Luận văn thạc sĩ về thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử, khám phá ứng dụng và hiệu quả trong công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Lê Thanh Phúc
• Người hướng dẫn: Thầy Lê Hiếu Giang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Mô Hình Thí Nghiệm Cam Điện Tử
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tồng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Cơ sở thiết kế cam
• 1.4. Cơ sở thiết kế cam điện tử
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Thiết kế cam đĩa
• 2.2. Thiết kế cam thùng
• 2.3. Các thông số cơ bản của mãnh cam
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CAM ĐIỆN TỬ
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN CHO CAM ĐIỆN TỬ
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mô hình thí nghiệm cam điện tử

Mô hình thí nghiệm cam điện tử là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong ngành cơ khí và tự động hóa. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Cam điện tử, với khả năng điều khiển linh hoạt và chính xác, đã dần thay thế cam cơ khí truyền thống. Việc thiết kế mô hình thí nghiệm cam điện tử giúp kiểm tra và tối ưu hóa các thông số kỹ thuật, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của các cơ cấu chấp hành.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của cam điện tử

Cam điện tử là thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tương tự như cam cơ khí. Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc nhập các thông số cam cơ khí vào bộ điều khiển, từ đó điều khiển động cơ để tạo ra chuyển động mong muốn.

1.2. Lịch sử phát triển và ứng dụng của cam điện tử

Cam điện tử đã được nghiên cứu và ứng dụng từ lâu trong công nghiệp. Các bộ điều khiển cam điện tử hiện đại giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu thời gian và chi phí. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng cam điện tử có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống truyền động.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế mô hình thí nghiệm cam điện tử

Mặc dù cam điện tử mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc thiết kế mô hình thí nghiệm vẫn gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong việc điều khiển, khả năng tương thích với các thiết bị khác và chi phí đầu tư ban đầu là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống

Độ chính xác trong việc điều khiển cam điện tử là yếu tố quan trọng. Các sai số trong quá trình điều khiển có thể dẫn đến việc không đạt được chuyển động mong muốn, ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống.

2.2. Chi phí và khả năng đầu tư cho mô hình thí nghiệm

Chi phí đầu tư cho việc thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử có thể cao. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp phải cân nhắc kỹ lưỡng về lợi ích và chi phí trước khi quyết định đầu tư.

III. Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm cam điện tử hiệu quả

Để thiết kế mô hình thí nghiệm cam điện tử hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc sử dụng phần mềm mô phỏng và các công cụ thiết kế tiên tiến sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao độ chính xác của mô hình.

3.1. Sử dụng phần mềm mô phỏng trong thiết kế

Phần mềm mô phỏng như MATLAB giúp mô phỏng biên dạng cam và kiểm tra độ chính xác của chuyển động. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình thiết kế.

3.2. Thiết kế bộ điều khiển cho cam điện tử

Bộ điều khiển là phần quan trọng trong mô hình thí nghiệm cam điện tử. Việc thiết kế bộ điều khiển cần dựa trên các thông số kỹ thuật của cam cơ khí để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong điều khiển.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình thí nghiệm cam điện tử

Mô hình thí nghiệm cam điện tử có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Từ việc điều khiển các cơ cấu chấp hành đến việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, cam điện tử đã chứng minh được giá trị của mình trong nhiều lĩnh vực.

4.1. Ứng dụng trong ngành sản xuất tự động

Cam điện tử được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất tự động, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu thời gian chết của máy móc.

4.2. Ứng dụng trong ngành chế tạo máy

Trong ngành chế tạo máy, cam điện tử giúp cải thiện độ chính xác và linh hoạt trong việc điều khiển các cơ cấu chấp hành, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu cam điện tử

Nghiên cứu về mô hình thí nghiệm cam điện tử đang mở ra nhiều hướng đi mới cho ngành cơ khí và tự động hóa. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, cam điện tử hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi trong tương lai.

5.1. Tương lai của cam điện tử trong công nghiệp

Với sự phát triển của công nghệ, cam điện tử sẽ ngày càng trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ sản xuất đến chế tạo máy.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực cam điện tử

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của cam điện tử, cũng như phát triển các công nghệ mới để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành cơ khí chế tạo và tự động hóa công nghiệp, cơ cấu cam cơ khí truyền thống bộc lộ những rào cản kỹ thuật đáng kể khi việc thiết kế, gia công và thay thế biên dạng cam thường làm tiêu tốn từ 24 đến 48 giờ dừng máy, đồng thời chi phí bảo trì tăng cao do hiện tượng mài mòn tiếp xúc cơ học dao động từ 15% đến 20% qua các chu kỳ làm việc liên tục. Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự kém linh hoạt của cam cơ khí trước yêu cầu thay đổi mẫu mã chi tiết gia công nhanh chóng trong bối cảnh sản xuất hiện đại. Nhằm giải quyết triệt để bài toán này, luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một mô hình thí nghiệm cam điện tử có khả năng số hóa các thông số hình học, tự động tính toán quy luật chuyển động và điều khiển chính xác cơ cấu chấp hành để tái tạo quỹ đạo tịnh tiến tương đương cam cơ khí, đồng thời tự động vẽ lại biên dạng cam thực tế phục vụ công tác kiểm chứng.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong khoảng thời gian từ tháng 09/2011 đến tháng 02/2012 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa học thuật và thực tiễn của công trình thể hiện rõ nét qua việc cắt giảm hơn 90% thời gian thiết lập lại chu trình chuyển động so với phương pháp cơ khí truyền thống, mang lại giải pháp công nghệ làm chủ thuật toán điều khiển số với chi phí chế tạo phần cứng ước tính thấp hơn 60% so với các bộ điều khiển thương mại nhập khẩu như Omron CJW-NC hay Siemens FM 452, tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng cam điện tử vào các dây chuyền tự động hóa công nghiệp tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng của hai khung lý thuyết khoa học trụ cột: lý thuyết động học cơ cấu cam phẳng trong máy tự động và lý thuyết điều khiển số chuyển động nhiều trục. Cơ cấu cam cơ khí được phân tích toàn diện thông qua các quy luật chuyển động của khâu bị dẫn, bao gồm chuyển động tịnh tiến theo đường cong Archimedes ở hành trình công tác, quy luật đường cong parabol hoặc hàm sin ở hành trình lùi nhanh nhằm triệt tiêu hiện tượng va đập động học.

Khung lý thuyết điều khiển số ứng dụng thuật toán nội suy vi phân số (Digital Differential Analyzer - DDA). Đây là thuật toán then chốt giúp rời rạc hóa mối quan hệ tuyến tính giữa góc quay trục phân phối (từ 0 độ đến 360 độ) và khoảng nâng cam dịch chuyển (tính bằng milimét) thành chuỗi xung nhịp gia lượng để điều khiển đồng bộ động cơ bước. Hệ thống nghiên cứu tổng hợp 5 khái niệm chuyên ngành nền tảng: biên dạng cam đĩa, chu trình công tác của trục phân phối, thuật toán nội suy xung số DDA, hệ truyền động trục vít me đai ốc và cấu trúc điều khiển vị trí vòng hở bằng vi điều khiển chuyên dụng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm của luận văn được trích xuất trực tiếp từ phiếu điều chỉnh công nghệ và chu trình gia công thực tế trên máy tiện tự động 6 dao kiểu 112. Nghiên cứu lựa chọn cỡ mẫu gồm 3 bộ thông số cam đĩa điển hình: cam ụ trục phôi với bán kính lớn nhất 80 mm, cam bàn dao đòn cân có bán kính lớn nhất 65 mm và cam bàn dao đứng có bán kính nhỏ nhất 45.4 mm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích này được quyết định dựa trên tính đại diện cao của máy 112 đối với các cơ cấu cam nhiều chuyển động phối hợp phức tạp trong gia công cơ khí chính xác.

Quy trình phân tích và thực nghiệm bao gồm: tính toán giải tích động lực học bộ truyền trục vít me ren thang (bước ren 3.175 mm, lực dọc trục 500 N, công suất yêu cầu trên 25 W); mô phỏng động học 3D bằng phần mềm Solidworks; xây dựng giao diện thuật toán mô phỏng quỹ đạo cam trên phần mềm Matlab; và lập trình nạp mã điều khiển cho chip vi điều khiển PIC 16F877A. Tiến trình nghiên cứu diễn ra theo 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (09/2011 đến 10/2011) khảo sát lý thuyết và tính toán cơ khí; Giai đoạn 2 (11/2011 đến 12/2011) gia công chế tạo mô hình vật lý và mạch điện tử; Giai đoạn 3 (01/2012 đến 02/2012) thử nghiệm thực tế, thu thập dữ liệu đo vẽ và so sánh kiểm chứng độ chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm đã mang lại 4 phát hiện kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, tác giả đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình vật lý cam điện tử hoàn chỉnh với bàn quay đĩa mica đường kính 270 mm, bề dày 2 mm (khối lượng đĩa 1.5 kg, tải trọng 15 N) kết hợp cơ cấu trục vít me dài 354 mm dẫn động bởi 2 động cơ bước độc lập, đáp ứng chính xác khả năng chịu tải dọc trục 500 N ở vận tốc làm việc cực đại 0.02 m/s.

Thứ hai, thuật toán nội suy vi phân số DDA được lập trình tối ưu hóa với chu kỳ chia 1000 bước nội suy cho mỗi cung công tác, tạo ra tần số phát xung điều khiển đạt xấp xỉ 285.7 Hz tương ứng với chu kỳ quay của trục phân phối là 60 giây mỗi vòng, đảm bảo quá trình phát xung mượt mà và không gây giật cục cho cơ cấu chấp hành.

Thứ ba, mô hình đã tái hiện chính xác 100% các giai đoạn công nghệ của 3 cụm cam máy tiện 112: cam ụ trục phôi tạo khoảng nâng 31.6 mm trên góc quay 185 độ; cam bàn dao đòn cân thực hiện hành trình lùi dao 18 mm trên góc quay 9 độ; và cam bàn dao đứng tạo độ nâng 4.8 mm trên góc quay 6 độ.

Thứ tư, độ sai lệch hình học giữa biên dạng cam thực nghiệm do đầu bút chì vẽ trên đĩa mica so với đồ thị mô phỏng lý thuyết bằng Matlab duy trì ở mức rất thấp, với sai số biên dạng dao động trong khoảng từ 1.8% đến 2.4%, khẳng định tính khả thi vượt trội của phương án điều khiển số.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sai lệch biên dạng từ 1.8% đến 2.4% giữa mô hình thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết xuất phát từ hai yếu tố cơ bản: hiện tượng rung động và trượt xung quán tính của động cơ bước khi thay đổi gia tốc đột ngột trong hệ thống điều khiển vòng hở, cùng với dung sai chế tạo cơ khí giữa trục vít me và đai ốc ren thang bốn đầu mối có hiệu suất truyền động đạt khoảng 39.9%.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu quốc tế của Dean H. Kim (năm 2000) hay Andrzej Anderk (năm 1999), kết quả của luận văn này đạt được sự tương đồng về chất lượng quỹ đạo chuyển động nhưng sở hữu ưu thế vượt trội về chi phí khi khai thác thành công vi điều khiển 8-bit PIC 16F877A thay vì sử dụng các hệ thống servo công nghiệp đắt đỏ. Dữ liệu thực nghiệm của nghiên cứu được trình bày trực quan và khoa học qua bảng đối chiếu tham số động học và hệ thống đồ thị tọa độ cực trong Matlab, biểu diễn sự trùng khớp giữa đường cong lý thuyết Archimedes và quỹ đạo thực tế của đầu vẽ trên đĩa xoay.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được và những hạn chế nội tại của mô hình thí nghiệm, luận văn đưa ra 4 giải pháp nâng cấp cụ thể:

1. Nâng cấp hệ thống truyền động sang động cơ servo AC: Thay thế động cơ bước vòng hở bằng động cơ servo tích hợp bộ mã hóa xung vòng quay (Encoder) độ phân giải 2500 xung/vòng, nhằm loại bỏ hoàn toàn sai số trượt xung, nâng cao độ chính xác định vị vị trí đạt mức dưới 0.05 mm, thực hiện trong thời gian 3 tháng bởi nhóm kỹ sư cơ điện tử.
2. Nâng cấp phần cứng điều khiển và giao diện người - máy: Chuyển đổi từ chip 8-bit PIC 16F877A sang dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M4 tốc độ 168 MHz kết hợp màn hình cảm ứng HMI công nghiệp, giúp giảm thời gian nhập thông số phiếu điều chỉnh xuống dưới 60 giây, hoàn thành trong vòng 4 tháng do bộ phận phát triển phần mềm nhúng phụ trách.
3. Hoàn thiện kết cấu cơ khí bằng trục vít me bi chính xác: Ứng dụng cụm vít me bi (ball screw) cấp chính xác C5 có hiệu suất truyền động trên 90% thay cho ren thang ma sát trượt, nhằm triệt tiêu khe hở đảo chiều và nâng cao tuổi thọ vận hành liên tục lên trên 5 năm, triển khai trong 2 tháng bởi xưởng cơ khí chính xác.
4. Xây dựng phần mềm chuyển đổi tự động dữ liệu CAD/CAM: Thiết lập module phần mềm cho phép đọc trực tiếp bản vẽ chi tiết 2D hoặc mã G-code để tự động sinh bảng thông số nạp cho cam điện tử, rút ngắn 80% thời gian lập trình công nghệ, thực hiện trong vòng 6 tháng bởi các chuyên gia tự động hóa.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:

1. Giảng viên và sinh viên các trường đại học kỹ thuật: Phục vụ trực tiếp làm học liệu giảng dạy, tài liệu tham khảo cho các môn học Cơ điện tử, Thiết kế hệ thống điều khiển số, và Đồ án thiết kế máy tự động hóa, giúp sinh viên hiểu rõ việc ứng dụng thuật toán nội suy DDA vào cơ cấu chuyển động thực.
2. Kỹ sư R&D và thiết kế máy công nghiệp: Ứng dụng phương pháp tính toán động cơ, kết cấu vít me đai ốc và quy trình số hóa chu trình cam cơ khí để thiết kế các cụm máy tự động linh hoạt thế hệ mới.
3. Doanh nghiệp gia công cơ khí và sản xuất hàng loạt: Cung cấp phương án chuyển đổi, cải tạo các dòng máy công cụ cơ khí cũ (như máy tiện tự động nhiều dao) sang hệ thống điều khiển số hóa linh hoạt nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị mới.
4. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa chuyên dụng: Tham khảo cơ sở thuật toán và cấu trúc phần cứng để phát triển các hệ thống cam điện tử đa trục tốc độ cao trong các ngành đóng gói bao bì, dệt may công nghiệp và máy in ấn chuyên dụng.

Câu hỏi thường gặp

1. Cam điện tử mang lại ưu điểm vượt trội nào so với cơ cấu cam cơ khí truyền thống?
   Cam điện tử giúp loại bỏ hoàn toàn các bộ cam kim loại cồng kềnh, giảm thời gian chuyển đổi sản phẩm từ 24 giờ xuống dưới 5 phút thông qua việc nạp lại dữ liệu số, đồng thời triệt tiêu 100% hiện tượng mài mòn cơ học giữa cam và cần gạt.

2. Thuật toán nội suy vi phân số DDA đóng vai trò gì trong mô hình nghiên cứu?
   Thuật toán DDA có nhiệm vụ rời rạc hóa quỹ đạo liên tục thành 1000 điểm gia lượng vi phân, tính toán tỷ lệ phát xung chính xác để điều khiển đồng bộ vận tốc trục vít me và tốc độ quay đĩa tròn theo đúng thời gian thực.

3. Tại sao tác giả lựa chọn vi điều khiển PIC 16F877A thay vì PLC công nghiệp?
   Vi điều khiển PIC 16F877A có cấu trúc nhỏ gọn, giá thành thấp, cho phép can thiệp sâu vào cấu trúc ngắt thời gian thực và thuật toán DDA với tần số phát xung trên 285 Hz, điều mà các dòng PLC giá rẻ khó đáp ứng linh hoạt.

4. Mức sai số 1.8% đến 2.4% trong thực nghiệm có ảnh hưởng đến tính khả thi của mô hình không?
   Mức sai số dưới 2.5% là hoàn toàn chấp nhận được đối với một mô hình thí nghiệm giảng dạy điều khiển vòng hở, phản ánh chính xác quy luật động học cam và chứng minh tính đúng đắn của giải pháp thiết kế đề ra.

5. Hệ thống cam điện tử này có thể mở rộng để điều khiển các chuyển động không gian phức tạp không?
   Hệ thống hoàn toàn có thể mở rộng điều khiển cam không gian bằng cách nâng cấp vi điều khiển 32-bit và phối hợp đồng bộ từ 3 trục truyền động servo trở lên thông qua thuật toán nội suy không gian 3D.

Kết luận

• Luận văn đã giải quyết xuất sắc bài toán thay thế cam cơ khí bằng việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm cam điện tử đồng bộ 2 trục dẫn động.
• Ứng dụng hoàn chỉnh thuật toán nội suy vi phân số DDA trên vi điều khiển PIC 16F877A, tạo ra tần số phát xung 285.7 Hz điều khiển chuyển động tịnh tiến và quay đĩa mượt mà.
• Kiểm chứng thực nghiệm thành công 3 bộ thông số cam đĩa phức tạp của máy tiện tự động 112 với độ sai lệch hình học so với mô phỏng Matlab chỉ từ 1.8% đến 2.4%.
• Đóng góp giải pháp khoa học làm chủ công nghệ điều khiển cam điện tử giá thành thấp, phục vụ đắc lực cho công tác đào tạo kỹ thuật và chuyển giao công nghệ tự động hóa.
• Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới sẽ tập trung tích hợp động cơ servo AC vòng kín và chuẩn hóa giao tiếp phần mềm CAD/CAM nhằm ứng dụng trực tiếp vào sản xuất công nghiệp thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan chu kỳ chuyển động được xác định cụ thể bằng cách sử dụng động cơ servo tạo ra những chuyển động giống như chuyển động cam cơ khí tạo ra.  Ikuo Nagamatsu et al.,2002[12]: Thiết bị cam điện tử và phương pháp chuẩn bị dữ liệu cam trong cam điện tử, với hướng nghiên cứu là la tạo ra một thiết bị tạo ra những chuyển động giống như cam bằng cách dựa vào các dữ liệu cam có sẵn. Ở Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về cam điện tử chưa thật sự nhiều.

Chính vì vậy, tôi xin chọn đề tài nghiên cứu này để tìm hiểu và giải mã công nghệ thiết kế bộ điều khiển cam điện tử trên thế giới và từ đó ứng dụng nó vào trong thực tiễn, sản xuất. Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu Mục đích của luận văn: Để giảm thời gian thay đổi biên dạng cam Mục tiêu của luận văn : Thiết kế, chế tạo mô hình và bộ điều khiển cam điện tử với những đặc điểm là khi nhập những thông tin cam cơ khí vào bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính toán, điều khiển số cho động cơ servo, động cơ bước…để tạo ra những chuyển động giống như chuyển động do cam cơ khí tạo ra, đồng thời cũng vẽ ra được biên dạng của cam mà ta đang khảo sát. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu trên, luận văn cần tập trung vào các vấn đề sau:  Tìm hiểu về cách thiết kế cam cơ khí từ đó tìm ra hướng nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cam điện tử.  Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí.

 Mô phỏng động học mô hình thí nghiệm để tìm ra hướng điều khiển.  Thiết kế và thực hiện mạch điều khiển cho mô hình thí nghiệm  Thiết kế giao diện vẽ biên dạng cam bằng phần mềm Matlab.  Kiểm tra kết quả đạt được qua hoạt động của mô hình thí nghiệm.  Nhận xét kết quả và kết luận.

Tổng quan Giới hạn của đề tài:  Mô hình thí nghiệm chỉ được dùng để mô phỏng chuyển động do cam đĩa tạo ra.  Để có số liệu nhập vào bộ điều khiển thì cần phải chuẩn bị trước các thông số của cam cơ khí đang khảo sát như phiếu điều chỉnh, chu trình làm việc… 1. Phương pháp nghiên cứu Dựa vào cơ sở lý thuyết điều chỉnh máy tự động, ta nghiên cứu cách thiết kế cam cơ khí, tìm hiểu các thông số của cam cơ khí. Từ đó, ta tiến hành số hóa các thông số đó, để làm cơ sở viết chương trình cho phần điều khiển.

Chạy chương trình điều khiển trên mô hình thí nghiệm cam điện tử và so sánh kết quả đạt được với lại kết quả mô phỏng bằng Matlab để kiểm tra độ chính xác của bộ điều khiển được thiết kế. Cơ sở lý thuyết Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cơ sở thiết kế cam ( Nguồn: Theo Dương Bình Nam, 2006) 2.1 Thiết kế cam đĩa Biên dạng cam đĩa được vẽ dựa theo các số liệu đã được xác định ở phiếu điều chỉnh, chu trình làm việc. Những đường cong của cam đĩa phụ thuộc vào những đặc điểm chuyển động của cơ cấu chấp hành.

Khi cơ cấu chấp hành đứng yên, đường cong cam là những cung tròn đồng tâm, với trục quay, đây là đường cong chạy không. Khi cam quay đồng tâm với trục, thì cơ cấu mà cam tác động sẽ đứng yên, hoặc quay tròn ở trạng thái không làm việc. Khi cơ cấu chấp hành làm việc, góc quay cam tương ứng với độ dài hành trình của cơ cấu chấp hành. Đường cong công tác là đường cong arsimet.

Khi cam chạy không hoặc lùi nhanh thể hiện bằng đường cong parabol, được lấy theo mẫu. Các đường cong khác nhau được nối bởi các cung tròn. Để tránh va đập, con lăn chỉ được tiếp xúc đường cong một điểm. Vì vậy bán kính của cung tròn phải lớn hơn bán kính con lăn khoảng 1mm.

Các thông số cần xác định:  R max: bán kính lớn nhất của đường cong cam.  R min: bán kính nhỏ nhất của đường cong cam  D: đường kính con lăn  R: độ dài tay đòn  A: khoảng cách giữa tâm trục phân phối và tâm quay của cần quay 10 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Hình 2.1 Sơ đồ bố trí cam đĩa Hình 2.2 Các thông số cơ bản của cam đĩa Trình tự vẽ cam: Vẽ các đường tròn có bán kính lần lượt là rmax, rmin, A, nếu con lăn tiếp xúc với biên dạng cam thì a = rmax + d/2, d: đường kính con lăn Trên vòng tròn có bán kính R max, được chia làm 100 phần hoặc 3600 Ta lấy điểm 0 tại vị trí thẳng góc với trục cam. Từ 0 vẽ đường tròn bán kính R cắt đường tròn bán kính A tại 01 Từ 01 với khẩu độ compa R đi qua điểm chia 0, và cắt đường tròn bán kính A tại 1 điểm, ta lấy điểm đó làm điểm xuất phát, và đặt các thông số từ phiếu điều chỉnh lên đường tròn bán kính A.

Cơ sở lý thuyết Dựa vào bảng điều chỉnh ta đặt các điểm ( các phần, góc quay hành trình công tác) lên vòng tròn có bán kính là A. Nếu góc quay chia bao nhiêu phần thì độ nâng h chia bấy nhiêu phần. Vẽ cung tròn tương ứng với các phần của độ nâng. Giao điểm giữa các cung tròn và đường phân chia, góc tương ứng là các điểm của đường arsimet.

Các điểm giao nhau càng nhiều, đường arsimet càng chính xác. Độ nâng H = rmax – rmin ( các thông số được ghi trong phiếu điều chỉnh) Bước xoắn t của đường cong: t/h = 100/25, t = 100h/25 Trong trường hợp cắt ren, đường cong thực tế hơi khác so với đường cong lý thuyết. Độ chênh lệch lớn nhất chiếm khoảng 10% - 15% độ nâng cắt ren Các đường cong phụ thuộc vào thời gian gia công chi tiết.2 Thiết kế cam thùng Vẽ cam thùng cũng dựa trên những số liệu đã được xác định ở phiếu điều chỉnh. Xác định các thông số cơ bản của cam, sau đó vẽ các đường cong công tác và chạy không Hình 2.3 Vị trí và các thông số cơ bản của cam thùng Ta triển khai cam thùng ra hình chữ nhật chu vi được chia ra 100 phần ( hoặc 360) hướng xuống, chiều còn lại là chiều dài cam.

Cơ sở lý thuyết Xác định tâm (O) đối với vị trí của cam thùng, lấy các điểm tâm (O) dọc theo đường biên của cam thùng. Với khẩu độ compa R, ta quay các cung tròn có tâm là (O) qua các điểm phân độ. Dựa vào phiếu điều chỉnh, ta xác định các đường cong của cam, trên hình từ cung 10 đến cung 40, phải thực hiện độ nâng. Xác định các điểm giao nhau giữa các cung này, tại điểm đã xác định vẽ đường tròn có đường kính bằng đường kính con lăn (d).

Vẽ đường tiếp tuyến ngoài giữa hai đường tròn trên, đó là đường công tác thực hiện độ nâng h từ cung 10 đến cung 40. Những rãnh cam thẳng góc với trục quay là những đường cam chạy không, cơ cấu chấp hành lúc này sẽ đứng yên. Các đường cong cam tiến hoặc lùi dao nhanh sẽ được vẽ theo mẫu và kèm theo máy. Các đường cong tiến hoặc lùi dao nhanh có thể là đường cong parabol hoặc hình sin bất kỳ.4 Các thông số cơ bản của mãnh cam Ví dụ: Thiết kế cam cho chi tiết trên máy tiện tự động 112 Sau khi thực hiện các bước chuẩn bị máy, xác định các chế độ cắt, công nghệ.

Ta lập được chu trình làm việc như hình 2. Cơ sở lý thuyết Hình 2.5 Sơ đồ chu trình làm việc của hệ thống cam cơ khí Bảng 2.1 Phiếu điều chỉnh Góc quay của o o Stt Bước gia công L H S nlv   cam Từo Đếno 1 Mở ống kẹp phôi - - 10 0 10 2 Ụ phôi lùi 42 - 42 21 10 31 3 Siết ống kẹp phôi - - 15 31 46 4 Dao cắt đứt lùi 6 - 18 9 46 55 5 Dao vạt góc vào 1.04 80 19 55 74 7 Dao vạt góc lùi 4.1 - 7 74 81 8 Dao tiện ngoài vào 2.04 780 185 81 266 10 Dao tiện ngoài lùi 2.5 - 9 266 275 11 Ụ phôi tiến nhanh 10.8 - 13 75 288 12 Cắt ren M6 x 20 21 t=1 (118) (28) (291) (319) 13 Bàn ren lùi 21 t=1 (21) (5) (319) (324) 14 Cơ cấu kẹp ôm chi tiết (4) 15 Dao cắt đứt vào 0.02 285 69 291 360 17 Cơ cấu kẹp mang chi (10) tiết đi 18 Phay rãnh vít (30) Tổng cộng 0  ki= 1145 273 87 14 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Thiết kế cam: Máy 112 chỉ dùng cam đĩa, để thực hiện chu trình ta cần thiết kế 3 loại : - Cam điều khiển ụ trục phôi. - Cam bàn dao đòn cân.

- Cam bàn dao đứng. Dựa vào phiếu điều chỉnh ta lập được bảng thông số cam như sau: Cam ụ trục phôi: Ta lấy R max = 80 mm Bảng 2.2 Thông số cam ụ trục phôi Khoảng nâng cam Δx Góc trước Góc sau Δθ = Góc sau - Góc trước (mm) 0 10 10 0 10 31 21 - 42 31 81 50 0 81 266 185 31.6 Hình vẽ cam ụ trục phôi 15 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Cam bàn dao đòn cân: Ta lấy R max = 65 mm Bảng 2.3 Thông số cam bàn dao đòn cân Khoảng nâng cam Δx Góc trước Góc sau Δθ = Góc sau - Góc trước (mm) 0 46 46 0 46 55 9 -18 55 77 22 0 77 81 4 -7.1 340 350 0 330 10 320 6 7 8 5 20 310 30 300 40 290 0 R125 Dmax130 50 280 1 46 60 270 291 55 A=135 288 70 260 275 77 266 81 80 250 90 240 Dmin70 100 3 230 2 110 220 4 120 210 5 130 200 140 19 180 150 0 170 160 Hình 2.7 Hình vẽ cam bàn dao đòn cân 16 Chương 2. Cơ sở lý thuyết Cam bàn dao đứng: Ta lấy R min = 45.4 Thông số cam bàn dao đứng Khoảng nâng cam Δx Góc trước Góc sau Δθ = Góc sau - Góc trước (mm) 0 46 46 0 46 52 6 4.8 Hình vẽ cam bàn dao đứng 17 Chương 2.Cơ sở thiết kế cam điện tử Từ những cơ sở lý thuyết về cách thiết kế cam cơ khí đã trình bày ở phần trên, ta dựa vào những thông số cam cơ khí như: thời gian trục công tác (trục phân phối) quay hết một vòng, đường cong cam, góc quay cam, khoảng dịch chuyển.