Thiết kế và chế tạo hệ thống cam điện tử điều khiển số

Nội dung text: Thiết kế và chế tạo hệ thống cam điện tử điều khiển số

1. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CAM ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN SỐ DESIGN AND MANUFACTURE ELECTRONIC CAM SYSTEM NUMERICAL CONTROL Lê Quang Hiền Đại học Nông Lâm TP.HCM TÓM TẮT Cam cơ khí là một thiết bị được sử dụng nhiều trong máy móc công nghiệp. Nó biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để điều khiển các cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, cam cơ khí có một số nhược điểm là thiếu linh hoạt, tốn nhiều thời gian để thay đổi thông số cam, làm mài mòn các chi tiết máy Nên ngày nay người ta đã phát minh ra cam điện tử để khắc phục nhược điểm trên của cam cơ khí. Trong đề tài này, mô hình cam điện tử là một thiết bị có nguyên lý hoạt động giống với cam cơ khí. Mô hình cam điện tử dựa vào nhưng thông số cơ bản của cam cơ khí để tạo ra chuyển động tịnh tiến giống với cam cơ khí. Với cam điện tử này có thế thay thế được cam cơ khí trong các cơ cấu máy móc. ABSTRACT Mechanical cams are common components using in industrial machines. They transfer rotational motion to transitivity motion to control actuator. However, mechanical cams have some drawbacks that are inflexible, time consumption for changing cam parameters, and mechanical wear problem. Nowadays, electronic cams appear as ideal solutions to overcome the current drawbacks of mechanical cam. In this research, the electronic cam model has same operation function of mechanical cams. It uses the fundamental parameters of mechanical cams to create transitivity motion like original cam. Therefore, these electronic cams can replace mechanical cam in several of mechines. I. GIỚI THIỆU giữ vai trò quan troṇ g trong liñ h vưc̣ Viêṭ Nam đang trên đà phát triển chế taọ chi tiết máy đăc̣ biêṭ trong sản thưc̣ hiêṇ quá trình công nghiêp̣ hoá , xuất chế taọ hàng loaṭ . hiêṇ đaị hoá đất nước , chính vì vậy Để sản xuất chế tạo hàng loạt thì những năm gần đây ngành cơ khí ở có nhiều cách, và một trong những nước ta rất đươc̣ coi troṇ g và đầu tư cách đó là ta sử dụng cơ cấu cam để phát triển. Ngành cơ khí chế tạo máy tiến hành sản xuất chế tạo. Cơ cấu bao gồm nhiều công đoaṇ , nhiều cam cơ khí hiện nay được sử dụng rất ngành trong đó ngành gia công cơ khí là rộng rãi nhưng nó ẫ v n còn có một
2. số nhược điểm đó là khi cần thay đổi kích thước chi tiết gia công hoặc khi cam bị mòn thì ta phải thay cam mới. Mà công đoạn thay cam mới rất là tốn thời gian và tiền bạc. Để giải quyết vấn đề đó thì ta cần phải chế tạo ra một cơ cấu cam mới có thể thay đổi kích thước cam dễ dàng và nhanh chóng nhưngạ l i giảm bớt chi phí. Đó là lí do em chọn đề tài Hình 1. Biên dạng cam cần tạo ra nghiên cứu và chế tạo hệ thống cam Đề đạt được mục tiêu của đề tài đặt điện tử điều khiển số. ra là thiết kế và chế tạo cam mà khi cần Ở Việt Nam, chỉ có một đề tài thay thế một cam mới mà không cần tháo nghiên cứu về cam điện tử là: Mô hình ra mà chỉ cần thay đổi trên phần mềm là thí nghiệm cam điện tử do học viên cao ta có một cam mới theo yêu cầu. Đồng học Lê Thanh Phúc bảo vệ tại hội đồng thời mô hình cam điển tử cần thiết kế khoa Cơ Khí trường Đại học Sư Phạm phải thực hiện vừa chuyển động quay Kỹ Thuật TP.HCM năm 2012. giống với cam cơ khí đồng thời phải có II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU chuyển động tịnh tiến để tạo ra cam. Để Phương pháp nghiên ứ c u gồm hai thực hiện được điều đó thì tôi đã thiết kế phần chính: mô hình cam điện tử như sau:  Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu.  Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành tính toán, thiết kế, chế tạo và đánh giá ửth nghiệm mô hình cam điển tử. III. KẾT QUẢ 1. Thiết kế mô hình cam điện tử Hiện nay thì hình dạng cam trên thị trường rất là đa ạd ng. Vì vậy để tạo ra tất cả các biên dạng cam có trên thì trường là Hình 2. Mô hình cam điện tử vấn đề nan giải. Do đó trong đề tài này Trong đó: em chỉ tao ra biên dạng cam như hình 1: Động cơ quay trục vitme sau: 2: Động cơ quay đĩa tạo ra cam 3: Trục vitme 4: Đĩa để tạo ra biên dạng cam (biên dạng tròn) Mô hình 3D của cam điện tử
3.  θ: góc nâng ủc a cam. Thời gian để đi hết một góc nâng cam là: .휃 = . 휃 360 Với động cơ bước có số bước là 200P/R thông qua Driver chọn chế độ điều khiển nữa bước tức là ta cấp một xung điều khiển thì động cơ sẽ quay được 0,90, vitme có bước là t = 4mm. Gọi x là quãng đường bàn máy vitme đi được khi ta cấp một xung điều khiển Hình 3. Mô hình 3D của cam điện tử cho động cơ. Khi đó x có giá trị: Trong mô hình cam điển tử ở hình 3 푡 4 = = = 0.01 thì hai động cơ được sử dụng là động cơ 400 400 bước có số bước là 200P/R. Một động cơ Vận tốc của ban trượt vitme là: được nối trực tiếp với vitme bi để quay 푣 = bàn máy chạy tới chạy lui.Trên bàn máy 휏 Với τ là chu kì phát xung cho động được gắn một động cơ bước khác dùng cơ qua vitme. để quay đĩa tròn tạo ra biên dạng cam. Khi đĩa quay chưa quay vào góc Vitme bi có bước vít là t = 4 mm, đĩa có nâng cam thì khoảng nâng cam bằng 0. đường kính là 70 mm. Khi đĩa quay bắt đầu quay vào góc nâng 2. Tính toán mối liên hệ giữa các cao thì khoảng nâng cam sẽ thay đổi. Khi thông số đầu vào và đầu ra đĩa quay quay đến nữa góc nâng cam (tức 휃 là góc ) thì khoảng nâng cam được được Để thiết kế và chế tạo được mạch 2 điều khiển cam điển tử thì ta cần phải biết giá trị lớn nhất X. được các thông số liên qua đến cam. Khi đĩa quay quay được một góc θi trong góc nâng cam thì khoảng nâng cam sẽ bằng: 2.θi.X X = (1) i θ Vậy khi ta cấp một xung cho động cơ quay đĩa thì ầ c n cấp bao nhiêu xung cho động cơ quay vitme? Khi ta cấp 1 xung cho động cơ quay đĩa thì động cơ sẽ quay được 0,90. Tức là 0 góc 휃푖 = 0,9 . Từ công thức (1) trên thì ta có khoảng nâng cam cũng đồng thời là khoảng dịch chuyển của bàn máy vitme Hình 4. Các thông số của cam điện tử là: Các thông số cơ bản của cam điện tử bao gồm: 2. 0,9 .X Xi = (2)  R: bán kính của đĩa cam (mm). θ Gọi n là số xung cần cấp cho động  T: là thời gian đĩa quay hết 1 cơ quay vitme để đi được một đoạn Xi là: vòng (s). 400. 400.1,8.  X: là khoảng nâng của cam 푛 = 푖 = (mm). 푡 휃. 푡
4. Tổng quát lên khi ta cấp m xung cho động cơ quay đĩa thì phải cấp cho động cơ quay vitme là: 400.1,8. 720. 푛 = . = . 휃. 푡 휃. 푡 Khi ta biết được góc nâng cam và khoảng nâng cam thì ta sẽ tính được số xung cần điều khiển cho hai động cơ. 3. Thiết kế mạch điều khiển Sơ đồ khối mạch điều khiển: Hình 5. Sơ đồ khối mạch điều khiển Nguyên lý hoạt động: Khi bận công tắc nguồn lên, ta nhấn nút set để đưa về vị trí ban đầu. Sau đó ta nhập các thông số của cam điện tử vào rồi nhấn OK lúc này vi điều khiển sẽ tính toán thời gian và thông số của cam để điều khiển động cơ quay để tạo ra cam cần mong muốn. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển: Hình 6. Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển 4. Kết quả phần cứng Sau khi chế tạo xong mô hình cam điện tử như sau: Hình 7. Mô hình cam điện tử
5. Mạch điều khiển cam điện tử như sau: Lần T(s) T(s) Sai số đo (10 (1 tuyệt vòng) vòng) đối 1 10,37 1,037 0,037 2 10,37 1,037 0,037 3 10,40 1,040 0,040 4 10,28 1,028 0,028 5 10,30 1,030 0,030 6 10,38 1,038 0,038 7 10,30 1,030 0,030 8 10,38 1,038 0,038 Hình 8. Mạch điều khiển cam điện tử 9 10,39 1,039 0,039 10 10,43 1,043 0,043 5. Khảo nghiệm 11 10,39 1,039 0,039 Sau khi đã có mô hình cam điện tử 12 10,38 1,038 0,038 hoàn chỉnh thì ta tiến hành khảo nghiệm 13 10,42 1,042 0,042 để xem xét sự sai lệch giữa các thông số 14 10,40 1,040 0,040 ta nhập vào với kết quả đo đạt được từ đó 15 10,31 1,031 0,031 ta tính sai số của cam điện tử. Từ sai số Trung 10,37 1,037 0,037 đó ta xem xét coi có khả năng ứng dụng bình ngoài thực tiễn hay không hay cần cải Bảng 1. Bảng số liệu đo thời gian quay tiến để nâng cao độ chính xác. đĩa T ứng với giá trị nhập vào T = 1s Hai thông số quan trọng ta cần quan tâm đối với mô hình cam điện tử đó là thời gian T để đĩa quay hết một vòng và khoảng nâng X của cam. Để đo được thời gian đĩa quay hết một vòng thì ta cần dùng đồng hồ bấm giờ còn để đo khoảng nâng thì ta dùng đồng hồ so có độ chính xác là 0,01mm. Để đo khoảng nâng X của cam điện tử thì ta đặt đồng hồ so để đo độ dịch Hình 9. Biểu đồ thể hiện sai lệch giữa chuyển lên của cam điện tử. thời gian đo được và nhập vào (T =1s) 6. Kết quả khảo nghiệm Dựa vào bảng số liệu và biểu đồ trên Sau khi nhập các thông số của cam thì ta thấy độ chênh lệch giữa giá trị nhập điện tử vào (với T = 1s; X = 1mm; θ = vào so với giá trị đo được trong 15 lần đo 0 36 ) thì ta tiến hành đo thời gian T thì ta là 0,037. Suy ra sai số tương đối là có bảng số liệu sau: khoảng 3,7%. Sau khi nhập các thông số của cam điện tử vào (với T = 1s; X = 1mm; θ = 360) thì ta tiến hành đo khoảng nâng X thì ta có bảng số liệu sau:
6. Sai Sai Trong trường hợp X = 1mm, T = 2s X(mm) X(mm) Lần số số 0 T=2s T=2s và θ = 18 thì sai số tuyệt đối là 0,021suy đo tuyệt tuyệt θ = 360 θ = 180 ra sai số tương đối là 2,1%. đối đối IV. THẢO LUẬN 1 1,02 0,02 1,02 0,02 Dựa vào bảng số liệu đo thời gian đĩa 2 1,02 0,02 1,02 0,02 3 1,03 0,03 1,03 0,03 quay hết một vòng ta thấy ứng với mỗi 4 1,02 0,02 1,03 0,03 giá trị thời gian nhập vào khác nhau thì sẽ 5 1,02 0,02 1,01 0,01 có sai số khác nhau. Nhìn chung thì sai số 6 1,03 0,03 1,02 0,02 tuyệt đối nhỏ nên làm cho sai số tương 7 1,02 0,02 1,02 0,02 đối nhỏ nên kết quả chấp nhận được. 8 1,03 0,03 1,02 0,02 Nguyên nhân dẫn đến sai số có thể do 9 1,02 0,02 1,02 0,02 người đo, động cơ, chương trình điều 10 1,03 0,03 1,02 0,02 khiển Để khắc phục sai số thì ta có thể Trung 1,024 0,024 1,021 0,021 dùng cảm biến để kiểm tra hay thử tối ưu bình Bảng 2. Bảng số liệu về khoảng nâng X hóa chương trình hay thay động cơ tốt ứng với giá trị nhập X = 1mm hơn để giảm sai số hơn nữa. Dựa vào bảng số liệu về khoảng nâng X thì với các khoảng nâng ta nhập vào khác nhau nhưng sinh ra các sai số gần giống nhau. Sai số này có thể do sai số của vitme, động cơ bước bị trượt bước, do dụng cụ đo hay do người đo Để khắc phục sai số khoảng nâng thì ta dùng các động cơ bước có độ chính xác cao hơn hay sử dụng động cơ servo, sử dụng Hình 10. Biểu đồ thể hiện sai lệch các thiết bị đo tự động hay chọn vitme tốt giữa khoảng nâng đo được và nhập vào hơn không có độ rơ, Trong trường hợp X = 1mm, T = 2s V. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ và θ = 360 thì sai số tuyệt đối là 0,024 suy 1. KẾT LUẬN ra sai số tương đối là 2,4%. Luận văn sau khi hoàn thành đạt được những kết quả sau đây:  Chế tạo được mô hình cam điện tử  Thiết kế và chế tạo mạch điều khiển cam điện tử nhỏ gọn chạy ổn định.  Viết chương trình điều khiển cho mô hình cam điện tử.  Tiến hành khảo nghiệm để lấy kết quả hoạt động của cam để đánh giá sai số Hình 11. Biểu đồ thể hiện sai lệch  Mô hình cam điển tử hoạt động giữa khoảng nâng đo được và nhập vào ổn định và đạt độ chính xác theo yêu cầu.
7. 2. ĐỀ NGHỊ Để có thể sản xuất được cam điện tử cung cấp cho thị trường thì cần phải phải phát triển thêm theo những hướng sau:  Chế tạo mô hình cam gọn nhỏ hơn nữa.  Sử dụng các động cơ hoạt động tốc độ cao hơn và đạt độ chính xác cao hơn.  Sử dụng vitme nhỏ, gọn và chính xác cao.  Sử dụng các họ vi điều khiển cao cấp hơn để điều khiển dễ và chính xác hơn.  Chế tạo ra cam điện tử đa năng có thể sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau.
8. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP.HCM, 2004. 2. Lê Hiếu Giang, Nguyễn Trường Thịnh, Máy điều khiển theo chương trìnhsố (NC, CNC), Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, 2005. 3. Văn Thế Minh, 1997. Kỹ thuật vi xử lý. Nhà xuất bản Giáo Dục. 4. Giáo trình nguyên lý máy – Vương Thành Tiên, Trương Quang Trường. 5. Ahmet Altintas, Electronic cam motion generation by using stepper motors and pinion gears, Dumlupinar University, 2009. 6. Ikuo Nagamatsu, Shigenori Ohkubo, Electronic cam device and method of preparing cam data in electronic cam device, 2002. 7. Masao Ikeguchi, Method of controlling an electronic cam type rotary utter, and method of producing an electronic cam curve, 2000 Thông tin liên lạc tác giả chính: Họ tên: Lê Quang Hiền Đơn vị: Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM Điện thoại: 0938356774 Email: lequanghien_86@yahoo.com
9. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.