Ứng dụng arduino trong điều khiển máy bẻ đai thép

TÓM TẮT:

Đai thép là một sản phẩm không thể thiếu trong ngành Xây dựng. Vì vậy, việc tạo ra đai thép là rất cần thiết. Đai thép có thể tạo ra bằng tay với số lượng ít hoặc công trình nhỏ. Để tạo ra số lượng đai thép nhiều, phải cần có máy bẻ đai thép chuyên dụng. Nhưng chi phí của hệ thống quá cao và trọng lượng lớn khó cơ động cho công trình vừa và nhỏ. Vì thế, việc ứng dụng bo mạch arduino điều khiển máy bẻ đai sẽ hết sức cần thiết, nhằm giảm chi phí, giảm khối lượng, tăng tính hiệu quả và dễ dàng điều khiển. Bài viết nghiên cứu về ứng dụng arduino trong điều khiển máy bẻ đai thép.

Từ khóa: máy bẻ đai thép, ngành Xây dựng, mạch arduino.

1. Tổng quan

Nhằm để đáp ứng nhu cầu tăng trưởng của ngành xây dựng công nghiệp và dân dụng, đòi hỏi phải có phương thức xây dựng, thi công nhanh gọn, chính xác và hiệu quả làm việc cao. Từ đó thay thế cho các phương thức thi công thủ công, lỗi thời trước đây.

Cùng với sự phát triển của khoa học nói chung và ngành cơ khí nói riêng. Đòi hỏi người cán bộ kỹ thuật phải nắm vững kiến thức cơ bản tương đối rộng. Đồng thời phải biết vận dụng kiến thức đó để giải quyết những vấn đề cụ thể thường gặp trong thực tế sản xuất, trong kỹ thuật, cũng như trong đời sống hằng ngày. Một số sản phẩm thép được dùng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp.

Hình 1: Các sản phẩm thép dùng trong dân dụng và công nghiệp

a. Sản phẩm thép được uốn                           b. Sản phẩm thép cắt đoạn

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại đai về hình dáng và kích cỡ như là đai hình vuông vắn, đai hình chữ nhật, đai hình tam giác, đai chữ C, … Tuy nhiên, thông dụng vẫn là đai hình vuông vắn, hình chữ nhật .

Hình 2: Các loại đai trên thị trường

a. Đai hình chữ nhật                                        b. Đai hình vuông

2. Cơ sở lý thuyết

2.1. Động cơ bước

Động cơ bước được sử dụng rất thông dụng. Động cơ bước có một số ít ưu điểm tiêu biểu vượt trội như tính hãm tốt, chiêu thức điều khiển và tinh chỉnh đơn thuần và giá tiền động cơ và bộ drive rẻ .
2.1.1. Phân loại và cấu trúc động cơ bước .
Động cơ bước hoàn toàn có thể được phân loại dựa theo cấu trúc roto hoặc cách cuốn dây trên stato .
– Dựa theo cấu trúc roto, động cơ bước được chia thành 3 loại : ( 1 ) Động cơ bước từ trở biến thiên ; ( 2 ) Động cơ bước nam châm hút vĩnh cửu ; ( 3 ) Động cơ bước lai .
– Dựa theo những cuốn dây trên stato, động cơ bước được chia thành 2 loại : ( 1 ) Động cơ bước đơn cực ; ( 2 ) Động cơ bước lưỡng cực .
Loại động cơ được sử dụng trong quy mô của nhóm là loại động cơ bước đơn cực, sở dĩ chọn loại động cơ này, vì đây là loại động cơ phổ cập trên thị trường. Do vậy, nhóm triển khai chỉ trình diễn về cấu trúc động cơ bước đơn cực .
2.1.2. Động cơ bước kiểu đơn cực .
Một kiểu quấn dây phổ cập khác là quấn dây đơn cực. Nó gồm có 2 cuộn dây trên 1 cực được liên kết sao cho khi quấn 1 cuộn dây được cấp nguồn năng lượng thì cực Bắc của nam châm từ được tạo ra, khi cuộn dây còn lại được cấp nguồn năng lượng thì cực Nam được tạo ra. Cách quấn dây kiểu này được gọi là đơn cực, chính bới cực điện tính điện, tức dòng điện, từ mạch đến những cuộn dây không khi nào bị hòn đảo chiều. Thiết kế này được cho phép làm đơn thuần mạch điện tử. Tuy nhiên, mômen sinh ra bị giảm khoảng chừng 30 % so với cuốn dây kiểu lưỡng cực .

Hình 3: Sơ đồ cuốn dây động cơ đơn cực

2.1.3. Nguyên lý hoạt động giải trí và tinh chỉnh và điều khiển động cơ bước
Khác với những loại động cơ thường thì, động cơ bước cần phải cấp xung đến những dây nguồn vào theo thứ tự nhất định thì động cơ mới hoàn toàn có thể hoạt động giải trí. Để có được xung tinh chỉnh và điều khiển theo tuần tự cấp vào những dây, mỗi động cơ bước cần có một driver chuyên sử dụng để điều khiển và tinh chỉnh nó. Vấn đề nguyên tắc tạo vào tinh chỉnh và điều khiển những xung liên tục hay dán đoạn cho những dây vào của động cơ bước được điều tra và nghiên cứu chi tiết cụ thể ở mục tiếp theo. Mục này chỉ trình diễn về nguyên tắc cơ bản để động cơ bước hoạt động giải trí được. Trước tiên, ta xét một động cơ bước kiểu đơn cực 6 dây ra, đây là loại động cơ được sử dụng trong sản xuất quy mô thực tiễn. Các thành phần của động cơ gồm có :
– Nam châm vĩnh cửu có 1 cặp cực Bắc – Nam ( N-S ) .
– Stato 200 răng ( độ phân giải của động cơ là 1.80 ), được khiển bởi những cặp cuộn dây A1-A2 và B1-B2 .

Hình 4: Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước đơn cực

Hình 5: Cấu tạo roto của động cơ bước đơn cực

Cấu tạo của roto gồm 2 cực Bắc – Nam sắp xếp dọc theo trục của roto như hình vẽ. Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng. Khi cực A-A1 có được cấp điện sao cho cực A là cực Bắc và cực A1 là cực Nam, khi đi cực A sẽ hút cực Nam trên roto về gần nhất ; đồng thời cực Bắc trên roto sẽ xa cực A nhất vì có sự sắp xếp lệch 1 răng trên roto. Các răng trên A và A1 cũng không được sắp xếp đối xứng mà chúng lệch nhau 1 răng. Vậy nên khi cực Bắc của roto xa A nhất thì nó lại gần A1 nhất, còn cực Nam của roto gần A nhất thì nó lại xa A1 nhất. Như vậy, lực hút giữa roto và stato là lớn nhất. Roto luôn được giữ ở vị trí cố định và thắt chặt trong từ trường của stato tạo ra sao cho tại cùng một bản cực trên stato thì một cực của roto gần nó nhất còn cực còn lại thì xa nhất. Khi cuộn A-A1 bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B1 được cấp điện, khi đó từ trường của stato bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chừng chênh lệch giữa cặp A-A1 và B-B1, từ trường này sẽ kéo roto quay lệch đi 1 răng. Cứ tuần tự cấp điện như vậy, ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của roto và kéo roto quay hết vòng .

2.2. Bo mạch Arduino Uno R3 [2]

Arduino thật ra là một bo mạch vi giải quyết và xử lý được dùng để lập trình tương tác với những thiết bị phần cứng như cảm ứng, động cơ, đèn hoặc những thiết bị khác. Đặc điểm điển hình nổi bật của Arduino là môi trường tự nhiên tăng trưởng ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn từ lập trình hoàn toàn có thể học một cách nhanh gọn ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Và điều tạo ra sự hiện tượng kỳ lạ Arduino chính là mức giá rất thấp và đặc thù nguồn mở từ phần cứng tới ứng dụng .

Bảng 1. Thông số Arduino

Hình 6: Bo mạch Arduno Uno-R3

2.3. I2C

I2C là thiết bị tiếp xúc ngoại vi cho rất nhiều loại IC khác nhau như những loại vi tinh chỉnh và điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM, chip nhớ như RAM tĩnh ( Static Ram ), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự như số ( ADC ), số tương tự như ( DAC ), IC điểu khiển LCD, LED, …
Một tiếp xúc I2C gồm có 2 dây : Serial Data ( SDA ) và Serial Clock ( SCL ). SDA là đường truyền dữ liệu 2 hướng, còn SCL là đường truyền xung đồng hồ đeo tay và chỉ theo một hướng. Như hình vẽ trên, khi 1 thiết bị ngoại vi liên kết vào đường I2C thì chân SDA của nó sẽ nối với dây SDA của bus, chân SCL sẽ nối với dây SCL .

Hình 7: I2C

3. Thực nghiệm

3.1. Sơ đồ kết nối các thiết bị vào bo mạch Arduino

Các thiết bị được liên kết với bo Arduino theo sơ đồ như Hình 8, Bảng 2 .

Hình 8a: Sơ đồ các thiết bị được kết nối với bo Arduino

Hình 8b: mô phỏng đấu dây các thiết bị với bo Arduino

Bảng 2. Kết nối các thiết bị vào bo mạch Arduino[2]

– Trích dẫn đoạn code điều khiển và tinh chỉnh :

3.2. Thiết kế – chế tạo các bộ phận máy bẻ đai thép [3]

3.2.1. Bộ phận duỗi thép
Nhiệm vụ : Nắn sắt cuộn tròn thành sắt thẳng .
Để nắn sắt cuộn thành sắt thẳng, ta cần phải khống chế 2 hướng lực của sắt cuộn đó là hướng Oz và hướng Oy. Dựa vào cách sắp xếp những con lăn đặt vuông góc nhau giúp khống chế những bậc tự do của thép cuộn theo hướng Oz và hướng Oy, chỉ được cho phép tịnh tiến theo hướng Ox .
Bộ duỗi được phong cách thiết kế theo tính thừa kế của sản phẩm trên thị trường có sẵn và đã được kiểm nghiệm trên thực tiễn .

Hình 9: Hình 3D khung duỗi

Hình 10: Bộ duỗi đã được hoàn thành

3.2.2. Thiết kế và sản xuất cơ cấu tổ chức cắt
a. Dao cắt
Nguyên lý cắt thép bằng áp lực đè nén lưỡi cắt là dùng 1 vật cứng hơn, bén hơn và có năng lực chịu mòn để cắt 1 vật mềm hơn và yếu hơn. Khi cắt ứng suất tập trung chuyên sâu tại mép dao là lớn nhất. Cho nên việc chọn vật tư làm dao rất là quan trọng để bảo vệ được độ bền của dao, năng lực chịu mài mòn, tính giòn vừa đủ để bảo vệ dao thao tác trong thời hạn dài mà không bị tác động ảnh hưởng. Trên thị trường lúc bấy giờ cũng có 1 số ít công ty bán dao cắt sắt bằng áp lực đè nén của 1 số ít máy cắt sắt như máy KM25, HQ40, … Tuy nhiên, để tương thích với đề tài nhóm, đã sử dụng vật tư thép thép gió làm lưỡi dao, ghép vào cán dao được làm bằng thép thường .

Hình 11: Dao cắt

b. Bộ phận cắt

Chuyển động chính của bộ phận cắt là hoạt động lên xuống của vitme mang theo lưỡi cắt chuyển dời lên xuống. Lực đẩy của bộ truyền vitme tương đối lớn, do đó việc phong cách thiết kế đồ gá và cơ cấu tổ chức kẹp chặt phải bảo vệ tính cứng vững, độ bảo đảm an toàn và hiệu suất cao .

Hình 12: Bộ phận cắt

Hình 13: Bộ phận cắt đã được hoàn thành

3.2.3. Thiết kế và sản xuất cơ cấu tổ chức uốn
Cơ cấu uốn một trong những bộ phận quan trọng của máy, với rất nhiều chiêu thức uốn đã được phong cách thiết kế và thiết kế hoạt động giải trí rất hiệu suất cao. Qua tìm hiểu và khám phá và khảo sát trong thực tiễn, nhóm nghiên cứu và điều tra đã lựa chọn dùng động cơ bước PK599AU đặt nằm ngang và mang theo cơ cấu tổ chức bẻ hoạt động tịnh tiến tích hợp với cữ chặn tạo góc uốn 90 o .

Hình 14: Bộ phận uốn

Hình 15: Bộ phận uốn được hoàn thành

Điểm đáng chú ý quan tâm của cơ cấu tổ chức bẻ là cách gá đặt động cơ sao cho khi thôi tính năng thì góc uốn của đai vẫn đạt 90 o. Sở dĩ ta có điểm chú ý quan tâm như vậy là vì :
– Uốn là một quy trình biến dạng dẻo có kèm theo biến dạng đàn hồi do đặc thù đàn hồi của vật tư. Sau khi uốn biến dạng đàn hồi mất đi kích cỡ và hình dạng sản phẩm đổi khác so với size và hình dạng của khuôn, hiện tượng kỳ lạ đó gọi là hiện tượng kỳ lạ đàn hồi sau khi uốn .
– Hiện tượng đàn hồi gây ra sự rơi lệch về góc uốn và nửa đường kính uốn, vì thế muốn cho đai có góc và nửa đường kính uốn đã cho thì nửa đường kính uốn và góc uốn phải biến hóa một lượng đúng bằng trị số đàn hồi .
– Bằng thực nghiệm người ta xác lập được rằng trị số đàn hồi phụ thuộc vào đa phần vào loại vật tư và chiều dày vật tư, hình dáng cụ thể uốn, nửa đường kính uốn tương đối r / s, lực uốn và giải pháp uốn .
Bằng giải pháp thực nghiệm nhóm đã thực thi và tìm ra góc lệch khi đặt động cơ vuông góc với đai .
3.2.4. Chế tạo hoàn hảo máy
Để triển khai xong máy và đưa máy vào hoạt động giải trí phải trải qua nhiều quá trình khác nhau từ khảo sát trong thực tiễn, đưa ra ý tưởng sáng tạo, lựa chọn giải pháp phong cách thiết kế, phong cách thiết kế trên ứng dụng và gia công cơ khí. Các quá trình trải qua yên cầu thời hạn, sự nỗ lực điều tra và nghiên cứu .
Gia công cơ khí là một việc làm khó khăn vất vả yên cầu sự hiểu biết nhất định về cơ khí, kinh nghiệm tay nghề và chiêu thức thực thi. Để gia công đúng chuẩn một sản phẩm cơ khí nhờ vào vào nhiều yếu tố mà đặc biệt quan trọng là kinh nghiệm tay nghề và máy móc tân tiến .

Hình 16: Hình máy thực tế

Hình 17: Đai thép đã được bẻ hoàn chỉnh

4. Kết luận và kiến nghị

Sử dụng Arduino để tinh chỉnh và điều khiển máy bẻ đai với hiệu suất 6000 đai / ngày đã mở ra một hướng mới nhằm mục đích tăng hiệu suất, giảm giá tiền sản phẩm máy và nhân công thực thi. Với những thao tác thuận tiện, người công nhân hoàn toàn có thể hiệu chỉnh những kích cỡ đai thép với chiều rộng, chiều dài tùy ý, nhằm mục đích tăng năng lực ship hàng cho những kiểu khu công trình khác nhau. Ngoài ra, mở ra năng lực hoàn toàn có thể ứng dụng tinh chỉnh và điều khiển Arduino trong nghành sản xuất là điều rất khả thi .

TÀI LIỆU THAM KHẢO:

1. Nguyễn Quang Hùng, Trần Ngọc Bình (2003). Động cơ bước – kỹ thuật điều khiển và ứng dụng. Hà Nội: Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
2. Phạm Quang Huy, Nguyễn Trọng Hiếu (2016). Vi điều khiển và ứng dụng Arduino. Hà Nội: Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.
3. Trịnh Chất, Lê văn Uyển (2000). Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí – tập 1. Hà Nội: Nhà xuất bản Giáo dục.

USING THE ARDUINO BOARD

TO CONTROL THE STEEL BENDING MACHINE

• DUONG MINH HUNG

Faculty of Engineering and Technology
Tra Vinh University

ABSTRACT:

Xem thêm: TOP 7 ứng dụng hack game siêu hot dành cho mọt game

Steel belt is an indispensable product in the construction industry. Therefore, the manufacturing of steel belts is very necessary. Steel belts can be manufactured manually in small quantities for small works. However, it requires a spcialized steel bending machine to make a large number of steel belts but this bending machine is expensive and heavy, hence it is not suitable for small and medium works. As a result, it is essential to use the Arduino board to control the bending machine in order to reduce the machines cost and weight, and also improve the machines performance. This paper studies the using the Arduino board to control the steel bending machine .

Keywords: steel bending machine, construction sector, Arduino board.

[Tạp chí Công Thương – Các kết quả nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghệ, Số 5, tháng 3 năm 2022]

Source: https://vh2.com.vn
Category : Ứng Dụng