Máy quấn dây động cơ điện tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MÁY QUẤN DÂY ĐỘNG CƠ ĐIỆN TỰ ĐỘNG NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Nguyễn Vạn Quốc Sinh viên thực hiện Nguyễn Hoàn Tân Mã SV 1915781003 Lớp 19HDCA2 Sinh viên thực hiện Lê Văn Báu Mã SV 1916781001 Lớp 19LDDCA2 Sinh viên thực hiện Đặng Trung Thành Mã SV 1915781004 Lớp 19HDCA2 Tp HCM, ngày 24 tháng 9 năm 2021 GVHD Ths Nguyễn Vạn Quốc Đồ án tốt nghiệp SVTH Lê Văn Báu ii Đặng Trung Thành Nguyễn Hoàn Tân LỜI CẢ.

Cấu tạo chung

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại máy quấn dây điện với cấu tạo chung gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần điều khiển tự động và động cơ.

 Phần cơ khí bao gồm cơ cấu quấn dây, cơ cấu rải dây và cơ cấu nhả dây

 Phần động cơ điện bao gồm động cơ quấn dây và động cơ rải dây

 Phần điều khiển tự động bao gồm màn hình hiển thị, bàn phím giao tiếp giữa người và máy, bộ trung tâm xử lý chuyển đổi

SVTH: Lê Văn Báu 5 Đặng Trung Thành

Bộ phận thanh trượt tròn là thành phần thiết yếu trong mọi máy quấn dây, giúp máy hoạt động với chuyển động tịnh tiến nhẹ nhàng, trơn tru và chính xác Nhờ đó, máy có thể vận hành ở tốc độ cao và chịu lực tốt, đảm bảo chất lượng dây quấn thành phẩm đạt yêu cầu.

Ưu điểm của máy quấn dây tự động hiện nay

So với phương pháp quấn dây điện truyền thống, máy quấn dây đã cải thiện đáng kể năng suất lao động và chất lượng sản phẩm mà không tốn nhiều chi phí Chính vì vậy, ngày càng nhiều doanh nghiệp coi máy quấn dây là thiết bị thiết yếu trong dây chuyền sản xuất Máy quấn dây nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội.

Hình 1.3 Máy quấn dây tự động Viettrix VT-P200

 Cho phép quấn được tất cả loại dây điện khác nhau với chiều dài và kích thước linh hoạt

Tạo ra nhiều kiểu quấn dây đa dạng dễ dàng và thuận tiện thông qua bảng điều khiển Bạn có thể điều chỉnh các thông số như tốc độ, số vòng quấn và chiều rộng quấn để đạt được kết quả mong muốn.

 Vận hành tự động, ngay cả khi hoạt động ở tốc độ quấn cao

 Chất lượng dây quấn thành phẩm đồng đều, chính xác, tính thẩm mỹ cao

 Có khả năng lưu giữ chương trình đã được cài đặt sẵn

 Dừng tự động khi xảy ra sự cố trong quá trình hoạt động

 Năng suất làm việc cao

 Thiết kế đơn giản, nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng

 Máy có độ bền và tuổi thọ rất cao, ít xảy ra sự cố và sai sót trong quá trình làm việc

 Rút ngắn thời gian sản xuất, tiết kiệm hiệu quả chi phí nhân công và chi phí sản xuất thông thường

 Yếu tố góp phần làm giảm giá thành sản phẩm, gia tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường

Tự động hóa trong sản xuất giúp giảm chi phí và nâng cao năng suất lao động bằng cách ứng dụng công nghệ tiên tiến để chuyển giao hoạt động sản xuất từ con người sang máy móc Quá trình này yêu cầu ít sự can thiệp của con người nhờ vào các hệ thống điều khiển, giúp máy móc vận hành nhanh chóng và chính xác, thậm chí một số quy trình có thể hoàn toàn tự động.

Khảo sát các loại máy quấn dây điện từ bằng tay

Qua khảo sát thị trường, máy quấn dây điện từ tay quay là loại phổ biến nhất hiện nay Máy này có ưu điểm gọn nhẹ và làm việc chắc chắn, nhưng yêu cầu thao tác thủ công, đòi hỏi người sử dụng phải có kỹ năng tay nghề tốt và sự tập trung cao Hơn nữa, do không tự động hóa, quá trình làm việc với máy này thường tốn nhiều thời gian.

Hình 1.4 Máy quấn dây điện từ thủ công chỉ thị kim

Hình 1.5 Máy quấn dây điện từ thủ công chỉ thị số

Khảo sát các loại máy quấn dây điện từ hiện đại

Trong các nhà máy sản xuất máy điện như máy biến áp và động cơ điện, yêu cầu về năng suất và số lượng sản phẩm là rất cao Do đó, các máy quấn dây điện từ được thiết kế chuyên dụng nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe.

Hình 1.6 Máy quấn dây điện từ chuyên dụng cho động cơ

Tổng quan về các giải pháp

Máy quấn dây là thiết bị quan trọng dùng để quấn cuộn dây cho máy biến áp, stator động cơ và cuộn cảm Việc sử dụng máy quấn dây thủ công không chỉ gây bất tiện mà còn tốn nhiều thời gian Để giải quyết những hạn chế của máy quấn thủ công, thị trường đã cho ra đời nhiều loại máy quấn dây tự động Tuy nhiên, các máy này thường cồng kềnh, phức tạp và có chi phí cao.

Sơ lược các bước thực hiện phương pháp tự động

2.2.1 Phân tích và lựa chọn phương án Đây là bước đầu tiên của quá trình thiết kế nhằm đưa ra hướng giải quyết vấn đề:

 Đề xuất phương án khả thi: cơ khí, điện, điều khiển

 Đánh giá và lựa chọn phương án thiết kế

Tìm hiểu và đánh giá các thiết bị trên thị trường để thực hiện phương án: động cơ, vi điều khiển…

Máy quấn dây biến áp trụ là thiết bị quấn dây tự động dùng để quấn các loại cuộn cảm, biến áp nhỏ, boobin các loại xe máy

Hình 2.1 Máy quấn dây biến áp trụ

 Sơ đồ khối của máy:

- Chương trình điều khiển của máy dùng vi xử lý

- Tốc độ quấn 0-3000 vòng/phút Động cơ quấn 1/2 Hp – 220 V/ 380 V

Hoạt động một cách ổn định ít bị hư hỏng

Tăng năng suất quấn dây hơn so với các máy quấn dây thủ công

Chi phí đầu tư cho phần cứng cao Để sử dụng được máy lắp đặt phải có kiến thức nhất định

Khó tùy biến hơn so với các máy dùng vi điều khiển

Máy quấn dây tự động MTEKCO-AT120G dùng để quấn biến tự động, quấn cuộn coil loa, cuộn coil phân tần, quấn cuộn coil relay,

Hình 2.2 Máy quấn tự động MTEKCO-AT120G

 Sơ đồ khối của máy:

- Động cơ rải: Step motor, tốc độ quấn tối đa 150 vòng/phút

- Mạch điện gọn nhẹ dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa

- Tăng năng suất quấn dây hơn so với các máy quấn dây thủ công

- Chất lượng dây cuốn thành phẩm đồng đều, chính xác tính thẩm mỹ cao

- Chi phí lắp đặt phần cứng cao

- Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao

Nhóm em đã quyết định chọn phương pháp thiết kế máy quấn dây điều khiển bằng Vi điều khiển dựa trên các phương pháp đã tham khảo Lý do cho sự lựa chọn này là tính hiệu quả và linh hoạt của thiết kế, giúp tối ưu hóa quá trình quấn dây.

 Chi phí cho phần cứng củng như giá thành vật tư sẽ rẽ hơn phù hợp cho tình hình hiện nay

 Dễ dàng tùy biến sâu hơn với máy

 Tốc độ quấn và công suất phù hợp để sử dụng trong các phòng thí nghiệm

2.2.2 Thiết kế hệ thống điện – điện tử

Dựa trên các phương án điện đã được chọn, cần tiến hành xác định các thông số kỹ thuật và lựa chọn thiết bị phù hợp, đồng thời kết hợp các thiết bị này thành một hệ thống hoàn chỉnh Công việc này bao gồm việc lắp đặt và cấu hình các thiết bị để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

 Lựa chọn thông số vi điều khiển, các mô đun công suất và cảm biến

 Sử dụng được các cảm biến của robot, thiết kế bộ điều khiển sử dụng hồi tiếp vận tốc để điều khiển động cơ

2.2.3 Xây dựng giải thuật điều khiển

Tiến hành thiết kế các giải thuật điều khiển

Lập trình trên máy tính và vi điều khiển, các công việc gồm:

 Lập trình giải thuật cho vi điều khiển

 Gửi dữ liệu điều khiển cho máy

 Gửi về màn hình LCD những thông số về trạng thái máy khi quấn dây

2.2.5 Thực nghiệm và đánh giá kết quả

 Đánh giá kết quả thực nghiệm, nêu lên những hạn chế của giải thuật và mô hình

Sơ đồ hệ thống và phương pháp quấn dây tự động

Với mô hình hệ thống máy quấn dây tự động, nhóm chia ra gồm khối nguồn, khối điều khiển và khối hiển thị và điều chỉnh, khối động lực

Máy quấn dây hoạt động dựa trên số vòng và chiều dài vòng dây được thiết lập và điều chỉnh qua khối hiển thị Khi quá trình quấn dây hoàn tất, máy sẽ tự động dừng lại.

Phương pháp quấn dây điện hiện đại đã cải thiện đáng kể hiệu quả công việc so với cách truyền thống, nâng cao năng suất lao động và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định với chi phí hợp lý.

 Cho phép quấn được tất cả loại dây điện khác nhau với chiều dài và kích thước linh hoạt

Tạo ra nhiều kiểu quấn dây đa dạng và linh hoạt nhờ vào bảng điều khiển dễ sử dụng Bảng điều khiển cho phép điều chỉnh các thông số quan trọng như tốc độ, số vòng quấn và chiều rộng quấn, mang lại sự tiện lợi tối ưu cho người sử dụng.

 Vận hành tự động, ngay cả khi hoạt động ở tốc độ quấn cao

 Chất lượng dây quấn thành phẩm đồng đều, chính xác, tính thẩm mỹ cao

 Có khả năng lưu giữ chương trình đã được cài đặt sẵn

 Dừng tự động khi xảy ra sự cố trong quá trình hoạt động

 Năng suất làm việc cao

Hệ Thống Điều Khiển

3.2.1 Điều khiển bằng vi điều khiển

Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên chip, chủ yếu dùng để điều khiển thiết bị điện tử Nó bao gồm vi xử lý hiệu suất vừa đủ và chi phí thấp, khác với bộ vi xử lý đa năng trong máy tính Vi điều khiển kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, module vào/ra, và các module chuyển đổi tín hiệu số và tương tự Trong máy tính, các module này thường được xây dựng từ chip và mạch ngoài.

Vi điều khiển thường chứa các linh kiện sau:

- Bộ xử lý trung tâm (CPU)

- Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM)

- Bộ nhớ chỉ đọc (ROM)

- Cổng đầu vào / đầu ra

- Bộ đếm thời gian và bộ đếm

- Bộ chuyển đổi analog sang digital

- Bộ chuyển đổi digital sang analog

- Cổng giao tiếp nối tiếp

Vi điều khiển tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết cho hệ thống máy tính, hoạt động như một máy tính mà không cần các bộ phận kỹ thuật số bên ngoài Hầu hết các chân của chip vi điều khiển đều có khả năng lập trình, cho phép tùy chỉnh và mở rộng chức năng dễ dàng.

Cấu tạo cơ bản và sơ đồ khối của vi điều khiển như hình bên dưới

Hình 3.1- Cấu tạo cơ bản và sơ đồ khối của vi điều khiển

CPU là bộ não của vi điều khiển, có nhiệm vụ tìm nạp, giải mã và thực thi lệnh Nó kết nối tất cả các bộ phận của vi điều khiển thành một hệ thống đồng nhất Chức năng chính của CPU là tìm nạp lệnh từ bộ nhớ chương trình và giải mã chúng để thực hiện.

Bộ nhớ trong vi điều khiển hoạt động tương tự như bộ vi xử lý, với chức năng lưu trữ dữ liệu và chương trình Vi điều khiển thường được trang bị một lượng RAM và ROM nhất định, bao gồm các loại như EEPROM, EPROM, hoặc bộ nhớ flash, để lưu trữ mã nguồn chương trình.

 Cổng đầu vào/đầu ra

Cổng đầu vào/đầu ra đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giao tiếp với các thiết bị như màn hình LCD, đèn LED, máy in và bộ nhớ cho vi điều khiển.

Cổng nối tiếp tạo ra giao diện nối tiếp giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác như cổng song song

Bộ đếm thời gian và bộ đếm là những chức năng quan trọng của vi điều khiển, cho phép thực hiện các tác vụ như đếm thời gian và đếm xung bên trong Chúng đảm nhiệm vai trò như một chiếc đồng hồ, phát xung, đo tần số và tạo ra dao động Ngoài ra, bộ đếm còn có khả năng đếm xung từ bên ngoài, góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng xử lý của vi điều khiển.

 Bộ chuyển đổi analog sang digital (ADC)

Bộ chuyển đổi ADC (Analog-to-Digital Converter) là thiết bị chuyển đổi tín hiệu analog, như đầu ra từ cảm biến, thành tín hiệu digital Đầu ra digital từ bộ chuyển đổi này có thể được ứng dụng trong các thiết bị kỹ thuật số, chẳng hạn như các thiết bị đo lường.

 Bộ chuyển đổi Digital sang Analog (DAC)

Hoạt động của DAC (Bộ chuyển đổi Digital sang Analog) là quá trình chuyển đổi tín hiệu số thành định dạng analog Thiết bị này thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị analog như động cơ DC và các ổ đĩa, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của chúng.

Điều khiển ngắt là một công cụ quan trọng để tạm dừng (trễ) một chương trình làm việc Ngắt có thể được kích hoạt từ bên ngoài thông qua chân ngắt hoặc từ bên trong thông qua lệnh ngắt trong quá trình lập trình.

 Khối chức năng đặc biệt

Một số vi điều khiển được thiết kế riêng cho các ứng dụng đặc biệt như hệ thống không gian và robot, với các cổng bổ sung để thực hiện các chức năng đặc thù Những vi điều khiển này được coi là khối chức năng đặc biệt.

Vi điều khiển là thành phần quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống nhúng, thường được sử dụng trong nhiều thiết bị điện tử như máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, và đầu đọc DVD Để hệ thống có thể đọc dữ liệu từ cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các cơ cấu chấp hành, cần có vi điều khiển để xử lý thông tin Trong đồ án này, nhóm đã chọn kit điều khiển Arduino tích hợp vi điều khiển STM32F030C8T6, giúp dễ dàng thực hiện các hoạt động theo yêu cầu của lập trình viên.

Hình 3.2 Vi điều khiển STM32F030C8T6

3.2.2 Dòng vi điều khiển STM32

Một vài đặc điểm nổi bật của STM32:

ST đã giới thiệu 4 dòng vi điều khiển dựa trên ARM7 và ARM9, nhưng STM32 đánh dấu một bước tiến quan trọng về chi phí và hiệu suất với giá gần 1 Euro cho số lượng lớn STM32 là một đối thủ mạnh mẽ so với các vi điều khiển 8 và 16-bit truyền thống Dòng sản phẩm STM32 đầu tiên bao gồm 14 biến thể, được chia thành hai dòng: dòng Performance với tần số CPU lên tới 72Mhz và dòng Access với tần số 36Mhz Các biến thể trong hai dòng này hoàn toàn tương thích về bố trí chân và phần mềm, với kích thước bộ nhớ FLASH ROM lên tới 512K và 64K SRAM.

Nhánh Performance hoạt động với xung nhịp tối đa 72MHz và tích hợp đầy đủ các ngoại vi, trong khi nhánh Access có xung nhịp tối đa 36MHz và ít ngoại vi hơn.

Các ngoại vi của STM32, bao gồm hai bộ chuyển đổi ADC, timer, I2C, SPI, CAN, USB và RTC, có nhiều đặc điểm thú vị Đặc biệt, bộ ADC 12-bit được tích hợp cảm biến nhiệt độ giúp tự động hiệu chỉnh khi nhiệt độ thay đổi, đồng thời hỗ trợ nhiều chế độ hoạt động khác nhau.

Nguyễn Hoàn Tân cho biết rằng mỗi bộ định thời có 4 khối capture compare, cho phép bắt sự kiện và tạo dạng sóng ở ngõ ra Các khối định thời này có thể liên kết với nhau để tạo ra các định thời tinh vi hơn Bộ định thời cao cấp hỗ trợ điều khiển động cơ với 6 đầu ra PWM có thể lập trình, bao gồm thời gian chết (dead time) giữa hai tín hiệu PWM và một đường break input để đảm bảo an toàn khi phát hiện điều kiện dừng khẩn cấp Ngoài ra, hệ thống còn tích hợp một khối kiểm tổng (CRC) bằng phần cứng cho giao tiếp nối tiếp SPI.

8 và 16 word hỗ trợ tích cực cho giao tiếp thẻ nhớ SD hoặc MMC

Hệ thống động lực

Khung phần cơ khí chủ yếu sử dụng nhôm định hình, loại nhôm đã qua xử lý kim loại để tối ưu hóa các đặc tính vật lý, phù hợp với nhu cầu của nhà thiết kế, kỹ sư và nhà sản xuất Nhôm định hình ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp nhờ khả năng thiết kế đa dạng và những ưu điểm vượt trội so với các vật liệu tự nhiên khác.

Sản phẩm từ nhôm định hình mang đến sự tinh tế và sáng tạo cho không gian, tạo nên những kiểu trang trí hiện đại, ấn tượng và độc đáo Ứng dụng trong xây dựng, thanh nhôm thể hiện độ vững chắc vượt trội, chịu được áp lực gió mà không bị cong vênh, co ngót, oxi hóa hay han gỉ theo thời gian, đặc biệt trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt hoặc vùng biển mặn.

Nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu Vitme kết hợp với động cơ bước cho dự án, nhờ vào những ưu điểm nổi bật, trong đó giá thành hợp lý và tính tiện lợi của sản phẩm trên thị trường hiện nay là những yếu tố quan trọng nhất.

Cụm thực hiện chuyển động tịnh tiến trong một hành trình nhất định có thể sử dụng các giải pháp như vít me bi, ray trượt và dây đai, đây là những chi tiết máy phổ biến trong thiết bị dân dụng và máy móc công nghiệp Mỗi loại chi tiết có đặc điểm riêng để phù hợp với mục đích và điều kiện sử dụng khác nhau, do đó kỹ sư thiết kế cần lựa chọn tối ưu để nâng cao hiệu quả hoạt động Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại cơ cấu dẫn hướng đã được thiết kế sẵn với đầy đủ thông số kỹ thuật như bản vẽ, khả năng tải, chịu lực, tốc độ và yêu cầu kỹ thuật, giúp giảm bớt công việc thiết kế cho kỹ sư.

3.3.1 Cơ cấu vít me – đai ốc trượt

Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến Truyền động vít me – đai ốc trượt

Hình 3.3 Cơ cấu vít me và đai ốc trượt

Cơ cấu vít me – đai ốc trượt có những đặc điểm:

– Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn

– Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn

– Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn

– Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính Kết cấu vít me – đai ốc trượt dạng ren:

Ren hình thang với góc 30 độ mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng gia công đơn giản và dễ dàng thông qua phay hoặc mài Khi kết hợp với đai ốc bổ đôi, việc đóng mở ren trở nên thuận tiện hơn bao giờ hết.

Để đảm bảo bề mặt làm việc của vít me được mòn đều ở cả hai bên sau thời gian sử dụng, cần thiết kế vít me với hai cổ trục giống nhau Điều này cho phép lắp đảo ngược vít me, giúp kéo dài tuổi thọ và hiệu quả sử dụng của sản phẩm.

Bộ truyền đai là một trong những hệ thống truyền động cơ khí lâu đời nhất và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay Có nhiều loại đai khác nhau, bao gồm đai thang, đai dẹt và đai răng, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong các ứng dụng công nghiệp.

- Truyền động giữa các trục xa nhau

- Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao

- Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải

- Kết cấu và vận hành đơn giản

- Hiệu suất bộ truyền thấp

- Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai

- Kích thước bộ truyền lớn

- Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu

3.3.3 Sử dùng Drive A4988 điều khiển động cơ

Có 5 chế độ lựa chọn nếu bạn không muốn chạy đầy đủ 200 bước/vòng Theo em chúng ta nên chạy đầy đủ tức là không cần quan tâm đến 3 chân này, sau đó sẽ điều chỉnh bước của động cơ trong code

MS1 MS2 MS3 Microstep Resolution

Low Low Low Full Step

High Low Low ẵ Step (Half Step)

Low High Low ẳ Step (Quarter Step)

High High Low 1/8 Step (Eighth Step)

High High High 1/16 Step (Sixteenth Step)

Để điều khiển động cơ, sử dụng pin ENABLE để bật tắt: mức LOW cho phép bật module, còn mức HIGH để tắt module Chiều quay của động cơ được điều khiển qua pin DIR, trong khi pin STEP dùng để điều khiển bước của động cơ, với mỗi xung tương ứng với một bước hoặc vi bước Hai chân Sleep và Reset luôn được kết nối với nhau.

Nhóm đã quyết định lựa chọn cơ cấu Vitme kết hợp với động cơ bước cho dự án, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của giải pháp này Ưu điểm lớn nhất là tính phù hợp về giá thành và sự tiện lợi của sản phẩm trên thị trường hiện nay.

3.3.4 Động cơ stepper Động cơ bước (stepper motor), 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 góc quay

Động cơ bước bao gồm các bộ phận chính là stato và roto, trong đó roto có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc các khối răng bằng vật liệu nhẹ có từ tính trong động cơ biến từ trở Động cơ này được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài, cho phép động cơ giữ vị trí cố định hoặc quay đến bất kỳ vị trí nào mong muốn.

Động cơ bước có thể được áp dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản hoặc vòng kín Tuy nhiên, khi sử dụng trong hệ điều khiển vòng hở và gặp tình trạng quá tải, tất cả các giá trị của động cơ sẽ bị mất, yêu cầu hệ thống phải nhận diện lại Động cơ bước hoạt động dựa trên các xung điện rời rạc và liên tiếp Khi có dòng điện hoặc điện áp được cung cấp cho cuộn dây phần ứng, rotor của động cơ sẽ quay một góc nhất định, được gọi là bước của động cơ.

Góc bước là góc quay của trục động cơ bước tương ứng với mỗi xung điều khiển Giá trị của góc bước được xác định bởi cấu trúc của động cơ và phương pháp điều khiển được áp dụng cho nó.

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho rotor mất đồng bộ

Chiều quay động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây.

Hệ thống nguồn

Nguồn tổ ong 12V 5A là nguồn điện phổ biến, được ứng dụng rộng rãi trong cả thiết bị công nghiệp và dân dụng Loại nguồn này còn được biết đến với tên gọi nguồn một chiều 12 Volt hoặc nguồn DC 12V.

Nguồn tổ ong 12V 5A chuyển đổi điện áp từ 180V-240V AC thành 12VDC, cung cấp điện cho các thiết bị hoạt động Trong ngành công nghiệp, nguồn tổ ong thường được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị trong tủ điện.

Hệ thống hiển thị và điều chỉnh

Màn hình LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, cho phép hiển thị 2 dòng với 16 ký tự mỗi dòng Đây là loại màn hình bền bỉ, phổ biến và dễ sử dụng, phù hợp cho người mới học và thực hiện dự án, với nhiều mã code mẫu sẵn có.

Hệ thống tích hợp nút nhất đơn giản để cài đặt thông số của cuộn dây

Nguyễn Hoàn Tân Đặc tính / Thông số kỹ thuật của LCD1602:

 Điện áp hoạt động là 5 V

 Chữ đen, nền xanh lá

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

Cơ cấu cơ khí

4.1.1 Cơ cấu quấn dây quấn dây

Bánh động lực cần đảm bảo khả năng chịu tải tốt, kiểm soát được số vòng quay và hoạt động ổn định Hiện nay, motor stepper đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật và giá thành hợp lý Do đó, nhóm đề xuất sử dụng cơ cấu quấn dây để cải thiện hiệu suất.

Khớp nối sẽ giống với cơ cấu trên máy khoan để gắn lõi dây khi máy hoạt động: Chuck_Varsayilan

Hình 4.1 Cơ cấu quấn dây

Bảng 4.1 Các chi tiết của cơ cấu quấn dây

4.1.2 Cơ cấu dẫn hướng dây

Nhóm nghiên cứu đã quyết định sử dụng cơ cấu vít me – đai ốc trượt do giá thành rẻ, độ chính xác cao và tính phổ biến của nó, đồng thời dễ dàng tìm thấy trên thị trường.

Hình 4.2 Cơ cấu rải dây

Bảng 4.2 Các chi tiết của cơ cấu rải dây

4.1.3 Khung và cơ cấu nhả dây

 Đảm bảo được sự vững chắc cũng như tối giản các cơ cấu thừa

 Di chuyển trơn tru trong quá trình dải dây

 Thiết kế đơn giản cho người sử dụng dễ đặt dây và nhả dây tự động

Nhóm đề xuất mô hình cụm khung và module như sau:

Hình 4.3 Khung và cơ cấu nhả dây

3 Gối đỡ ti trượt SK8

Bảng 4.3 Các chi tiết của cơ cấu nhả dây

Mạch điều khiển

Bộ phát triển STM32F030F4P6 được thiết kế dựa trên vi điều khiển STM32 với nhân ARM Cortex-M0 từ ST, nổi bật với chi phí thấp và khả năng tiết kiệm năng lượng vượt trội Sản phẩm này rất phù hợp cho nghiên cứu và ứng dụng trong các hệ thống nhỏ, sử dụng pin và tối ưu hóa chi phí.

Hình 4.4 STM32F030C8T6 Đặc tính / Thông số kỹ thuật của STM32F030C8T6:

 Điện áp cấp 5VDc qua cổng Mirco USB sẽ được chuyển đổi thành 3V3 qua IC nguồn và cấp Vi điều khiển chính

 Có tích hợp sẵn thạch anh 8MHz

 Có tích hợp sẵn thạch anh 32KHz cho các ứng dụng RTC

 Ra chân đầy đủ tất cả các GPIO và giao tiếp: CAN, I2C, SPI, UART / USART, USB

 Có Led trạng thái nguồn

Hình 4.5 Sơ đồ chân của STM32F030C8T6 4.2.2 Màn hình text LCD1602

Màn hình LCD1602 xanh lá sử dụng driver HD44780, hiển thị 2 dòng với 16 ký tự mỗi dòng Với độ bền cao và tính phổ biến, LCD1602 là lựa chọn lý tưởng cho người mới học và thực hiện dự án, đi kèm nhiều mã mẫu dễ sử dụng Thông số kỹ thuật của LCD1602 rất đáng chú ý.

 Điện áp hoạt động là 5 V

 Chữ đen, nền xanh lá

 Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1 inch tiện dụng khi kết nối với

 Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

 Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

 Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

4 RS Lựa chọn thanh ghi RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh

RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu R/W=0 thanh ghi viết

7 DB0 Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7

15 A Cực dương led nền 0V đến 5V

Bảng 4.4 Bảng các chân của LCD1602

Hình 4.6 LCD1602 4.2.3 Nút nhấn 12 * 12mm Đặc tính / Thông số kỹ thuật của Nút nhấn 12 * 12mm

A4988 Step Driver có thể dùng cho Reprap trong máy in 3D kèm với board RAMPS 1.4 dùng với board CNC Shield v3 cho CNC mini hoặc dùng điều khiển động cơ bước

Hình 4.8 Driver A4988 Đặc tính / Thông số kỹ thuật của Driver A4988

 Giao thức điều khiển số bước và chiều quay rất đơn giản

 5 cấp điều chỉnh bước: 1; 1/2; 1/4; 1/8 và 1/16 bước

 Điều chỉnh dòng định mức cấp cho động cơ bằng triết áp

 Có chức năng bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá nhiệt, bảo vệ tụt áp và chống dòng ngược

 Điện áp cấp tối thiểu: 8 V

 Điện áp cấp cực đại: 35 V

 Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 1 A (không cần tản nhiệt, làm mát)

 Dòng cấp liên tục cho mỗi pha: 2 A (khi có làm mát, tản nhiệt)

 Điện áp logic 1 tối thiểu: 3 V

 Điện áp logic 1 tối đa: 5.5 V

 Độ phân giải: full, 1/2, 1/4, 1/8, và 1/16

Hình 4.9 Sơ đồ khối của A4988

Thông số của Nguồn tổ ong 12V5A

 Tần số hoạt động: 47 ~ 63HZ-

 Điều chỉnh điện áp (Đầy tải) ≤ 0.3%

 Bảo vệ quá tải 105% —- 150% công suất định mức, phục hồi tự động

 Chức năng bảo vệ ngắn mạch tự động

 Bảo vệ quá áp 105% —- 150% điện áp định mức

4.2.6 Động cơ bước NEMA17 (Step motor 42) 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 gây nên Khi hướng của dòng thay đổi thì cực từ trường cũng thay đổi theo, gây nên chuyển động ngược lại của động cơ (đảo chiều) Ở đây trục rotor được làm bằng sắt từ hay nam châm được bao quanh bởi stator điện từ Rotor và stator có thể có răng hoặc không có tùy thuộc vào loại của động cơ bước Khi stator được cấp năng lượng rotor di chuyển theo lực hút của bản thân nó với stator (trong trường hợp động cơ bước loại nam châm vĩnh cữu) hay di chuyển để có 1 khoảng cách tối thiểu với stator (trong trường hợp động cơ bước loại từ trở biến thiên) Bằng cách này, stator được cấp năng lượng một cách trình tự để làm quay rotor động cơ bước

Động cơ bước NEMA 17 kích thước 42 x 48mm là loại động cơ phổ biến trong chế tạo máy in 3D và CNC mini, thường được kết hợp với puli GT2.

 Đường kính trục 5mm Đầu trục vát phẳng, giúp puli/khớp nối không đỡ bị lỏng khi hoạt động

 Cường độ định mức 1.5A, mô men giữ 0.55 Nm, góc quay mỗi bước 1.8 °

 Dây nối dài 1m, đầu dây chuẩn XH2.54 Tương thích với đầu ra động cơ bước trên mạch RAMPS 1.5 hoặc CNC shield V3

 Công suất phù hợp cho máy in 3D và CNC mini

 Ít tỏa nhiệt, chuyển động êm

Hình 4.11 Step motor NEMA17 4.2.7 Code điều khiển

Arduino IDE là phần mềm mã nguồn mở chính thức, được thiết kế để viết và biên dịch mã cho module Arduino Phần mềm này hỗ trợ các hệ điều hành như MAC, Windows và Linux, hoạt động trên nền tảng Java Arduino IDE cung cấp các chức năng và lệnh cần thiết, giúp người dùng dễ dàng gỡ lỗi, chỉnh sửa và biên dịch mã trong môi trường phát triển.

Trong số nhiều module Arduino như Arduino Uno, Mega, Leonardo và Micro, nhóm đã chọn sử dụng Arduino Nano cho đồ án này Mỗi module Arduino đều tích hợp một bộ vi điều khiển có khả năng lập trình và nhận thông tin dưới dạng mã Mã chính, hay còn gọi là sketch, được phát triển trên nền tảng IDE, tạo ra file Hex và sau đó được tải lên bộ điều khiển Môi trường IDE chủ yếu bao gồm hai phần cơ bản: trình chỉnh sửa.

Nguyễn Hoàn Tân đã phát triển một trình biên dịch, trong đó phần đầu được sử dụng để viết mã theo yêu cầu, còn phần sau dùng để biên dịch và tải mã lên module Arduino.

Môi trường này hỗ trợ cả ngôn ngữ C và C ++

Khi người dùng lập trình và biên dịch mã, IDE sẽ tạo ra file Hex, một định dạng mà Arduino có thể hiểu File Hex này được gửi đến bo mạch Arduino qua cáp USB Mỗi bo mạch Arduino đều được trang bị một bộ vi điều khiển, chịu trách nhiệm nhận file Hex và thực thi mã đã được lập trình.

Arduino IDE bao gồm các phần khác nhau:

Hình 4.12 Giao diện lập trình trên phần mềm Arduino IDE

Tính toán, thiết kế cụm trục tịnh tiến

Cụm trục tịnh tiến là cụm có tác dụng làm tịnh tiến bộ dẫn dây nhờ động cơ thông qua bộ dẫn động trục vít me đai ốc bi

Yêu cầu bài toán áp dụng trong cụm trục là:

- Khối lượng cụm tịnh tiến: 0,5 (kg)

- Trọng lượng tác dụng tối đa: 5 N

4.3.1 Chọn vật liệu, tính toán đường kính trục vít me

Trục vít me chính cần có độ bền cao, khả năng chống mòn tốt và dễ gia công Vật liệu chế tạo trục thường là thép CT5, 35, 45, 50, trong khi bạc dẫn hướng thường được làm bằng thép không gỉ.

Trong đồ án này, sử dụng vật liệu như sau:

Thép C45 là thép hợp kim với hàm lượng carbon đạt 0,45%, đồng thời còn chứa các tạp chất như silic, lưu huỳnh, mangan và crom.

Có độ cứng, độ kéo phù hợp trong ứng dụng cơ khí chế tạo máy, các chi tiết chịu tải trong và sự va đập mạnh

Hình 4.13 Bảng hàm lượng các chất trong thép C45

Dựa vào các đặc tính cơ bản của thép C45, chúng ta có thể xác định các thông số của trục vít để đảm bảo khả năng chịu tải theo yêu cầu Đặc biệt, thông số giới hạn chảy của thép (H3.3) là yếu tố quan trọng cần được tính toán chính xác.

Hình 4.14 Bảng thông số tính chất cơ học thép C45 4.3.1.2 Xác định đường kính trục vít me

([ ] - ứng suất chảy cho phép của vật liệu làm vít me)

Với tải trọng yêu cầu là 3 (kg) thì Tra bảng (H3.3) giới hạn chảy của thép C45 là [ ]

4.3.1.3 Đai ốc Để giảm ma sát và mòn ren, đai ốc được chế tạo từ các loại đồng thanh như đồng thanh thiếc, đồng thanh thiếc – chì - kẽm và đồng thanh nhôm – sắt hoặc gang Nhằm giảm chi phí đồng, thường dùng đai ốc bằng hai kim loại

Trong đồ án, ta chọn vật liệu làm đai ốc là đồng thanh

4.3.2.1 Tải trọng riêng dọc trục

Theo [giáo trình chi tiết máy], công thức tính tải trọng riêng dọc trục:

Theo [giáo trình chi tiết máy]

Từ đồ thị (H3.4), với tra ra được

Hình 4.15- Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất

Hình 4.16 Sơ đồ truyền động của trục vit me

Các thông số đầu vào:

Vận tốc lớn nhất của đai ốc được biểu diễn bằng đồ thị hình thang, trong đó tốc độ ban đầu là 0 và gia tốc giữ hằng số trong cả giai đoạn khởi động và hãm Thời gian khởi động chiếm khoảng 20% tổng thời gian của một vòng chu kỳ.

Hình 4.17 Đồ thị vận tốc khâu 3

Thời gian thực hiện hết 1 chu trình là:

Lực dọc trục lớn nhất:

Chọn trục vít me theo tiêu chuẩn SKF:

Từ những thống số trên ta chọn được trục vít me bi hỗ trợ bạc chặn KFL08 (H3.7)

Theo [giáo trình chi tiết máy],

+ Tuổi bền của cơ cấu:

Trong đó: - Tuổi thọ (triệu vòng quay)

- Tải trọng động cơ bản,

- Lực dọc trục trung bình (kN)

Tốc độ giới hạn của trục vít me (rpm):

- Hệ số tốc độ Với kết cấu 1 đầu gối tựa, một đầu cố định;

- Đường kính chân ren của trục vít,

- Khoảng cách hai gối đỡ

Vận tốc thiết kế lớn nhất:

Vậy nên trục vít hoạt động tốt

+ Hiệu suất lý thuyết của bộ truyền:

Hình 4.19 Thông số hình học của trục vít me SD/BD 8x2

4.3.3 Tính chọn động cơ trục vít me

+ Mô men xoắn cần truyền vào trục vít me:

Từ các thông số trên Chọn động cơ truyền động cho trục vít me sau:

Ta chọn động cơ NEMA17 1,5 A-42*48 mm

Nguyễn Hoàn Tân Động cơ NEMA17 có một số thông số kỹ thuật như sau:

- Kích thước mặt bích: 42*42mm

Hình 4.21 Thông số kích thước động cơ NEMA17 4.3.4 Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo

Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo có kích thước sau:

Hình 4.22 Bạc dẫn hướng LMF 8UU

Hình 4.23 Khớp nối lò xo 5x8 mm

Tính chọn động cơ trục cuốn dây

Khối lượng cuộn dây lớn nhất là: 0,5 kg

+ Mô men xoắn cần truyền vào trục cuốn dây:

Từ các thông số trên Chọn động cơ truyền động cho trục cuốn dây sau:

Ta chọn động cơ NEMA17 1,5 A-42*48 mm Động cơ NEMA17 có một số thông số kỹ thuật như sau:

- Kích thước mặt bích: 42*42mm;

Hình 4.24 Thông số kích thước động cơ NEMA17

Mô hình 3D mấy quấn dây tự động ( Phần cơ Khí )

Hình 5.1 Bản vẽ mô hình máy quấn dây tự động

Sơ đồ mạch thiết kế Altium

Altium Designer, trước đây được gọi là Protel DXP, là một trong những công cụ vẽ mạch điện tử mạnh mẽ nhất hiện nay Phát triển bởi Altium Limited, phần mềm này chuyên dụng trong thiết kế điện tử và sở hữu nhiều tính năng nổi bật Tuy nhiên, Altium Designer vẫn ít được biết đến hơn so với các phần mềm thiết kế điện tử khác như ORCAD hay PROTEUS.

Hình 5.2- Phần mềm thiết kế mạch Altium

Altium Designer có một số đặc trưng sau:

 Giao diện thiết kế, quản lí và chỉnh sửa thân thiện, dễ dàng biên dịch, quản lí file, quản lí phiên bản các tài liệu thiết kế

Hỗ trợ thiết kế tự động và đi dây tự động bằng thuật toán tối ưu, phân tích lắp ráp linh kiện hiệu quả Cung cấp giải pháp thiết kế hoặc điều chỉnh mạch và linh kiện hiện có dựa trên các tham số mới.

 Mở, xem và in các file thiết kế mạch dễ dàng với đầy đủ các thông tin linh kiện, dữ liệu bản vẽ, kích thước và số lượng

 Hệ thống các thư viện linh kiện phong phú, chi tiết và hoàn chỉnh bao gồm tất cả các linh kiện nhúng, số và tương tự

Đặt và điều chỉnh các đối tượng trên các lớp cơ khí là bước quan trọng trong thiết kế PCB Việc định nghĩa các luật thiết kế giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của mạch Tùy chỉnh các lớp mạch in và chuyển đổi từ sơ đồ nguyên lý (schematic) sang PCB là quy trình cần thiết để hoàn thiện thiết kế Cuối cùng, xác định vị trí linh kiện trên PCB một cách hợp lý sẽ tối ưu hóa hiệu suất và khả năng hoạt động của sản phẩm.

Mô phỏng mạch PCB 3D cung cấp hình ảnh chân thực về mạch điện trong không gian ba chiều, hỗ trợ tích cực cho MCAD-ECAD Công nghệ này cho phép liên kết trực tiếp với mô hình STEP, giúp kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cả ở dạng 2D lẫn 3D.

 Hỗ trợ thiết kế PCB sang FFGA và ngược lại

Hình 5.3 Sơ đồ mạch nguyên lí của mạch điều khiển

Hình 5.4 Thiết kế mạch Altium

Lập Trình - Main

Mô hình thực tế

Hình 5.5 Mô hình thực tế 1

Sản phẩm đã được cải tiến với việc bổ sung các cơ cấu nhôm bên dưới, mang lại độ chắc chắn cao hơn cho máy Ngoài ra, những cải tiến so với mô hình 3D giúp máy hoạt động chính xác và ổn định hơn.

Bước 1: Setup máy ( chuẩn bị ống dây và cuộn dây )

Bước 2: Tăng giảm số vòng dây

Bước 3: Máy sẽ tự động chạy và chia đều cho đến khi đủ số vòng dây

Kết quả và đánh giá kết quả

 Nghiên cứu , đánh giá được các loại máy quấn dây điện từ trên thị trường

 Thiết kế, chế tạo được máy quấn dây điện từ có điều khiển

 Máy điện có điều khiển có đầy đủ thông số kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng

 Được điều khiển tự động thay vì quấn dây bằng tay

 Nhỏ gọn, tiện lợi cho vận chuyển, sử dụng, vệ sinh và bảo dưỡng máy móc

 Tiết kiệm nhiều công sức lắp đặt và sửa chữa

 Là sản phẩm thực hành tốt cho sinh viên và trợ giúp giảng dạy cho giảng viên trong nhà trường

 Gia công cơ khí có độ chính xác chưa cao

 Công suất động cơ còn nhỏ

 Ngoại hình thô sơ, chưa có tính thẩm mỹ

 Khó ứng dụng trong quy mô lớn

Kết luận

Thiết bị này hỗ trợ hiệu quả cho giảng dạy và học tập tại Khoa Điện - Tự động hóa Nếu được sự quan tâm từ các giảng viên, đây sẽ là một đề tài nghiên cứu quý giá cho việc chế tạo thiết bị phục vụ đào tạo, do chính giảng viên thực hiện Điều này không chỉ nâng cao kỹ năng thực hành cho sinh viên mà còn tiết kiệm thời gian và công sức Bộ thiết bị này là sản phẩm đầu tay, nên còn nhiều thiếu sót cần cải tiến để hoàn thiện hơn trước khi đưa vào sản xuất đại trà Chúng tôi rất mong nhận được sự hỗ trợ từ bộ môn và nhà trường để tiếp tục cải tiến và chế tạo các máy quấn dây điện phục vụ cho phòng thí nghiệm của Khoa Điện - Tự động hóa.

Tiêu đề	Máy Quấn Dây Động Cơ Điện Tự Động
Tác giả	Nguyễn Hoàn Tân, Lê Văn Báu, Đặng Trung Thành
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Vạn Quốc
Trường học	Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Tp.HCM

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	4,38 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[5] Động cơ bước (STEP), phân loại, ứng dụng và điều khiển . 8/6/2019 .https://vietmachine.com.vn/cac-loai-dong-co-buoc-step-phan-loai-ung-dung-va-dieu-khien.html	Link
[1] Kỹ thuật quấn dây – Lê Thị Hồng Gấm – Nhà xuất bản giáo dục	Khác
[2] Giáo trình Kỹ thuật vi xử lý- TS . Vũ Khánh Lâm - Nhà xuất bản Thông tin và truyền thông	Khác
[3] Giáo trình Vi Điều khiển ARM – TS.Nguyễn Vũ Quỳnh – KS.Phạm Quang Huy-Nhà Xuất bản Thanh Niên	Khác
[4] Tự Động Hóa và Điều khiển thiết bị điện – Trần Văn Thịnh – Nhà xuất bản giáo dục	Khác