Đồ án nghiên cứu và thiết kế máy CNC

nghiên cứu chế tạo máy CNC mini để phục vụ nhu cầu học tập như phay, khoan mạch in cũng như là phay trên các chất liệu khác như là mica, gỗ, alu,... Ngoài việc tạo ra các mạch in thì máy còn có thể phay các hình nhỏ để làm đồ lưu niệm ..vv..

CHƯƠNG I: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC

1.1 KHÁI NIỆM

CNC ( computer numerical control ) là một dạng máy NC điều khiển tự động

có sự trợ giúp của máy tính , mà trong đó các bộ phận tự động được lập tình để hoạtđộng theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thuớc yêu cầu

Hình 1.1 Hình ảnh máy CNC thực tế

1.2 PHÂN LOẠI

Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:

Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống , chia ra các loại như máy khoan CNC , máy phay CNC , máy tiện CNC…và các trung tâm gia công CNC Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau

Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại:

Các máy điều khiển điểm tới điểm

Ví dụ như máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…

Các máy điều khiển đoạn thẳng : đó là các máy có khả năng gia công trong qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục

Các máy điều khiển đường : bao gồm các máy

Máy 2D

Máy 3D

Điều khiển 2D1/2

Điều khiển 4D , 5D

1.3 ƯU ĐIỂM CƠ BẢN CỦA MÁY CNC

So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chú yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

Độ chính xác lằm việc cao Thông thường các máy CNC có độ chính xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

Tốc độ cắt cao Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn

Thời quan gia công ngắn hơn

1.4 CÁC ƯU ĐIỂM KHÁC

Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hang loại các sản phẩm nhỏ

- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ

- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ

- Có thể gia công hàng loạt

1.5 NHƯỢC ĐIỂM

- Giá thành chế tạo máy cao hơn

- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn

- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn

1.6 TRÌNH ĐỘ HIỆN TẠI CỦA MÁY CNC

- Các chức năng tính toán trong hệ thống CNC ngày càng hoàn thiện và đạt tốc độ xử lý cao do tiếp tục ứng dụng những thành tựu phát triển của các bộ

vi xử lý Các hệ thống CNC được chế tạo hàng loạt lớn theo công thức xử lý

đa chức năng , dùng cho nhiều mục đích điều khiển khác nhau

- Việc cài đặt các cụm vi tính trực tiếp vài hệ NC để trờ thành hệ thống CNC

đã tạo điều kiện ứng dụng máy công cụ CNC ngay cả trong xí nghiệp nhỏ, không có phòng lập trình riêng, nghĩa là người điều khiển máy có thể lập trình trực tiếp ngay trên máy Dữ liệu nhập vào , nội dung lưu trữ, thông báo

về tình trạng hoạt động của máy cùng các chỉ dẫn cần thiết khác cho người điều khiển đều được hiển thị trên màn hình

- Màn hình ban đầu chỉ là đen trắng với các ký tự chữ cái và các con số nay đãdung màn hình màu đồ họa, độ phân giải cao (có thêm toán đồ và hình vẽ môphỏng tĩnh hay động), biên dạng của chi tiết gia công, chuyển động của dao

cụ đều được hiển thị trên màn hình

- Các hệ CNC riêng lẻ có thể ghép mạng cục bộ hay mạng mở rộng để quản lý điều hành một cách tổng thể hệ thống sản xuất của một xí nghiệp hay một tậpđoàn công nghiệp

CHƯƠNG II: CẤU TẠO VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA MÁY CNC

MINI 2.1 MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG MÁY

Với mục đích chủ yếu của nhóm chúng em là nghiên cứu chế tạo máy CNC mini

để phục vụ nhu cầu học tập như phay, khoan mạch in cũng như là phay trên các chấtliệu khác như là mica, gỗ, alu, Ngoài việc tạo ra các mạch in thì máy còn có thể phay các hình nhỏ để làm đồ lưu niệm vv

Hình 2.2: Hình ảnh ke góc nhôm

- Máy khá nhỏ gọn và nhẹ, dễ dàng cho việc di chuyển máy.

- Sử dụng khung nhôm định hình nên việc lắp ráp cũng như hiệu chỉnh sai số hay khi sửa chữa cũng khá đơn giản và dễ thực hiện

- Giá thành của vật liệu khá khá phù hợp và dễ tìm kiếm trên thị trường

Hình 2.3 Hình ảnh thanh trượt tròn

Sự ổn định của trục X sẽ do hai thanh trượt này quyết định, nếu như được lắp song song thì máy dẽ chạy trơn tru và không có vấn đề gì, còn nếu lắp bị lệch thì trong quá trình chạy sẽ phát sinh các sai số hoặc nếu hai tranh trượt lắp quá lệch nhau thì

cả trục X sẽ không thể hoạt động được

Một thanh vít me được gắn trực tiếp từ động cơ bước và đước cố định trên khung cảu trục Z để dẫn đọng cho cả phần trục X Thanh vít me này cũng được gắn owr giữa và song song với cả hai thanh trượt

Hình 2.4 trục X gồm hai tranh trượt tròn và vít me 2.3.2 Trục Y

Trục Y là trục có chuyển động tiến lùi của máy, sẽ được gắn với mặt bàn để gá phôi

Cấu tạo cảu trục Y cũng tương đương với cấu tạo cảu trục X Nó cũng bao gồm hai tranh trượt tròn được cố định hai đầu bằng các gối đỡ và hai thanh trượt đêu song song với nhau

Hình 2.5 Hình ảnh thực tế của trục Y

Và để dẫn động cho mặt bàn thì cũng sử dụng một thanh vít me được nối trực tiếpmột đầu với động cơ bước, đầu còn lại sẽ được chạy qua một đai ốc được gắn cốđịnh vào phía bên dưới của bàn phay sao cho thanh vít me ở giữa và song song vớihai thanh trượt tròn

2.3.3 Trục Z

Trục Z là trục có chuyển động lên xuống, có phương vuông góc với bàn mặt bànphay và trục để gắn mô tơ DC775 và mũi dao phay

Cấu tạo ẩu truc cũng tương tự như cảu hai trục X và Y, bao gồm hai thanh trượt tròn

và một thanh vít me có chiều dài bằng nhau và được lắp song song với nhau Một gá

đỡ mô tơ sẽ được gắn vào hai thanh trượt của trục Z , một mô tơ DC775 được gắn

cố định vào gá đỡ, và đầu cảu mô tơ DC775 sẽ được được gắn với mũi dao phayhay mũi khoan

Hình 2.6 Hình ảnh thực tế của trục Z

Hình 2.7 Hình ảnh máy hoàn chỉnh

* Ưu nhược điểm của việc cho bàn chuyển động theo trục Y và cho trục X đứng yên:

Ưu điểm : vì là máy cnc mini nên có kích thước nhỏ, khung của máy nhỏ nên khi đểcho bàn phay chuyển động sẽ giảm được các sai số khi phay, vì khi máy hoạt động, motor DC775 sẽ hoạt động với tốc độ rất lớn (12000 vòng/phút) sẽ tạo ra rung lắc nhất định cho toàn bộ máy Chính vì thế nên sẽ gây ra sai số và phay sẽ bị lỗi.Nhược điểm: Kích thước của bàn phay sẽ bị hạn chế một phần do phụ thuộc vào vị trí đặt trục X

2.4 MẠCH ARDUINO

2.4.1 Tổng quan về Arduino

Giới thiệu về Arduino:

Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lí VAR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32bit Những mode hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào Analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau

Được giới thiệu vào đầu năm 2005, những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên

và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương thích với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành Nhưng ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm robot đơn giản, điểu khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho aduino bằng ngôn ngữ C hoặc NC++

2.4.2 Mạch Arduino Uno r3

2.4.2.1 Arduino Uno R3

Arduino Uno được xây dựng với phân nhân là vi điều khiển ATmega328P sử dụng thạch anh có chu kì dao động là 16 MHz Với vi điều khiển này, ta có tổng cộng 14 pin (ngõ) ra / vào được đánh số từ 0 tới 13 (trong đó có 6 pin PWM, được đánh dấu

~ trước mã số của pin) Song song đó, ta có thêm 6 pin nhận tín hiệu analog được

đánh kí hiệu từ A0 - A5, 6 pin này cũng có thể sử dụng được như các pin ra / vào bình thường (như pin 0 - 13) Ở các pin được đề cập, pin 13 là pin đặc biệt vì nối trực tiếp với LED trạng thái trên board.

Trên board còn có 1 nút reset, 1 ngõ kết nối với máy tính qua cổng USB và 1 ngõ cấp nguồn sử dụng jack 2.1mm lấy năng lượng trực tiếp từ AC-DC adapter hay thông qua ắc-quy nguồn

Khi làm việc với Arduino board, một số thuật ngữ sau cần được lưu ý:

Flash Memory: bộ nhớ có thể ghi được, dữ liệu không bị mất ngay cả khi tắt điện

Về vai trò, ta có thể hình dung bộ nhớ này như ổ cứng để chứa dữ liệu trên board Chương trình được viết cho Arduino sẽ được lưu ở đây Kích thước của vùng nhớ này thông thường dựa vào vi điều khiển được sử dụng, ví dụ như ATmega8 có 8KBflash memory Loại bộ nhớ này có thể chịu được khoảng 10,000 lần ghi / xoá

RAM: tương tự như RAM của máy tính, sẽ bị mất dữ liệu khi ngắt điện nhưng bù lại tốc độ đọc ghi xoá rất nhanh Kích thước nhỏ hơn Flash Memory nhiều lần.EEPROM: một dạng bộ nhớ tương tự như Flash Memory nhưng có chu kì ghi / xoá cao hơn - khoảng 100,000 lần và có kích thước rất nhỏ Để đọc / ghi dữ liệu ta có thể dùng thư viện EEPROM của Arduino

Ngoài ra, board Arduino còn cung cấp cho ta các pin khác nhau như pin cấp nguồn 3.3V, pin cấp nguồn 5V, pin GND

Dòng ra trên mỗi chân tối đa 40mA

Dòng ra trên chân 3v3 tối đa 150mA

Dung lượng bộ nhớ Flash 32 KB – ATmega328 ( 0.5 KB sử dụng

a Các chân năng lượng

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương củanguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

b Bộ nhớ

Vi điều khiển Atmega328 tiêu chuẩn cung cấp cho người dùng:

32KB bộ nhớ Flash: những đoạn lệnh bạn lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùngcho bootloader nhưng đừng lo, bạn hiếm khi nào cần quá 20KB bộ nhớ này đâu.2KB cho SRAM (Static Random Access Memory): giá trị các biến bạn khai báo khilập trình sẽ lưu ở đây Bạn khai báo càng nhiều biến thì càng cần nhiều bộ nhớ RAM Tuy vậy, thực sự thì cũng hiếm khi nào bộ nhớ RAM lại trở thành thứ mà bạn phải bận tâm Khi mất điện, dữ liệu trên SRAM sẽ bị mất

1KB cho EEPROM (Electrically Eraseble Programmable Read Only Memory): đây giống như một chiếc ổ cứng mini – nơi bạn có thể đọc và ghi dữ liệu của mình vào đây mà không phải lo bị mất khi cúp điện giống như dữ liệu trên SRAM

Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P:

c Nguồn

Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC

Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng là 7 –

12 V (tốt nhất là 9V) Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở ‘chân 5V’  có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng

Các chân nguồn trên Uno:

-  Vin : chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này Cách cấp nguồn này ít được sử dụng

-  5V : Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno Việc cấp nguồn vào chân này hay chân 3.3 V đều có thể phá hỏng bo mạch

-  3.3V : Chân này cho nguồn 3.3 V và dòng điện maximum là 50mA

-  GND: chân nối đất

d Các cổng vào/ra

Hình 2.9 Các cổng vào/ra

Arduino UNO có 14 chân digital dùng để đọc hoặc xuất tín hiệu Chúng chỉ

có 2 mức điện áp là 0V và 5V với dòng vào/ra tối đa trên mỗi chân là 40mA Ở mỗi chân đều có các điện trở pull-up từ được cài đặt ngay trong vi điều khiển

ATmega328 (mặc định thì các điện trở này không được kết nối)

Một số chân digital có các chức năng đặc biệt như sau:

 2 chân Serial: 0 (RX) và 1 (TX): dùng để gửi (transmit – TX) và nhận

(receive – RX) dữ liệu TTL Serial Arduino Uno có thể giao tiếp với thiết bị khác thông qua 2 chân này Kết nối bluetooth thường thấy nói nôm na chính

là kết nối Serial không dây Nếu không cần giao tiếp Serial, bạn không nên

sử dụng 2 chân này nếu không cần thiết

 Chân PWM (~): 3, 5, 6, 9, 10, và 11: cho phép bạn xuất ra xung PWM với độphân giải 8bit (giá trị từ 0 → 28-1 tương ứng với 0V → 5V) bằng hàm analogWrite() Nói một cách đơn giản, bạn có thể điều chỉnh được điện áp ra

ở chân này từ mức 0V đến 5V thay vì chỉ cố định ở mức 0V và 5V như những chân khác

 Chân giao tiếp SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Ngoài các chức năng thông thường, 4 chân này còn dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác.

 LED 13: trên Arduino UNO có 1 đèn led màu cam (kí hiệu chữ L) Khi bấm nút Reset, bạn sẽ thấy đèn này nhấp nháy để báo hiệu Nó được nối với chân

số 13 Khi chân này được người dùng sử dụng, LED sẽ sáng

 Arduino UNO có 6 chân analog (A0 → A5) cung cấp độ phân giải tín hiệu 10bit (0 → 210-1) để đọc giá trị điện áp trong khoảng 0V → 5V Với chân AREF trên board, bạn có thể để đưa vào điện áp tham chiếu khi sử dụng các chân analog Tức là nếu bạn cấp điện áp 2.5V vào chân này thì bạn có thể dùng các chân analog để đo điện áp trong khoảng từ 0V → 2.5V với độ phân giải vẫn là 10bit

Đặc biệt, Arduino UNO có 2 chân A4 (SDA) và A5 (SCL) hỗ trợ giao tiếp I2C/TWIvới các thiết bị khác

2.4.2.3 Ứng dụng

 Arduino Uno R3 được ứng dụng rất mạnh mẽ trong cả học tập và chế tạo sảnphẩm, từ những thiết bị đơn giản đến phức tạp

 Ứng dung trong học tập : Điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lý tín hiệu cho

xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ – độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD …

 Ứng dụng trong đời sống : Làm thiết bị nhà thông minh, khóa của tự động, làm sản phẩm nông nghiệp thông minh …

 Ứng dụng trong công nghiệp : Hiện nay Arduino được sử dụng khá nhiều trong công nghiệp vì giá thành của nó khá tốt , độ ổn định cao

 Arduino Uno là board mạch rất phổ biến trong các dòng Arduino hiện nay, bạn chỉ cần kết nối

 Arduino với máy tính PC hoặc Laptop bằng cáp USB là đã có thể sử dụng vànạp code cho nó một cách rất dễ dàng

Lưu ý : Điện áp khuyên dùng cho arduino khi cấp nguồn ngoài là từ 7-12v , không nên dùng với điện áp vao hơn có thể gây hư hỏng mạch

2.5 Mạch CNC SHIELD

Arduino CNC Shield V3 là board mở rộng của Arduino UNO R3 dùng để điều khiển các máy CNC mini Board có 4 khay dùng để cắm các mô đun điều khiển động cơ bước A4988, khi đó board có thể điều khiển3 trục X, Y, Z và thêm một trục thứ 4 tùy chọn trên các máy CNC mini

Ứng dụng làm máy khắc, CNC , máy in 3D và nhiều ứng dụng mở rộng khác

Đặc Điểm Nổi Bật:

Tương thích GRBL (mã nguồn mở chạy trên Arduino UNO R3 để điều khiểnCNC mini)

Hỗ trợ lên tới 4 trục (trục X, Y, Z và một trục thứ tư tùy chọn)

Hỗ trợ tới 2 Endstop cho mỗi trục

Tính năng điều khiển spindle, công suất laser

Tính năng điều khiển dung dịch làm mát khi máy hoạt động

Sử dụng các mô đun điều khiển động cơ bước, giúp tiết kiệm chi phí khi thay thế, nâng cấp

Thiết lập độ phân giải bước động cơ bằng jump đơn giản

Thiết kế nhỏ gọn, các đầu nối tiêu chuẩn thông dụng

Điện áp nguồn cấp đa dạng từ 12V tới 36V

Hình 2.10 Mạch CNC sheild

Chú ý: Đối với grbl v0.8 và v0.9 chân Variable Spindle PWM và chân Limit Z-Axisđổi chổ cho nhau, tức chân PWM bây giờ là chân 12 và ngược lại Limit Z là chân11

2.6 DRIVER A4988

Driver động cơ A4988

Hình 2.11 Driver động cơ A4988

Driver động cơ A4988 là driver điều khiển động cơ bước cực kỳ nhỏ gọn, hổ trợ nhiều chế độ làm việc, điều chỉnh được dòng ra cho động cơ, tự động ngắt điện khi quá nóng A4988 hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động của động cơ bước lưỡng cực như: Full, Half,  1.4,  1.8 và 1.6

2.6.1 Thông số kỹ thuật

Công suất ngõ ra lên tới 35V, dòng đỉnh 2A

Có 5 chế độ: full bước, 1.2 bước, 1.4 bước, 1.8 bước, 1.16 bước

Điểu chỉnh dòng ra bằng triết áp, nằm bên trên Current Limit = VREF × 2.5

Driver động cơ có sẵn miếng tản nhiệt giúp cho động cơ giải nhiệt tốt và tăng tuổi thọ cho động cơ

Tự động ngắt điện khi quá nhiệt

2.6.2 Cách sử dụng

Lựa chọn chế độ full hay 1.2 hay 1.4 sẽ được thông qua 3 pin MS1 MS2 MS3 Mình thường nối thẳng 3 pin này với công tắc bit 3p để dễ thiết lập từ trên phần cứng Lưu ý là nếu thả nổi 3 pin này tức là mode full step

Bật tắt động cơ thì thông qua pin ENABLE, mức LOW là bật module, mức HIGH

là tắt module

Điều khiển chiều quay của động cơ thông qua pin DIR

Điều khiển bước của động cơ thông qua pin STEP, mỗi xung là tương ứng với 1 bước ( hoặc vi bước)

Hai chân Sleep với Reset luôn nối với nhau

Kết nối giữa một vi điều khiển nói chung với A4988:

Kết nối giữa A4899 với Board  Arduino UNO R3

2.7.NGUỒN 12V – 21.5A

Hiện nay có nhiều mức công suất nguồn khác nhau và phổ biến hiện nay phải

kể đến là 5v, 12v, 24v, Tuy nhiên trong các nguồn phổ biến hiện nay thì nguồn 12v được sử dụng phổ biến nhất cũng như mang đến hiệu quả cao nhất khi sử dụng

Hình 2.12 Nguồn 12 v DC

Nguồn 12v với chức năng chính là chuyển đổi dòng điện từ 2 chiều tại nguồn điện dân dụng 220v thành nguồn điện 1 chiều với công suất đạt 12v Chức

năng này là chức năng quan trọng nhất của nguồn này để đảm bảo việc sử dụng đạt hiệu quả cao nhất.

2.8 STEP MOTER

2.8.1 Step moter là gì?

Step moter hay còn gọi là động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý

và ứng dụng khác biệt với đa số các loại động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor và những vị trí cần thiết

Hình 2.13 Hình ảnh thực tế

2.8.2 Cấu tạo

Như hình minh họa: bên trong động cơ bước có 4 cuộn dây Stator được sắp xếp theo cặp đối xứng qua tâm Rotor là nam châm vĩnh cửu có nhiều răng Động cơ bước hoạt động trên cơ sở lý thuyết điện-từ trường: các cực cùng dấu đẩy nhau và các cực khác dấu hút nhau Chiều quay được xác định bởi từ trường của Stator, mà

từ trường này là do dòng điện chạy qua lõi cuộn dây nên Khi hướng của dòng điện thay đổi thì cục từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo chiều)

Hình 2.14 Bên trong động cơ bước

Động cơ bước làm việc được là nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào Stator theo một thứ tự nhất định và một tần số nhất định Tổng số góc quay của Rotor tương ứng với tần số chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc

độ quay của Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

Nếu xét trên phương diện dòng điện, khi một xung điện áp đặt vào cuộn dây Stator (phần ứng) của động cơ bước, thì Rotor ( phần cảm ) của động cơ sẽ quay đi một

góc nhất định, góc ấy là một bước quay của động cơ Ở đây ta có thể định nghĩa về góc bước (Step Angle ) là độ quay nhỏ nhất của một bước do nhà sản xuất quy định.Khi các xung điện áp đặt vào cấc cuộn dây phần ứng thay đổi liên tục thì Rotor sẽ quay liên tục (thực chất chuyển động đó vẫn thao các bước rời rạc).

Hình 2.15 Cấu tạo của động cơ bước

Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay thiết bị) số(Digital device )mà ở đó các thông tin được số hóa đã thiết lập sẽ được chuyểnthành chuyển động quay theo từng bước Động cơ bước sẽ thực hiện trung thànhcác lệnh đã số hóa mà máy tính yêu cầu

Hình 2.16 Một xung tương ứng với một bước của Rotor (1 xung – 1 bước)

Hình 2.17 Mô tả tương quan giữa quá trình điện và quá trình của động cơ bước

2.8.3 Nguyên lý làm việc chung của động cơ bước

Khác với động cơ đồng bộ thông thương, Rotor của động cơ bước không có cuộn dây khởi động mà nó được khởi động bằng phương pháp tần số Rotor của động cơ bước có thể được kích thích (Rotor tích cực) hoặc không được kích thích (Rotor thụ động)

Xung điện áp cấp cho cuộn dây Stator có thể là xung một cực hoặc hai cực:

Hình 2.18 Xung điện áp

Chuyển mạch điện tử có thể cung cấp điện áp điều khiển cho các cuộn dây Statortheo từng cuộn riêng lẻ, hoặc theo từng nhóm các cuộn dây Trị số cũng như lựcđiện từ tổn F phụ thuộc vào vị trí của các lực điện từ thành phần Do đó vị trí Rotorcủa động cơ bước trong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấpđiện cho các cuộn dây:

Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor 2 cực lực điện từ khi điều

khiển bằng xung 1 cực

 Hình 2.19 Vẽ sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với Rotor có 2 cực(2p=2) và không được kích thích Nếu các cuộn dây của động cơ bước đượccấp điện cho từng cuộn dây riêng lẻ theo thứ tự 1,2,3, m, bởi xung một cực,thì Rotor của động cơ bước có m vị trí ổn định cùng với trục của các cuộndây

 Để tăng cường lực điện từ tổng của Stator do đó tăng từ thông và momentđồng bộ, ta cấp điện đồng thời cho hai, ba hoặc nhiều cuộn dây Lúc đóRotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng (ổn định) trùng với vector lựcđiện từ tổng F Đồng thời lực điện từ tổng F cũng có giá trị lớn hơn lực điện

từ thành phần của các cuộn day Stator

 Hình b vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số chẵncuộn dây(2 cuộn dây) Lực điện từ tổng F có trị số lớn hơn và nằm ở vị tríchính giữa hai trục của hai cuộn dây

 -Hình c: vẽ lực điện từ tổng F khi cung cấp điện đồng thời cho một số lẻcuộn dây (3 cuộn dây) Lực điện từ tổn F nằm trùng với trục của một cuộndây và cũng có trị số lớn hơn

 Tóm lại, trong cả hai trường hợp cấp điệncho một số chẵn cuộn dây và cấpđiện cho một số lẻ cuộn dây Rotor của động cơ bước sẽ co m vị trí cân bằng.Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của Rotor bằng 2pi/m Trường hợp nàygọi là điều khiển không đối xứng, hay điều khiển nửa bước (half step)

 Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chắncuộn dây hoặc một số lẻ cuộn dây, ví dụ hình 2.b hoặc hình 2.c) thì Rotor có

m vị trí cân bằng và được gọi là điều khiển đối xứng, hay điều khiển cảbước(full step)

2.8.4 Ưu điểm, nhược điểm của động cơ bước

 Motor bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước do lực từ trên namchâm vĩnh cửu đã yếu nên cho vị trí không chính xác hoặc nguồn điện cấpvào không đủ (VD : động cơ bước có góc bước 1.8 độ nên cần 200 xung thì

quay đủ 1 vòng tuy nhiên nếu có hiện tượng trượt bước thì cần nhiều hơn 200xung mới đủ 1 vòng).

 Nhược điểm thứ 2 của động cơ bước đó là ồn và nóng lên khi hoạt động, điềunày là hoàn toàn bình thường đối với động cơ bước vì bản thân nó được thiết

kế để chịu được sức nóng như vậy Đối với các driver điều khiển động cơbước thế hệ mới nhất thì độ ồn và nóng của động cơ đã giảm đáng kể

 Ngược lại thì ưu điểm của động cơ bước đó chính là khả năng cung cấpmoment xoắn cực lớn ở dải vận tốc thấp và trung bình, khá bền bỉ, thay thế dễdàng và giá thành thấp, chúng ta có thể tham khảo đường đặc tuyến momen /tốc độ của động cơ bước 86HBP thì tại dải tốc độ 200rpm moment đã bắt đầugiảm, tới tốc độ 1000 rpm thì moment xoắn chỉ còn 1/3, bởi vậy không nêndùng động cơ bước ở các ứng dụng đòi hỏi tốc độ cao và gia tốc lớn nếukhông muốn mất tiền oan nhé Nhìn chung thì tốc độ giảm moment tỉ lệ thuậnvới tốc độ động cơ

2.8.5 Phân loại

 Động cơ bước được chia làm hai loại, nam châm vĩnh cửu và biến từ trở(cũng có loại động cơ hỗn hợp,nhưng nó không khác biệt gì với động cơ namchâm vĩnh cửu).Nếu mất đi nhãn động cơ chũng ta vẫn có thể phân loại động

cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng

 Động cơ nam châm vĩnh cửu dường như có các nấc khi dùng tay xoay nhẹrotor của chúng, trong khi động cơ biến từ trở thì dường như xoay tự do(mặc

dù cảm thấy chúng cũng có nấc nhẹ sự giảm từ tính trong rotor) bạn cũng cóthể phân biệt hai loại động cơ này bằng ohm kế

 Động cơ biến từ trở thường có 3 mấu, với một dây về chung, trong khi đó,động cơ nam châm vĩnh cửu thường có hai mấu phân biệt, có hoặc không có

nút trung tâm Nút trung tâm được dùng trong động cơ nam châm vĩnh cửuđơn cực.

 Động cơ bước phong phú về góc quay Các động cơ kém nhất quay 90 độ mỗibước, trong khi đó các động cơ nam châm vĩnh cửu xử lý cao thường quay1.8 độ đến 0.72 độ mỗi bước.Với một bộ điều khiển, hầu hết các loại động cơnam châm vĩnh cử và hỗn hợp đều có thể chạy ở chế độ nửa bước, và một vài

bộ điều khiển có thể điều khiển các phân bước nhỏ hơn hay còn gọi là vibước

 Đối với cả động cơ nam châm vĩnh cửu hoặc động cơ biến từ trở, nếu chỉ mộtmấu của động cơ được kích, rotor (ở không tải) sẽ nhảy đến một góc cố định

và sau đó giữ nguyên ở góc đó cho đến khi moment xoắn vượt qua giá trịmoment xoắn giữ (hold torque) của động cơ

2.8.6 Ứng dụng

 Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa radưới tín hiệu số

 Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành Tự động hóa, chúng đượcứng dụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ :Điều khển robot,điều khiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệquan trắc, điều khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiểnlập trình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương

và chiều trong máy bay…

 Trong công nghệ máy tính, động cơ bước được sử dụng cho các loại ổ đĩacứng, ổ đĩa mềm, máy in…