một cách dễ dàng và thuận tiện Vì vậy em đã nghiên cứu và cho ra mô hình sản phẩm trượt tuyến tính với các tính năng như giá rẻ, lắp ráp dễ dàng, có độ bền cao và quan trọng là có khả năng kết hợp các bộ trượt để tạo ra các

máy công cụ

Mục tiêu nghiên cứu:

➢ Thiết kế, chế tạo mô hình bộ trượt tuyến tính

Đối tượng nghiên cứu:

➢ Mô hình bộ trượt tuyến tính

Những kết quả nghiên cứu về bộ trượt tuyến tính đã có ở trong và ngoài nước Sản phẩm được bán sẵn trong nước

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TRƯỢT TUYẾN TÍNH

Mô hình trượt tuyến tính là một thiết bị truyền động mà tạo ra chuyển động theo một đường thẳng, ngược lại với chuyển động xoay tròn của một động cơ điện thông thường Cơ cấu chấp hành theo chuyển động thẳng được sử dụng trong các máy công cụ và máy móc công nghiệp, trong các thiết bị ngoại vi của máy tính như ổ đĩa và máy in, trong van và bộ giảm chấn, trong đó yêu cầu phải chuyển động thẳng Xi lanh thủy lực hoặc khí nén vốn tạo ra chuyển động thẳng Nhiều cơ cấu khác cũng được sử dụng để tạo ra chuyển động thẳng từ động cơ quay

Hình 1.1 Mô hình trượt tuyến tính công nghiệp

1.1 Tổng quan về số cơ cấu trượt tuyến tính:

Các cơ cấu truyền động cơ khí chuyển động thẳng thông thường hoạt động bằng cách chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng Việc chuyển đổi này thường được thực hiện thông qua một vài loại cơ cấu đơn giản:

➢ Trục vít: tất cả các cơ cấu chấp hành vít me, kích vít, vít me bi và trục vít con lăn đều hoạt động trên nguyên tắc máy cơ đơn giản được gọi là trục vít Bằng cách xoay ốc vít của thiết bị truyền động này, trục vít sẽ di chuyển theo một đường thẳng

➢ Bánh xe và trục: các cơ cấu chấp hành Palăng, tời, thanh răng và bánh răng, truyền động bằng xích, xích đứng và dây cua-roa đứng hoạt động dựa trên nguyên lý của bánh xe và trục Một bánh xe quay làm cáp, thanh răng, xích chuyển động theo, tạo

ra chuyển động thẳng

➢ Cam: các cơ cấu chấp hành Cam hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như cái nêm, nhưng hỗ trợ cho hành trình tương đối bị hạn chế Khi một cam hình giống bánh xe quay, hình dạng khác thường của nó dùng để sinh ra lực đỡ tại đáy của

trục

Hình 1.2 Cấu tạo bên trong của một bộ trượt tuyến tính

1.2 Cơ cấu truyền động cơ điện:

Các thiết bị truyền động cơ khí thường chuyển đổi chuyển động quay của một núm hoặc tay cầm điều khiển thành chuyển động thẳng thông qua ốc vít và/hoặc bánh răng mà núm hoặc tay cầm

Một họ thiết bị truyền động khác được dựa trên các trục phân đoạn (segmented spindle) Chuyển động quay của cần tay cầm (handle) kích được chuyển đổi cơ khí thành chuyển động thẳng của đầu kích

Các thiết bị truyền động cơ khí cũng thường được sử dụng trong lĩnh vực laser và quang học để thao tác trong các vị trí cần chuyển động thẳng, chuyển động quay, dụng cụ giữ gương, máy đo góc và các dụng cụ định vị khác Để định vị trí chính xác và có thể lặp lại, các đánh dấu chỉ số có thể được sử dụng trên các nút điều khiển Một số thiết bị truyền động bao gồm một bộ mã hóa (encoder) và thiết bị đọc vị trí kỹ thuật số Điều này tương

tự như các nút bấm điều chỉnh được sử dụng trên thước đo micromet ngoại trừ mục đích của chúng là điều chỉnh vị trí chứ không phải đo vị trí

Các thiết bị truyền động cơ-điện cũng giống như các thiết bị truyền động cơ khí ngoại trừ các núm hoặc cần điều khiển được thay thế bằng động cơ điện Chuyển động quay của động cơ được chuyển thành chuyển động thẳng Có rất nhiều thiết kế của thiết bị truyền

động thẳng hiện đại và mỗi công ty sản xuất chúng có xu hướng có một phương pháp độc

quyền

Hình 1.3: Bộ trượt tuyến tính sử dụng động cơ có gắn encoder

1.3 Một số loại trượt tuyến tính khác và ưu nhươc điểm của chúng:

Loại thiết bị truyền

Cơ khí

Giá rẻ Có thể lặp lại được

Không yêu cầu phải cung cấp năng lượng Khép kín hành vi

mở rộng hoặc co lại đồng nhất với nhau

Động cơ DC hoặc động cơ bước Có thể phản hồi vị trí tốt

Nhiều bộ phận chuyển động nghiêng bị bào mòn

Động cơ tuyến tính

Thiết kế đơn giản Cần ít bộ phận chuyển động nhất Có thể đạt tốc độ cao Khép kín Hành

vi mở rộng hoặc co lại đồng nhất

Lực từ thấp tới trung bình

Piezoelectric (áp

điện)

Có thể dịch chuyển động rất nhỏ ở tốc độ cao Tiêu thụ hầu như bất cứ nguồn năng lượng nào

Hành trình ngắn trừ khi khuếch đại bằng cơ khí Yêu cầu điện áp cao, thường là 24V hoặc lớn hơn Đắt tiền,

và mong manh Chỉ tốt khi nén, không tốt khi kéo

Thường được dùng cho các

bộ Phun Nhiên liệu

Thủy lực Có thể tạo ra lực rất lớn

Có thể bị rò rỉ Yêu cầu phản hồi vị trí để lặp lại Yêu cầu

có bơm thủy lực ở bên ngoài Một số thiết kế chỉ khi nén

Khí nén Mạnh mẽ, trọng lượng nhẹ, đơn

giản, nhanh chóng

Điều khiển vị trí chính xác ngoại trừ tại các điểm dừng hoàn toàn

Động cơ Wax (sáp

Không đáng tin cậy như các phương pháp khác

Trục phân đoạn

Rất nhỏ gọn Phạm vi của các chuyển động lớn hơn chiều dài của thiết bị truyền động

Vừa chuyển động thẳng vừa chuyển động quay

Cuộn dây dịch

chuyển

Lực, vị trí và tốc độ có thể điều khiển và lặp lại Khả năng đạt được tốc độ cao và vị trí chính xác Có thể chuyển động thẳng, quay, và hành động

thẳng+quay

Yêu cầu thông tin phản hồi vị trí để có thể lặp lại

MICA (moving iron

Hành trình bị giới hạn vài

mm, ít tuyến tính hơn cuộn dây dịch chuyển

Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các loại trượt tuyến tính

1.4 Giới thiệu các kết quả nghiên cứu đã có trong nước:

Ở Việt Nam hiện nhu cầu về bộ trượt tuyến tính có nhu cầu rất cao, nó là một phần quan trọng trong cơ cấu của những loại máy chính xác như: CNC, In 3D, Laser, Plasma, Fiber…

Nhưng hầu như chưa có công ty nào của Việt Nam sản xuất bộ trượt tuyến tính chuyên nghiệp phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu, cũng như công nghiệp chế tạo máy Bên cạnh đó thì trong nước đã có nhiều công ty gia công các phụ kiện hoặc mua bán các thiết bị dùng để chế tạo bộ trượt như: Thanh trượt tuyến tính, động cơ Servo, động cơ bước, vít me, chống tâm, bánh răng, dây đai…

Một số bộ trượt tuyến tính chuyên nghiệp có mặt ở Việt Nam điều là hàng từ các bãi công nghiệp được nhập về từ phế thải nước ngoài, đã qua sử dụng và giảm đáng kể chất lượng của nó

➢ Một số bộ trượt tuyến tính đã bán ở Việt Nam:

Bộ trượt THK:

THK là một công ty sản xuất linh kiện chính xác lâu đời, đến

từ Nhật Bản

Hình 1.4 Bộ trượt THK J1

Thông số kỹ thuật của bộ trượt tuyến tính THK:

Bảng 1.2 Thông số kỹ thuật của bộ trượt TCL J1

Bộ trượt tuyến tính Hiwin:

Hình 1.5 Bộ trượt tuyến tính SK Robot

Thông số kỹ thuật SK Robot:

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của bộ trượt tuyến tính THK

Bộ trượt tuyến tính KA Stage Type:

Hình 1.6 Bộ trượt tuyến tính KA Stage

Thứ tự đặc biệt của Ballscrew Loại bình thường

Đơn đặt hàng đặc biệt trượt Loại bình thường

Động cơ Loại Mặt Bích Thẳng thắn

Thứ tự đặc biệt mặt bích Loại bình thường

Bảng 1.4 Thông số bộ trượt KA Stage

1.5 Giới thiệu 1 số hãng chế tạo bộ trượt tuyến tính trên thế giới:

Cộng đồng OpenBuil:

OpenBuilds được thành lập vào năm 2013 bởi nhà khai thác tự tin Mark Carew Mục tiêu của ông là tạo ra một nơi mà các nhà sản xuất và nhà thiết kế cơ khí có thể cộng tác và chia sẻ ý tưởng trong môi trường tự do và cởi mở

Cộng đồng OpenBuilds là nơi dành cho mọi người thuộc mọi cấp độ kỹ năng để chia

sẻ ý tưởng và giúp nhau tìm ra giải pháp Là một nhà xây dựng avid, Mark đã trải nghiệm trước sự thất vọng của việc cố gắng tìm kiếm các bộ phận từ các nhà cung cấp khác nhau

sẽ phù hợp với nhau Đôi khi, phần anh cần không tồn tại Anh biết rằng phải có một cách tốt hơn, vì vậy Mark bắt đầu thiết kế và thử nghiệm phần cứng có thể hoạt động trong bất

kỳ cấu hình có thể tưởng tượng nào Do đó, hệ thống xây dựng mô-đun OpenBuilds đã ra đời

Với V-Slot và sau đó là đường ray tuyến tính C-Beam làm nền tảng khung, một bộ phận tương thích hoàn chỉnh được phát triển để mọi nhà sản xuất trên toàn thế giới có thể

dễ dàng tìm thấy những gì họ cần about-us-mark-clr.png Chúng tôi tin rằng nguồn mở cho phép mọi người đóng góp và cải thiện mọi thứ

OpenBuilds cam kết chia sẻ thiết kế của họ với cộng đồng cho chính xác mục đích này OpenBuilds có gần 40 thành viên trong nhóm và một kênh ý tưởng để châm ngòi cho

sự sáng tạo của bạn trong nhiều năm tới Hệ thống OpenBuilds, cùng với cộng đồng trực tuyến OpenBuilds, có thể giúp bất cứ ai “Giấc mơ nó! Xây dựng nó! Chia sẻ nó!"

Bộ trượt tuyến tính bị truyền động dây đai:

Kiểm tra định vị: di chuyển về phía trước và quay lại năm điểm thiết lập, lặp lại 6 lần

Trình điều khiển động cơ được đặt thành 8X microstepping, khoảng 1.25A hiện tại các bước / mm được đặt thành 199,1

➢ Kết quả: Các quầy hàng động cơ khoảng 26lb (115N)

➢ Kiểm tra tốc độ: tăng tốc độ và tăng tốc và kiểm tra chuyển động đủ dài để cho phép thiết bị truyền động đạt được khoảng cách tốc độ tối đa được thử nghiệm là 250mm

➢ Tăng tốc được đặt thành 200 mm / s ^ 2

➢ Thử nghiệm được thực hiện không tải

➢ Tốc độ tối đa: 8000mm / phút, vượt ra ngoài quầy hàng động cơ này

Hình 1.8 Sản phẩm lắp gắp từ bộ trượt openbuil

Hình 1.9 Một số sản phẩm khác của Openbuil

➢ Các bộ trượt hầu như sử dụng động cơ Nema 17 và Nema 23

➢ Kích thước và hành trình được nới dài tùy ý

➢ Dễ dàng tháo lắp

➢ Tốc độ tùy vào bước của Vít me, vít me được dùng là phi 8

Bộ trượt tuyến tính SKF CASM-32:

Hình 1.10 Bộ trượt tuyến tính SKF CASM-32

SKF CASM là một nhà sản xuất bộ trượt tuyến tính làm bằng vật liệu cao cấp được thiết kế để chịu được ngay cả những điều kiện khắc nghiệt nhất

SKF CASM 32 là bộ trượt tuyến tính có sẵn với các vít bi, có kích thước khác nhau và độ dài hành trình phù hợp với một loạt các ứng dụng Cùng với một động cơ, CASM trở thành một thiết bị cơ điện

Một tính năng của CASM là hệ thống niêm phong của nó bao gồm các con dấu cung cấp bảo vệ IP54S, và một bộ lọc thiêu kết bù đắp cho sự khác biệt áp lực

SKF cung cấp các tùy chọn đính kèm đa dạng và một số bộ điều hợp động cơ (trục hoặc song song) để kết nối động cơ bạn chọn Lợi thế như vậy làm giảm chi phí thiết kế

và lập trình

Tính năng và công dụng:

• Dễ dàng tích hợp và lắp ráp nhanh

• Hệ thống mô-đun đa lựa chọn

• Hiệu quả năng lượng cao

Bảng 1.5 Thông số kỹ thuật CASM-32

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH TRƯỢT TUYẾN TÍNH

2.1 Phương pháp nghiên cứu:

❖ Từ những cơ sở lý thuyết và thực tiễn đã tìm hiểu đề tài sẽ được thực hiện với

các bước cụ thể sau:

➢ Thực nghiệm, kết hợp với nghiên cứu tài liệu

➢ và tham khảo các hệ thống trượt tuyến tính đã được áp dụng trong thực tế

➢ Thiết kế mô hình bộ trượt tuyến tính

➢ Chế tạo cơ khí và mạch điều khiển

➢ Từ những lý thuyết của ngôn nhữ C, C# viết chương trình điều khiển hệ thống

➢ Lắp ráp, thử nghiệm và phân tích kết quả

❖ Từ những cơ sở trên đề tài được kết cấu từ 4 chương chính:

➢ Chương 1: Tổng quan về bộ trượt tuyến tính

Giới thiệu các kết quả nghiên cứu đã có trong nước

Giới thiệu các sản phẩm trên thế giới

Tổng quan về bộ trượt tuyến tính, các thành phần liên quan đến hệ thống và phân loại các loại cơ cấu trượt tuyến tính

➢ Chương 2: Phương pháp và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

Yêu cầu về hệ thống

Phương án thiết kế

Chế tạo

➢ Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm

➢ Chương 4: Kết luận và đề xuất

2.1.1 Cơ cấu trượt sử dụng truyền động bằng vít me và dây đai:

Tính xung cấp cho động cơ bước:

Số bước/mm lý thuyết đối với truyền động đai răng:

➢ Số bước/mm lý thuyết: (360/A*B)/(C*D)

Hình 2.1: Cơ cấu dây đai bánh răng

Số bước/mm lý thuyết đối với truyền động vít me, trục ren:

➢ Số bước/mm lý thuyết: (360/A*B)/F

Hình 2.2 Cơ cấu truyền động vít me

➢ A Góc quay mỗi bước của động cơ (thường là 1.8 hoặc 0.9 độ)

➢ B (thường B = 1/16 với A4988 hoặc 1/32 với DRV8825)

Tỉ số truyền của hệ truyền động tính từ trục của động cơ bước tới cơ cấu di chuyển (đơn vị tính độ/mm), bao gồm:

➢ C Khoảng cách đỉnh răng của đai răng

➢ D Số răng của puli dẫn động

➢ E Tí số truyền cặp bánh răng dẫn động

➢ F Bước ren của vít me/trục ren

➢ G Đường kính puli/bulông tời nhựa

➢ F là bước ren của vít me hoặc trục ren

➢ F được ghi cụ thể trong phần thông số kỹ thuật của sản phẩm

➢ Nếu sử dụng trục ren, có thể tra bảng bước ren của trục ren hệ mét tương ứng trên Google hoặc dùng thước kẹp để đo trực tiếp

2.1.2 Động cơ bước nema 17:

Các thành phần của động cơ gồm có:

Nam châm vĩnh cửu có một cặp cực Bắc-Nam (N-S)

Stator 200 răng (độ phân giải của động cơ là 1.8o), được lái bởi các cặp cuộn dây A2 và B1-B2

A1-Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng Khi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A

là cực Bắc và cực A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên rô-to về gần nhất, đồng thời cực Bắc trên rô-to sẽ xa cực A nhất vì có sự bố trí lệch 1 răng trên rô-to

Các răng trên A và A1 cũng không được bố trí đối xứng mà chúng lệch nhau 1 răng, vậy nên khi cực Bắc của rô-to xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của rô-

to gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất Như vậy lực hút giữa rô-to và Stator là lớn nhất rô-to luôn được giữ ở vị trí cố định trong từ trường của Stator tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên Stator thì một cực của rô-to gần nó nhất còn cực còn lại thì xa nhất Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 được cấp điện, khi đó từ trường của Stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp AA1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo rô-to quay lệch đi 1 răng Cứ tuần tự cấp điện như vậy, ta sẽ tạo ra từ

trường quay quanh trục của Rotor và kéo rô-to quay hết vòng

Hình 2.15: cấu tạo motor

Hình 2.3 Động cơ nema 17

2.1.3 Động cơ servo:

Được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ,

cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled) Trong thực

tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này

Cấu trúc động cơ servo

Trong công nghiệp, hầu hết các dạng

động cơ servo sử dụng động cơ một chiều

không chổi than

Rotor của động cơ là một nam châm

vĩnh cửu có từ trường mạnh Stator của động

cơ được cuốn các cuộn dây riêng biệt, được

cấp nguồn theo một trình tự thích hợp để quay

rotor

Hình 2.4: cấu tạo động cở servo

Nếu thời điểm và dòng điện cấp tới các cuộn dây là chuẩn xác, chuyển động quay

của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện chạy trong cuộn dây stator

Hãy kích chuột vào từng phần của động cơ servo để xem các thành phần bên trong của động

cơ

Ta có thể thấy:

➢ Đĩa bộ mã hóa xung vòng quay

➢ Nam châm vĩnh cửu

➢ Cuộn dây stator

Chức năng của bộ điều khiển động cơ servo

Cần có nguồn điện cấp tương thích với thiết kế của động cơ servo Bộ điều khiển động cơ servo thực hiện chức năng này

Bộ điều khiển cung cấp nguồn cho động cơ servo đúng lượng, đúng thời điểm để điều khiển vị trí, tốc độ và mô men tương ứng với các đầu vào từ bộ điều khiển chuyển động, phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và từ bản thân động cơ servo

Các chức năng khác của bộ điều khiển bao gồm:

➢ Truyền thông với bộ điều khiển chuyển động

➢ Đọc phản hồi từ bộ mã hóa xung vòng quay và điều chỉnh thời gian thực cho mạch vòng điều khiển kín

➢ Xử lý các tín hiệu vào/ra ví dụ như các thiết bị an toàn, chế độ đầu vào và các tín hiệu đầu ra về trạng thái hoạt động

2.1.4 Driver A4988:

Hình 2.5: Driver A4988

Thông số kỹ thuật: Mạch điều động cơ mô tơ bước A4988 là 1 mạch vi bước lưỡng cực

điểu khiển động cơ bước Driver cho phép điểu chỉnh cường độ dòng điện bằng biến để bảo vệ quá tải dòng điện và nhiệt độ

A4988 có5chế độ điều khiển:

• Chế độ full bước (fullstep): mỗi tín hiệu điều khiển, động cơ bước quay 1.8 (hoặc 0.9)

độ ứng với động cơ 1.8 (hoặc 0.9) độ

• Chế độ ½ bước : mỗi tín hiệu điều khiển, động cơ quay một góc bằng ½ so với chế độ full bước

• Chế độ ¼ bước : mỗi tín hiệu điều khiển, động cơ quay một góc bằng ¼ so với chế độ full bước

• Chế độ 1/8 bước : mỗi tín hiệu điều khiển, động cơ quay một góc bằng 1/8 so với chế độ full bước

• Chế độ 1/16 bước : mỗi tín hiệu điều khiển, động cơ quay một góc bằng 1/16 so với chế

độ full bước

Bảng 2.1 Cách set vi bước cho driver A4988

2.1.5 Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Ardunio NaNo và Ardunio Uno R3:

✓ Thông số kỹ thuật của mạch Ardunio Nano:

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V – DC

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40 mA

Hình 2.12: Ardunio nano

✓ Thông số kỹ thuật của mạch Ardunio Uno:

Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)

Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC

Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

Hình 2.6 Sơ đồ đấu chân Ardunio R3

Hình 2.7 Hình đấu dây của Ardunio

2.1.6 Phần đệm grbl:

Thư viện GRBL là thư viện nguồn mở có hiệu năng hoạt động cao, nó là giải pháp thay thế cho việc sử dụng cổng parallel-port-based được dùng phổ biến trong các máy phay CNC Thư viện GRBL có thể hoạt động trên hầu hết các board mạch Arduino Classic hiện nay (Arduino UNO, Nano, Pro mini, mini, ) Bạn chỉ cần một mạch Arduino có bộ nhớ lưu trửr 30KB trở lên là có thể làm một máy CNC hoạt động được ngay

Thư viện điều khiển được viết bằng ngôn ngữ C được tối ưu hóa để có thể hoạt động với hiệu năng cao và tận dụng hết những khả năng của dòng chip AVR để đạt được thời gian chính xác và hoạt động đa nhiệm (không đồng bộ)

Grbl là một phần mềm hiệu suất cao, mã nguồn mở, miễn phí để điều khiển chuyển động của các máy di chuyển, làm cho mọi thứ, hoặc làm cho mọi thứ chuyển động, và sẽ chạy trên một Arduino thẳng Nếu phong trào nhà sản xuất là một ngành công nghiệp, Grbl sẽ là tiêu chuẩn công nghiệp

Hầu hết các máy in 3D nguồn mở đều có Grbl trong trái tim của họ Nó đã được điều chỉnh để sử dụng trong hàng trăm dự án bao gồm máy cắt laser, nhà văn tay tự động, máy khoan lỗ, họa sĩ graffiti và máy vẽ bóng bầu dục Do hiệu suất của nó, đơn giản và yêu cầu phần cứng tiết kiệm Grbl đã phát triển thành một hiện tượng nguồn mở nhỏ

Năm 2009, Simen Svale Skogsrud ( http://bengler.no/grbl ) graced cộng đồng mã nguồn

mở bằng cách viết và phát hành các phiên bản đầu tiên của Grbl cho tất cả mọi người ( lấy cảm hứng từ Arduino GCode Interpreter bởi Mike Ellery ) Từ năm 2011, Grbl đang thúc đẩy một dự án nguồn mở dựa vào cộng đồng dưới sự lãnh đạo thực dụng của Sungeun K Jeon Ph.D

Người sử dụng Grbl

Các nhà sản xuất làm phay và cần một bộ điều khiển đơn giản, đẹp mắt cho hệ thống của họ sẽ chạy Arduino Uno phổ biến Những người không thích làm lộn xộn không gian của họ với các tháp PC cũ chỉ dành cho cổng song song Tinkerers, những người cần một

bộ điều khiển được viết gọn gàng, mô đun C làm cơ sở cho dự án của họ

Tính năng Grbl:

Grbl đã sẵn sàng cho sản xuất nhiệm vụ ánh sáng Chúng tôi sử dụng nó cho tất cả công việc phay của mình, chạy nó từ máy tính xách tay của chúng tôi bằng cách sử dụng giao diện đồ họa người dùng tuyệt vời hoặc với một bảng điều khiển đơn giản (bao gồm) để truyền mã G Nó được viết trong tối ưu hóa C sử dụng tất cả các tính năng thông minh của chip Atmega328p của Arduino để đạt được thời gian chính xác và hoạt động không đồng

bộ Nó có thể duy trì tốc độ bước hơn 30kHz và cung cấp luồng xung điều khiển sạch, không cần thiết

Grbl là cho ba máy trục Không có trục quay (chưa) - chỉ X, Y và Z

Trình thông dịch mã G thực hiện một tập con của chuẩn rs274 / ngc của NIST và được kiểm tra với đầu ra của một số công cụ CAM không có vấn đề gì Chuyển động tuyến tính, tròn

và xoắn ốc đều được hỗ trợ đầy đủ

Mã G được hỗ trợ trong v0.9i:

• G38.3, G38.4, G38.5: Probing

• G40: Cắt chế độ bồi thường bán kính

• G61: Chế độ điều khiển đường dẫn

• G91.1: Chế độ khoảng cách IJK Arc

• G10 L2, G10 L20: Đặt phối hợp phối hợp công việc

• G17, G18, G19: Lựa chọn máy bay

Hầu hết các tùy chọn cấu hình có thể được thiết lập trong thời gian chạy và được lưu trong eprom giữa các phiên và thậm chí giữ lại giữa các phiên bản khác nhau của Grbl khi bạn nâng cấp firmware Để có mô tả về các mã G này, chúng tôi thực hiện theo các nguyên tắc mã GIST của NISTvà LinuxCNC.org cũng cung cấp tài liệu tuyệt vời cho các mã này (Mã G) (Mã M) [(Mã khác)] ( http://www.linuxcnc.org/docs/2.5/html/gcode/other-code.html ) và wiki Shapeoko cố liệt kê tất cả các mã được hỗ trợ bởi Grbl với bình luận thích hợp

Quản lý tăng tốc

Trong những ngày đầu, các bộ điều khiển CNC dựa trên Arduino không có quy hoạch tăng tốc và không thể chạy ở tốc độ tối đa mà không cần phải giảm bớt Quản lý tăng tốc liên tục của Grbl với cái nhìn về phía trước kế hoạch giải quyết vấn đề này và đã được nhân rộng ở khắp mọi nơi trong thế giới CNC điều khiển vi mô, từ Marlin đến TinyG Grbl

cố ý sử dụng một mô hình tăng tốc không đổi đơn giản, đó là quá đủ cho việc sử dụng CNC tại nhà Bởi vì điều này, chúng tôi đã có thể đầu tư thời gian của mình tối ưu hóa các thuật toán lập kế hoạch của chúng tôi và đảm bảo chuyển động chắc chắn và đáng tin cậy Khi cài đặt tất cả các bộ tính năng mà chúng tôi cho là rất quan trọng và không còn yêu cầu chúng tôi sửa đổi kế hoạch để phù hợp với chúng, chúng tôi dự định nghiên cứu và triển khai các thuật toán điều khiển chuyển động nâng cao hơn, thường được dành riêng cho máy chỉ với tỷ lệ thức ăn rất cao (tức là pick-and-place) hoặc trong môi trường sản xuất Cuối cùng, đây là mộtliên kết mô tả cơ sở của thuật toán cua tốc độ cao của chúng tôi để chuyển động dễ dàng vào tốc độ thức ăn nhanh nhất và phanh trước khi các góc sắc nét cho hoạt động miễn phí nhanh nhưng không giật

2.1.7 Visual Studio 2010:

Visual studio là một công cụ hỗ trợ lập trình nổi tiếng của Microsoft hiện nay mà chưa có phần mềm nào có thể thay thế được nó Phần mềm visual studio được viết chính bằng 2 ngôn ngữ đó là vb++ và C# đây là 2 ngôn ngữ giúp người dùng có thể lập trình được

hệ thống một cách dễ dàng nhất thông qua visual studio

Chi tiết phần mềm visual Studio:

Phần mềm lập trình hệ thống visual studio là một phần mềm được sản xuất trực tiếp

từ hãng Microsoft nổi tiếng, hiện nay phần mềm này từ khi đưa ra được nhiều người dùng biết đến, thì phần mềm này có rất nhiều phiên bản sử dụng, điều này giúp người dùng có thể lựa chọn với phần mềm tương thích với các dòng máy của mình cũng như cấu hình sử dụng của dòng máy, tùy thuộc vào bản win32 hay 64bit mà người dùng có thể download visual studio về và cài đặt nó một cách đơn giản nhất

Hình 2.8 Giao diện visual studio

Phần mềm visual studio được hỗ trợ cho người dùng sử dụng 2 ngôn ngữ chính đó

là VB++ và C# đặc điểm của 2 phần mềm này có thể là tương đối gần giống nhau, nhưng

có thể C# có thể giúp người dùng nhiều tiện ích hơn Bên cạnh đó thì visual studio sẽ để người dùng có thể chọn giao diện chính cho máy của bạn, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng của bạn khi cài đặt bạn có thể chọn giao diện chính cho máy của mình

Các tính năng, công dụng của phần mềm visual studio:

➢ Có thể nếu bạn chưa được sử dụng phần mềm visual studio bạn sẽ không nắm hết được tính năng của phần mềm cũng như các công dụng hữu ích của phần mềm giúp ích trực tiếp tới người dùng hệ thống

➢ Bạn có thể trực tiếp lập trình ra các hệ thống, quản lý quầy thuốc, quản lý thư viện…vv rất rất nhiều các tiện ích được cài đặt và lập trình nhờ 2 ngôn ngữ đó là vb++ và ngôn ngữ C# thông qua phần mềm visual studio

➢ Như bạn đã biết tại các cửa hàng hay các siêu thị người ta hay có một hệ thống để

có thể lưu trữ dữ liệu, thêm, sửa, xóa cập nhập, tìm kiếm tất các đơn hàng thông qua giao diện hệ thống visual studio mà người dùng không cần đi kiểm tra trong kho, thì đây là những tiện ích mà phần mềm visual studio làm được thông qua 2 ngôn ngữ lập trình chính đó là vb và C#

➢ Bên cạnh đó có rất nhiều ngôn ngữ lập trình hiện nay đang hữu ích cho những ai theo hướng lập trình web như Bootstrap là một công cụ vô cùng hữu ích cho bạn

Xây dựng phần mềm điều khiển mô hình trượt tuyến tính:

Bước 1: Mở Visual Studio 2010

Bước 2: Tạo Project

Hình 2.9 Tạo project mới

1: Name: Tên của Project

2: Location: Tạo đường dẫn đến tập tin bài tập

3: Solution name: Đặt tên cho Solution

Chọn Empty Project —> Ok

Hoặc

Chọn Win32 Console Application

– Việc chọn Empty Project hay là Win32 Console Application thì tất cả cũng sẽ như nhau Nhưng tôi muốn giới thiệu đến các bạn 2 trường hợp trên để các bạn không bỡ ngỡ khi mà thằng bạn mình có đứa nó chọn Empty Project có đứa thì thích chọnWin32 Console Application

– Sau khi bấm OK đối với Empty Project và bấm Finish đối với Win32 Console

Application mà xuất hiện như hình bên dưới:

thì ta chọn View –> Solution Explorer hay tổ hợp phím Ctrl + Alt + L để hiện ra bảng danh sách các bài tập được tạo ra

Hình 2.10 Vị trí mà bảng danh sách các bài tập được tạo sẽ hiện ra

Bước 3: Tạo ra giao diện để viết code

Tạo nút Connect kết nối với ardunio:

Hình 2.11 Tạo nút Connect

Hình 2.12 Tạo thuộc tính cho nút Connect

Code Open Port

➢ Cơ cấu lắp ráp phải đơn giản, đảm bảo độ chắc chắn

➢ Linh liện và công tắc hành trình phải tốt đảm bảo hoạt động lâu bền

➢ Dây dẫn phải thẩm mĩ

➢ Các bộ trượt phải lắp ráp dễ dàng với nhau để tạo ra hệ thống máy công cụ

➢ Bộ cảm biến ổn định, chống được nhiễu

2.2.2 Yêu cầu phần điện:

➢ Mạch điều khiển nhỏ gọn, linh hoạt

➢ Có chức năng điều chỉnh PWM

➢ Set được vi bước cho động cơ nema 17

➢ Sử dụng điện áp 12V 2Ampe

2.2.3 Yêu cầu phần mềm và điều khiển:

➢ Hệ thống điều khiển phải đảm bảo độ ổn định

➢ Tốc độ xử lý tín hiệu nhanh, hiệu quả

➢ Phần mềm điều khiển dễ sử dụng linh hoạt

2.3 Phương án thiết kê:

Về mô hình cơ khí

Phương án truyền động:

Phương án 1: sử dụng dây đai và bánh răng để truyền động

Hình 2.14 Mô hình trượt tuyến tính dùng dây đai

Ưu điểm:

➢ Chi phí thấp, cơ cấu chuyển động mượt mà và động cơ ít chịu ma sát

➢ Động cơ được giảm tải hơn

➢ Chuyển động nhanh hơn

Nhược điểm:

➢ Dây đai có tuổi thọ kém

➢ Mau dãn gây lệch bước hoặc mất bước làm sản phẩm lỗi

➢ Cơ cấu truyền động qua bánh răng phức tạp hơn

➢ Phải tính tỉ số truyền hợp lí