Hướng dẫn thiết kế và chế tạo mô hình bàn máy 3 trục sử dụng EtherCAT

• Tác giả: Lê Nguyễn Trung
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Lâm Chương
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Thiết kế, chế tạo mô hình bàn máy 3 trục sử dụng EtherCAT
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu
• 1.5. Phạm vi nghiên cứu
• 1.6. Phương pháp nghiên cứu
• 1.7. Kết cấu của ĐATN
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu về máy CNC
• 2.2. Lịch sử ra đời và quá trình phát triển
• 2.3. Phân loại máy CNC
• 2.4. Nhược điểm
• 2.5. Đặc tính của máy
• 2.6. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
• 2.6.1. Các nghiên cứu ngoài nước
• 2.6.2. Các nghiên cứu trong nước
• 2.7. Các tồn tại của các giao thức truyền dẫn dữ liệu
• 3. CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 3.1. Giao thức truyền thông EtherCAT
• 3.2. Mạng truyền thông Ethernet
• 3.3. Ưu điểm của EtherCAT so với Ethernet
• 3.4. Các ứng dụng của EtherCAT trong công nghiệp
• 3.5. Ứng dụng của EtherCAT trong điều khiển chuyển động
• 3.6. Sơ lược về Beckhoff Automation
• 3.7. Bộ kết nối EtherCAT Beckhoff EK1100
• 3.8. Giao thức EtherCAT được sử dụng trong bộ ghép nối EK1100
• 3.9. Ngôn ngữ bậc cao ST – Structured Text
• 3.10. Ngôn ngữ lập trình PLC
• 3.11. Ngôn ngữ lập trình PLC ST – Structured Text
• 4. CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ
• 4.1. Yêu cầu của đề tài
• 4.2. Phương hướng và giải pháp thực hiện
• 4.3. Lựa chọn phương án cho đề tài
• 4.4. Lựa chọn cơ cấu truyền động
• 4.4.1. Dùng vít me đai ốc
• 4.4.2. Chọn phương án
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ
• 5.1. Thiết kế cơ khí
• 5.2. Tính toán độ bền cụm trục X, Y
• 5.3. Tính toán lựa chọn động cơ
• 5.4. Yêu cầu thiết kế
• 5.5. Thiết kế cơ khí trên phần mềm
• 5.6. Hệ thống điện- điều khiển
• 5.6.1. Mạch điều khiển và nguyên lý hoạt động của bàn máy
• 5.6.2. Các thiết bị - linh kiện sử dụng
• 5.6.3. Xây dựng giải thuật điều khiển
• 5.6.3.1. Khái niệm nội suy
• 5.6.3.2. Nội suy đường thẳng
• 5.6.3.3. Nội suy đường cong
• 5.6.3.4. Mối quan hệ giữa các thuật toán nội suy và tập lệnh G-code
• 5.6.4. Chương trình chính
• 5.6.5. Phần mềm điều khiển
• 5.6.5.1. Cấu trúc của TwinCAT 3
• 5.6.5.2. Giao diện TwinCAT 3
• 5.6.5.3. Giao diện mô phỏng
• 6. CHƯƠNG 6: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM
• 6.1. Hình ảnh lắp đặt và kết quả
• 6.2. Mục đích thực nghiệm
• 6.3. Quy trình kiểm nghiệm
• 6.4. Bảng số liệu chạy thực nghiệm
• 6.5. Một số hình ảnh chạy thực nghiệm
• KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Thiết kế

Phần thiết kế của đồ án tập trung vào việc xây dựng mô hình bàn máy 3 trục sử dụng EtherCAT. Nhóm đã sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế các chi tiết cơ khí, bao gồm khung máy, cụm trục X, Y, Z và các bộ phận truyền động. Thiết kế này đảm bảo độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định của hệ thống. Các yêu cầu kỹ thuật như độ bền, độ cứng vững và không gian làm việc được tính toán kỹ lưỡng để phù hợp với mục tiêu đề ra.

1.1. Thiết kế cơ khí

Thiết kế cơ khí bao gồm việc tính toán và mô phỏng các chi tiết trên phần mềm SolidWorks. Nhóm đã thiết kế khung máy từ vật liệu nhôm định hình, đảm bảo độ cứng vững và trọng lượng nhẹ. Các cụm trục X, Y, Z được thiết kế với hệ thống vít me bi và thanh trượt để đạt độ chính xác cao. Mô phỏng ứng suất và hệ số an toàn (FOS) được thực hiện để kiểm tra độ bền của các chi tiết.

1.2. Thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được thiết kế dựa trên giao thức EtherCAT, sử dụng bộ kết nối Beckhoff EK1100 và các module EL7041, EL1008, EL2004. Phần mềm TwinCAT được sử dụng để lập trình và điều khiển các động cơ bước. Thiết kế này đảm bảo khả năng truyền thông nhanh chóng và độ chính xác cao trong điều khiển chuyển động.

II. Chế tạo

Quá trình chế tạo bao gồm gia công, lắp ráp các chi tiết cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển. Nhóm đã sử dụng máy CNC để gia công các chi tiết từ vật liệu nhôm và thép. Các cụm trục được lắp ráp với độ chính xác cao, đảm bảo khả năng hoạt động ổn định. Hệ thống điện và điều khiển được lắp đặt trong tủ điện, kết nối với các module EtherCAT và động cơ bước.

2.1. Gia công và lắp ráp

Các chi tiết cơ khí được chế tạo bằng máy CNC, đảm bảo độ chính xác và độ bền. Quá trình lắp ráp được thực hiện theo thiết kế, kiểm tra kỹ lưỡng các khớp nối và độ đồng trục của các cụm trục. Khung máy và bàn máy được lắp ráp hoàn chỉnh, sẵn sàng cho việc tích hợp hệ thống điều khiển.

2.2. Tích hợp hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được tích hợp bằng cách kết nối các module EtherCAT với động cơ bước và cảm biến. Phần mềm TwinCAT được cài đặt và lập trình để điều khiển chuyển động của các trục. Quá trình tích hợp đảm bảo khả năng truyền thông ổn định và độ chính xác cao.

III. Mô hình bàn máy 3 trục

Mô hình bàn máy 3 trục được thiết kế và chế tạo với khả năng di chuyển theo ba trục X, Y, Z. Hệ thống sử dụng vít me bi và thanh trượt để đạt độ chính xác cao. Mô hình này được ứng dụng trong môi trường giảng dạy, giúp sinh viên tiếp cận với công nghệ điều khiển hiện đại và phương pháp nội suy chuyển động.

3.1. Cấu trúc cơ khí

Cấu trúc cơ khí của mô hình bàn máy bao gồm khung máy, cụm trục X, Y, Z và bàn máy. Các chi tiết được thiết kế để đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác cao. Hệ thống vít me bi và thanh trượt được sử dụng để giảm ma sát và tăng độ chính xác trong chuyển động.

3.2. Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển của mô hình bàn máy sử dụng giao thức EtherCAT để điều khiển các động cơ bước. Phần mềm TwinCAT được sử dụng để lập trình và điều khiển chuyển động của các trục. Hệ thống này đảm bảo khả năng truyền thông nhanh chóng và độ chính xác cao.

IV. EtherCAT và hiệu quả

Giao thức EtherCAT được sử dụng trong đồ án nhằm đạt được hiệu quả cao trong truyền thông và điều khiển. EtherCAT cho phép truyền dữ liệu với tốc độ cao và độ trễ thấp, đảm bảo độ chính xác trong điều khiển chuyển động. Việc sử dụng EtherCAT giúp hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật của đề tài.

4.1. Ưu điểm của EtherCAT

EtherCAT có nhiều ưu điểm như tốc độ truyền thông cao, độ trễ thấp và khả năng mở rộng hệ thống dễ dàng. Giao thức này phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh, như trong điều khiển chuyển động của máy CNC.

4.2. Ứng dụng trong điều khiển chuyển động

EtherCAT được sử dụng để điều khiển các động cơ bước trong mô hình bàn máy 3 trục. Giao thức này đảm bảo khả năng truyền thông ổn định và độ chính xác cao, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật.

V. Công nghệ và tự động hóa

Đồ án ứng dụng các công nghệ hiện đại như EtherCAT, TwinCAT và phương pháp nội suy để đạt được tự động hóa cao trong điều khiển chuyển động. Việc sử dụng các công nghệ này giúp hệ thống hoạt động ổn định, đạt độ chính xác cao và phù hợp với môi trường giảng dạy.

5.1. Công nghệ điều khiển

Các công nghệ như EtherCAT và TwinCAT được sử dụng để điều khiển chuyển động của mô hình bàn máy 3 trục. Những công nghệ này đảm bảo khả năng truyền thông nhanh chóng và độ chính xác cao, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả.

5.2. Tự động hóa trong sản xuất

Việc ứng dụng tự động hóa trong đồ án giúp tăng hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình gia công. Mô hình bàn máy 3 trục có thể được ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.