Đồ án Cơ điện tử

dòng điện tối đa mặc dù rotor không chuyển động. Đây là nguyên nhân chính mà các động cơ b−ớc th−ờng bị nóng ngay cả khi đứng yên, không chuyển động. Các nh−ợc điểm chính khi sử dụng loại động cơ b−ớc là: - Gây ra hiện t−ợng cộng h−ởng và thời gian giảm hiện t−ợng này t−ơng đối dài. - B−ớc di chuyển t−ơng đối thô ở tốc độ thấp trừ khi xử dụng động cơ loại b−ớc nhỏ. - Do hoạt động theo chu trình mạch hở do vậy độ tin cậy về vị trí bị giảm. - Chúng luôn tiêu thụ điện năng ở mức cao không phụ thuộc vào phụ tải do vậy th−ờng bị nóng. - Giảm moment xoắn khi tăng tốc độ và th−ờng gây tiếng ồn (đặc biệt ở tốc độ cao) . - Các động cơ b−ớc đ−ợc xếp loại theo số b−ớc trong một giây, b−ớc góc và moment tải mà động cơ có thể thực hiện. Tốc độ của động cơ b−ớc phụ thuộc vào b−ớc góc và tốc độ b−ớc. Có 3 dạng động cơ b−ớc chính là: động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet - P. M. - Motor), động cơ từ biến (Variable Reluctance - V. R. - Motor) và động cơ hỗn hợp (Hybrid Motor) . Hình 6.9 Vỏ động cơ bước Động cơ nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor là loại nam châm vĩnh cửu hoạt động dựa trên nguyên tắc t−ơng tác giữa từ tr−ờng của nam châm vĩnh cửu của rotor và tr−ờng điện từ. Rotor của loại động cơ này có thể đ−ợc ghép bởi nhiều cặp cực từ đ−ợc gọi và các răng. Mỗi cuộn dây của stator cũng có thể đ−ợc chia thành nhiều răng. Các răng trên bề mặt của rotor và trên cực từ của stator luôn thẳng với nhau do vậy chỉ có một số l−ợng giới hạn các răng trên rotor thẳng hàng với cực từ đ−ợc cấp điện của stator. Số l−ợng răng trên rotor và trên stator quyết định góc b−ớc. Số răng càng lớn thì b−ớc quay của rotor càng nhỏ. Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp của loại động cơ này làm cho nó trở thành một sự lựa chọn lý t−ởng cho các ứng dụng phi công nghiệp, ví dụ nh− trong máy in. Hình 6.9 mô tả sơ đồ cấu trúc của động cơ b−ớc kiểu nam châm vĩnh cửu. Rotor có hai cực từ và vỏ của động cơ đ−ợc lắp đặt bốn cuộn dây. Trình tự đóng/ngắt điện vào các cuộn dây sẽ làm cho rotor quay theo sự thay đổi của từ tr−ờng. Trình tự đóng/ngắt điện vào các cuộn dây này đ−ợc gọi là mẫu pha. Có một vài dạng mẫu pha chung nhất làm cho rotor quay là b−ớc đầy đủ (full step) và nửa b−ớc (half step). Hình 6.10 mô tả sơ đồ truyền xung vào các cuộn dây theo mẫu pha đầy đủ. Thứ tự của các xung d−ơng và âm sẽ làm cho rotor quay theo chiều kim đồng hồ theo các b−ớc góc là 90 độ. Động cơ sử dụng mẫu pha đầy đủ có thiết kế đơn giản nhất và có một thứ tự điều khiển cho mỗi cuộn dây là hai chu kỳ bật và hai chu kỳ tắt kế tiếp nhau. Hình 6.10 Hình 6.11 Hình 6.11 mô tả sơ đồ truyền xung vào các cuộn dây theo mẫu pha nửa b−ớc. Thứ tự của các xung d−ơng, không có và âm sẽ làm cho rotor quay theo chiều kim đồng hồ theo các b−ớc góc là 45 độ. Kiểu hoạt động theo mẫu pha nửa b−ớc làm cho động cơ chuyển động trơn hơn (b−ớc góc nhỏ hơn) và chạy êm hơn với tốc độ và hiệu quả cao hơn tuy sơ đồ điều khiển có phức tạp hơn so với kiểu hoạt động theo mẫu pha b−ớc đầy đủ. Phát triển mới nhất hiện nay về kiểu động cơ này là dạng rotor đĩa mỏng (thindisk rotor). Dạng động cơ b−ớc này hao phí năng l−ợng ít hơn cho cho các hao tán, ví dụ nh− nhiệt năng, so với dạng rotor hình trụ do vậy đ−ợc xem có hiệu suất cao hơn. Động cơ b−ớc sử dụng rotor dạng này còn có khả năng tạo ra số b−ớc trong một giây nhiều gấp đôi so với loại sử dụng rotor thông th−ờng. Hình 6.12 giới thiệu cấu trúc cơ bản của động cơ b−ớc nam châm vĩnh cửu sử dụng rotor đĩa mỏng đ−ợc cấu tạo từ một dạng đặc biệt của thép Coban. Phase 2 Phase 1 Soft magnetic iron Hình 6.12 Động cơ bước sử dụng rotor đĩa mỏng Động cơ từ biến (variable-reluctance - VR) không sử dụng nam châm vĩnh cửu do vậy rotor có thể chuyển động mà không bị cản trở hoặc moment h∙m khi đứng yên. Dạng cấu trúc này rất phù hợp cho các ứng dụng phi công nghiệp mà không yêu cầu moment xoắn cao. Khi các cuộn dây của stator đ−ợc đóng điện, các răng của rotor sẽ thẳng hàng với các cực từ đ−ợc đóng điện đó của stator. Dạng động cơ này hoạt động theo nguyên lý cực tiểu hoá từ trở theo h−ớng di chuyển của tr−ờng điện từ tác động. Bằng cách thay đổi thứ tự cuộn dây đ−ợc đóng điện của stator, từ thông của stator thay đổi và làm cho rotor chuyển động sang vị trí khác. Stator của động cơ b−ớc từ trở có các cực từ đ−ợc cấu tạo từ các lá sắt mỏng ghép lại với nhau, rotor đ−ợc làm từ thép mềm không từ hoá có các răng và các r∙nh. Mối quan hệ giữa b−ớc góc, số răng của rotor và số răng của stator có thể đ−ợc biểu diễn thông qua công thức sau: (6.1) trong đó: y - b−ớc góc của động cơ tính theo độ. Ns - số răng trên cực từ của stator Nr - số răng trên rotor Sơ đồ cấu tạo của động cơ từ biến đ−ợc mô tả ví dụ trong Hình 6.13 có số răng của rotor ít hơn số răng trên stator (6 răng trên stator và 4 răng trên rotor). Điều này luôn đảm bảo rằng, tại bất cứ thời điểm và tr−ờng hợp nào cũng chỉ có một cặp răng trên stator và trên rotor thẳng hàng với nhau. Việc đóng điện vào các cuộn dây trên stator đ−ợc thực hiện theo từng nhóm gọi là các pha. Theo công thức (6.1), b−ớc góc của động cơ sẽ là 30 độ theo mỗi lần xung đ−ợc chuyển vào stator. Hình 6.13 Sơ đồ hoạt động của động cơ bước Hình 6.13 (a) mô tả vị trí của rotor khi pha A đ−ợc đóng điện và vị trí này sẽ đ−ợc duy trì cùng với việc duy trì dòng điện trong pha A. Khi ngắt điện pha A và đóng điện vào pha B, rotor sẽ quay 30 độ cho đến khi hai cực của rotor thẳng hàng với hai cực từ của pha B nh− trong Hình 6.13 (b). T−ơng tự, hiệu quả của việc ngắt điện pha B và đóng điện vào pha C đ−ợc thể hiện trên Hình 6.13 (c). Lúc này, rotor lại quay tiếp 30 độ và thẳng với hai cực từ của pha C. Sau khi xoay 60 độ từ điểm bắt đầu, động cơ đ∙ hoàn thành một chu kỳ cấp điện vào các cuộn dây của stator. Hình 6.13 (d) thể hiện thứ tự chuyển mạch vào các cuộn dây để rotor hoàn thành việc quay đủ 360 độ theo chiều kim đồng hồ. H−ớng quay của rotor có thể đ−ợc thay đổi bằng cách đảo ng−ợc trình tự đóng/ngắt điện vào các pha. Loại động cơ b−ớc vừa nói ở trên là các động cơ đơn. Nh−ợc điểm của thiết kế này là b−ớc góc nói chung là lớn. Để khắc phục nh−ợc điểm này, ng−ời ta sử dụng loại động cơ ghép nhiều cụm để có thể tạo ra các b−ớc góc nhỏ hơn do động cơ đ−ợc chia thành nhiều cụm cách từ với nhau dọc theo chiều dài trục động cơ. Mỗi cụm trong số đó đ−ợc kích động bằng một cuộn dây hay pha độc lập, mỗi một cụm t−ơng ứng với một pha và số l−ợng răng trên rotor và stator là bằng nhau. Do dạng động cơ này không sử dụng nam châm vĩnh cửu nên nó không thể sử dụng các loại điều khiển nh− của các loại động cơ b−ớc khác. Động cơ b−ớc kiểu hỗn hợp đ−ợc sử dụng rộng r∙i nhất và tổng hợp các nguyên lý hoạt động của hai kiểu động cơ b−ớc đ∙ trình bày ở trên. Kiểu động cơ này gồm hai mảnh thép mềm đ−ợc từ hoá theo trục bao quanh một rotor nam châm vĩnh cửu hình trụ. Cấu trúc cực từ của stator giống hệt nh− của động cơ b−ớc kiểu từ biến. Sự khác nhau chủ yếu là ở động cơ b−ớc kiểu từ biến chỉ có một trong hai cuộn dây của một pha sẽ tạo nên một cực từ trong khi đó ở động cơ b−ớc kiểu hỗn hợp cùng một cực từ đ−ợc tạo thành từ nhiều cuộn dây của hai pha khác nhau. Hai cuộn dây tại một cực tạo thành một cấu hình đ−ợc gọi là một quan hệ song song. Mỗi cực của một động cơ hỗn hợp đ−ợc bao quanh bởi các răng có khoảng cách nhất định làm từ thép mềm. Các răng trên hai phần của mỗi cực lệch nhau nửa b−ớc răng. Moment xoắn của động cơ đ−ợc tạo ra bởi sự t−ơng tác giữa từ tr−ờng của nam châm vĩnh cửu và từ tr−ờng tạo bởi stator. 6.2.3.2 Động cơ Servo (Servo motors): Động cơ servo hiện nay có cả các loại động cơ sử dụng điện một chiều và điện xoay chiều. Tr−ớc đây các động cơ servo th−ờng là động cơ sử dụng điện một chiều vì chỉ có thể điều khiển các dòng điện lớn bằng các bộ chỉnh l−u bán dẫn. Khi các bóng bán dẫn có khả năng điều khiển các dòng điện lớn và có thể chuyển mạch các dòng điện lớn với tần số cao thì các động cơ servo sử dụng điện xoay chiều ngày càng đ−ợc sử dụng nhiều hơn. Tr−ớc đây các động cơ servo đ−ợc thiết kế chủ yếu sử dụng các bộ khuyếch đại phụ. Hiện nay loại động cơ này đ−ợc thiết kế có thể sử dụng một bộ khuyếch đại phụ hoặc một bộ điều khiển biến tần và một động cơ cảm ứng sử dụng điện xoay chiều mà đ−ợc nối với một bộ điều khiển tốc độ cũng có thể đ−ợc gọi là một động cơ servo. Một động cơ đ−ợc thiết kế là động cơ servo cần phải có một số thay đổi bao gồm khả năng hoạt động ở một dải vận tốc mà không bị nóng, khả năng hoạt động ngay cả khi vận tốc bằng không và duy trì moment xoắn thích hợp để giữ tải tại một vị trí nhất định và khả năng hoạt động ở những tốc độ rất thấp trong những khoảng thời gian dài mà không bị nóng. Các động cơ kiểu cũ th−ờng có các quạt làm mát nối trực tiếp vào trục động cơ, khi động cơ vận hành với tốc độ thấp, quạt không thổi đủ l−ợng không khí để làm mát động cơ. Các động cơ kiểu mới đ−ợc gắn các quạt làm mát tách rời do vậy chúng có thể cung cấp l−ợng không khí làm mát một cách tối −u. Một trong những dạng động cơ servo là loại động cơ servo sử dụng nam châm vĩnh cửu. Điện thế cấp cho các cuộn dây sử dụng trong các động cơ servo kiểu nam châm vĩnh cửu có thể là điện áp xoay chiều hoặc điện áp một chiều. Hình 6.14 Cấu tạo động cơ servo sử dụng nam châm vĩnh cửu Hình 6.14 mô tả sơ đồ cấu tạo của một động cơ nam châm vĩnh cửu bao gồm vỏ, rotor, stator trông giống nh− các dạng động cơ kiểu nam châm vĩnh cửu khác. Sự khác nhau chủ yếu của dạng động cơ này là nó có thể có bộ truyền động giảm tốc để có thể nhanh chóng di chuyển các tải lớn từ trạng thái đứng yên. Dạng động cơ này cũng có thể có một bộ giải m∙ hoặc thiết bị phân tích đ−ợc lắp đặt bên trong vỏ động cơ. Chúng giúp cho thiết bị có thể xác định chính xác vị trí và tốc độ của trục động cơ. Động cơ servo không có chổi góp đ−ợc thiết kế thay cho việc đảo mạch thông qua các chổi góp sang đảo mạch bằng điện tử. Việc đảo mạch bằng điện tử đ−ợc thực hiện bằng cách chuyển mạch các bóng bán dẫn tắt hay bật theo các khoảng thời gian t−ơng ứng. Đặc điểm chính của loại động cơ servo kiểu không có chổi góp là nó có thể sử dụng cả loại điện áp xoay chiều lẫn điện áp một chiều. Hình 6.15, Hình 6.16 và Hình 6.17 giới thiệu 3 ví dụ về dạng xung điện áp và dòng đ−ợc đ−a vào một động cơ servo không có chổi góp. Hình 6.15 mô tả suất điện động hình thang và xung dòng hình vuông, Hình 6.16 mô tả suất điện động hình sin và xung dòng hình vuông và Hình 6.17 mô tả Suất điện động hình sin và xung dòng sin đ−ợc đ−a vào một động cơ servo không có chổi góp. Tín hiệu vào hình sin và dạng xung dòng hình sin là dạng điện nguồn thông dụng nhất cho các động cơ servo không có chổi góp. Motor XUNG DÒNG HÌNH VUÔNG Suất điện động hình thang BỘ GIẢI MÃ CHUYỂN PHA BỘ ĐO TỐC ĐỘ GÓC R S Hình 6.15 Động cơ servo kiểu không có chổi góp dòng hình chữ nhật Động cơ servo kiểu không có chổi góp dùng điện một chiều Động cơ chuyển mạch điện tử Motor XUNG DÒNG HÌNH VUÔNG Suất điện động hình sin BỘ GIẢI MÃ CHUYỂN PHA BỘ ĐO TỐC ĐỘ GÓC R S Hình 6.16 Động cơ servo sáu b−ớc Động cơ servo hình thang Động cơ servo kiểu không có chổi góp sóng hình chữ nhật DÒNG HÌNH SIN Suất điện động hình sin hoặc động cơ cảm ứng BỘ GIẢI MÃ HOẶC THIẾT BỊ PHÂN TÍCH Motor R S T Hình 6.17 Động cơ servo kiểu không có chổi góp Động cơ servo dùng điện xoay chiều Động cơ servo kiểu không có chổi góp hình sin Hình 6.18 giới thiệu một ví dụ về các sơ đồ các cuộn dây của động cơ servo kiểu không có chổi góp có ba bộ bóng bán dẫn t−ơng tự nh− các bóng bán dẫn ở đầu ra của các thiết bị biến tần. a) Sơ đồ nối các bóng bán dẫn vào 3 cuộn dây trong động cơ servo không có chổi góp. Các bóng bán dẫn đ−ợc nối vào 3 cuộn dây của động cơ theo cách t−ơng tự nh− trong thiết bị biến tần. b) Các dạng xung của ba điện áp riêng biệt đ−ợc dùng để cấp vào 3 cuộn dây của động cơ. Đây là sơ đồ các dạng xung đầu ra của các bóng bán dẫn đ−ợc thể hiện theo 3 sóng hình sin riêng biệt. RU SU TU RL SL TL R S T VBUS SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ (a) 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 + 0 - + 0 - + 0 - VCỰC ĐẠI GÓC ĐIỆN TỪ EES 0 360 120 0 SUẤT ĐIỆN ĐỘNG NGƯỢC TỔNG THỂ 60 180 240 300 60 (d) 0 360 120 0 60 180 240 300 60 Độ chênh giữa các điểm cực đại 1: TRANSISTOR “ON”; 0: TRANSISTOR “OFF” VỊ TRÍ ROTOR GÓC ĐIỆN TỪ EES TRÌNH TỰ ĐIỀU KHIỂN ĐẢO NGƯỢC (c) SUẤT ĐIỆN ĐỘNG NGƯỢC PHA ĐẾN PHA (b) Hình 6.18 VR-S VR-T VS-T RU SU TU RL SL TL c) Các dạng xung của tín hiệu đ−ợc dùng để điều khiển thứ tự chuyển mạch của các bóng bán dẫn tạo nên các dạng sóng điện trong sơ đồ trên. Đây là dạng xung cho mạch điều khiển cấp cho các bóng bán dẫn. d) Dạng sóng suất điện động ng−ợc tổng thể. Các bộ điều khiển động cơ servo cần phải có khả năng đ−a ra một số quyết định và giải m∙ các tín hiệu nhận đ−ợc từ các cảm biến, điều khiển hệ thống, truyền thông với các bộ điều khiển chính hoặc các thiết bị PLC nếu các thiết bị này có giao tiếp với hệ thống servo. Hình 6.19 mô tả một ví dụ về sơ đồ của một bộ điều khiển động cơ servo sử dụng điện áp một chiều. ISOLATION/STEP DOWN TRANSFORMER SINGLE PHASE 115 VAC INPUT +DIFF -DIFF AUXILIARY INPUT COMMON 550 PULL-UP VELOCITY COMMAND SINGNAL (VCS) (AUX) (550) 550 FAULT (OVDC) CLAMP PULL-UP 1 2 3 4 5 6 8 7 9 10 P1 (±) N.O. INH N.C. FAC RAC VELOCITY CLAMP MOTOR CURRENT OUTPUT (0-10V) EXTERNAL CURRENT LIMIT (MCO) MOTOR CURRENT OUTPUT (MVO) MOTOR VELOCITY OUTPUT (POSITIVE) (NEGATIVE) EXTERNAL VCS POWER N.C. (TORQUE MODE) COMMON EXTERNAL VCS POWER (ECL) (MCO) NOT MOTOR TACH HIGH NEUTRAL GND MAIN DISCONNECT P2 P3 2 7 10 9 8 6 5 4 3 1 1 2 4 5 3 8 7 6 MAX-430 20-85 VAC Hình 6.19 sơ đồ bộ điều khiển động cơ Servo Bộ điều khiển có 3 cổng có thể nhận tín hiệu vào hoặc gửi tín hiệu từ bộ điều khiển đi đến các thiết bị khác. Điện nguồn cung cấp cho bộ điều khiển, cho động cơ servo và bộ đo tốc độ góc đ−ợc nối vào cổng P3 ở phía d−ới bộ điều khiển. Điện nguồn cung cấp cho hệ thống sử dụng điện áp xoay chiều, 1pha, 115V. Bộ bảo vệ chính đảm bảo ngắt mạch điện khi có sự cố đ−ợc lắp nối tiếp trên dây pha. Hai dây pha và trung tính cung cấp điện nguồn vào một bộ biến thế đảm bảo điện áp thứ cấp là 20V- 85V. Bộ điều khiển đ−ợc tiếp đất tại cầu đấu số 8 trên cổng P3 để bảo vệ chống hiện t−ợng rò điện trên tất cả các bộ phận kim loại trong hệ thống. Động cơ servo đ−ợc nối với bộ điều khiển tại cầu đấu số 4 (-) và cầu đấu số 5 (+). Cầu đấu số 3 đ−ợc nối đất với vỏ bảo vệ cho các dây nối giữa động cơ và bộ điều khiển. Bộ đo tốc độ góc đ−ợc nối với cầu đấu số 2 (+) và cầu đấu số 1 (-). Vỏ bảo vệ cho các dây điện này đ−ợc nối với vỏ của động cơ. Các dây điện nối với cổng P3 sẽ có kích th−ớc tiết diện lớn hơn các dây điện nối với các cổng khác do chúng phải có khả năng tải dòng điện động cơ lớn. Trong hầu hết mọi tr−ờng hợp, quạt làm mát sẽ đ−ợc cung cấp điện bằng điện áp 1 pha hoặc 3 pha có điện áp đ−ợc duy trì không đổi ví dụ nh− điện xoay chiều 110V hoặc 220V. Sơ đồ này giới thiệu các tín hiệu số (tắt/bật) và các tín hiệu t−ơng tự có thể đ−ợc chuyển đến bộ điều khiển và các tín hiệu điều khiển gửi ng−ợc trở lại từ bộ điều khiển đến bộ điều khiển chính hoặc bộ PLC. Tín hiệu lệnh điều khiển đ−ợc gửi đến bộ điều khiển thông qua cổng P1 tại cầu đấu 1 (+) và cầu đấu 2 (-). Tín hiệu này là một dạng tín hiệu không đ−ợc tiếp đất hay không dùng chung điện thế tiếp đất với bất cứ phần nào của mạch điều khiển. Một số các tín hiệu ngoại vi phụ khác cũng có thể đ−ợc nối vào cổng P1. Các tín hiệu này bao gồm tín hiệu dừng (INH) đ−ợc sử dụng để dừng động cơ từ một bộ điều khiển bên ngoài, các lệnh quay xuôi (FAC) hoặc quay ng−ợc (RAC) làm cho bộ điều khiển gửi các tín hiệu điện tới động cơ để nó quay theo chiều thuận hoặc chiều nghịch. Trong một vài ứng dụng, các công tắc giới hạn hành trình thuận và ng−ợc đ−ợc nối vào để đảm bảo nếu thiết bị di chuyển v−ợt quá giới hạn và chạm vào các công tắc đó, nó sẽ tự động dừng động cơ hay dảo chiều chuyển động của động cơ theo chiều ng−ợc lại. Cổng P1 cũng cung cấp một vài tín hiệu số có thể đ−ợc sử dụng để gửi các tín hiệu thông báo lỗi hoặc các thông tin trạng thái hoạt động của động cơ ng−ợc trở lại cho bộ điều khiển chính hoặc bộ PLC. Cổng P2 dùng để giao tiếp với các tín hiệu t−ơng tự. Các tín hiệu điển hình cho dạng này bao gồm dòng của động cơ và các tín hiệu về tốc độ của động cơ mà có thể gửi từ bộ điều khiển đến các bộ điều khiển chính hay bộ PLC khi chúng cần sử dụng để kiểm tra đảm bảo các tín hiệu do bộ điều khiển chuyển đến là các thông tin chính xác về động cơ. Các tín hiệu đầu vào đ−ợc gửi từ bộ điều khiển chính hay bộ PLC cũng có thể đ−ợc gửi đến bộ điều khiển để thiết lập giá trị dòng và vận tốc tối đa cho động cơ. Qua một số phân tích trên, ta có thể so sánh hai loại động cơ b−ớc và động cơ servo nh− sau: Động cơ b−ớc Động cơ servo Độ phân giải và độ chính xác Đối với một trục vít cho tr−ớc, các động cơ b−ớc bốn pha điển hình có thể tạo ra 200 b−ớc đầy đủ, 400 nửa b−ớc và có thể lên đến 25. 000 b−ớc siêu nhỏ trong một vòng quay. Do động cơ b−ớc là loại mạch điều khiển hở nên nó không thể đạt đ−ợc vị trí chính xác cần thiết, đặc biệt d−ới tác động của tải. Đặc biệt, độ chính xác về vị trí còn rất thấp khi sử dụng loại b−ớc siêu nhỏ là loại đặc biệt có hiệu quả cho các chuyển động trơn. Độ phân giải của động cơ servo phụ thuộc vào bộ giải m∙ đ−ợc sử dụng. Các bộ giải m∙ có thể tạo ra 2. 000 đến 4. 000 xung điều khiển trong một vòng quay cũng nh− hiện đ∙ có các bộ giải m∙ có thể cung cấp đến 10. 000 xung điều khiển trong một vòng quay. Động cơ servo sử dụng mạch điều khiển kín nên nó có thể đạt đ−ợc độ phân giải cho phép và có khả năng duy trì độ chính xác vị trí. Tốc độ và nguồn Các động cơ b−ớc th−ờng có tính năng về moment xoắn thấp ở tốc độ cao. Tính năng này có thể tăng lên ở một số tr−ờng hợp khi sử dụng động cơ b−ớc siêu nhỏ, tuy nhiên, ngoại trừ việc động cơ b−ớc sử dụng mạch điều khiển kín, nó th−ờng không thể hoạt động tốt nh− loại động cơ servo. Động cơ servo có khả năng tạo ra các tốc độ và sức mạnh nhiều hơn các động cơ b−ớc có kích cỡ t−ơng đ−ơng từ 2 đến 4 lần. Sự tiến bộ này là kết quả trực tiếp do sử dụng mạch điều khiển kín cho phép tốc độ lớn hơn và độ tin cậy cao hơn. Việc sử dụng mạch điều khiển kín cũng cho phép các hệ thống này tận dụng tốt hơn các khả năng về moment xoắn cực đại. Động cơ b−ớc Động cơ servo Mạch điều khiển kín và mạch điều khiển hở Các động cơ b−ớc hầu hết th−ờng sử dụng cấu hình mạch điều khiển hở. Nếu sử dụng mạch điều khiển kín chúng cũng trở nên đắt ngang hoặc cao hơn so với các hệ thống động cơ servo. Việc sử dụng mạch điều khiển hở của các động cơ b−ớc là hạn chế cơ bản nhất của chúng. Các lệnh điều khiển đ−ợc đ−a ra để thực hiện một l−ợng chuyển động cho tr−ớc và không tính đến các tr−ờng hợp không l−ờng tr−ớc (ví dụ nh− cơ cấu chấp hành bị kẹt), động cơ sẽ di chuyển theo l−ợng chuyển động cho tr−ớc đó. Trong một số tr−ờng hợp, các lực cộng h−ởng không mong muốn có thể làm cho động cơ b−ớc bị bỏ qua một số b−ớc chuyển động hoặc động cơ bị kẹt không chuyển động. Các động cơ servo th−ờng sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí trong mạch điều khiển kín của mình. Các tín hiệu phản hồi vị trí đ−ợc sử dụng để hiệu chỉnh bất cứ sự sai lệch nào giữa vị trí mong muốn và vị trí thực. Việc hiệu chỉnh chính xác vị trí đ−a đến kết quả trong các tốc độ lớn và tăng công suất (có thể tới 3 lần) ở các tốc độ cao. Việc sử dụng mạch điều khiển kín trong động cơ servo cũng đảm bảo không xảy ra trạng thái bị kẹt trừ khi có một vật không thể di chuyển ngăn cản trên qu∙ng đ−ờng đi của nó. 6.2.4 Cảm biến, tín hiệu đo l−ờng và điều khiển Các cảm biến sử dụng trong Robot có thể đ−ợc phân chia thành các cảm biến bên trong và cảm biến ngoài. Hầu hết các Robot trong công nghiệp chỉ sử dụng loại cảm biến bên trong và việc sử dụng các cảm biến ngoài là rất cần thiết đối với các Robot thông minh và tự động. Cảm biến trong: Các cảm biến này đo các thuộc tính bên trong của Robot nh− chuyển động của các khớp hay lực tác động lên các khớp. Có một số dạng cảm biến bên trong sau: - Các bộ m∙ hoá và phân tích: Các cảm biến này đo góc t−ơng đối giữa hai liên kết kề nhau (nối với nhau bằng một khớp). - Các bộ đo vị trí tuyến tính: Các cảm biến này xác định vị trí t−ơng đối của hai vật nối với nhau bằng khớp tr−ợt. - Bộ đo tốc độ: Bộ cảm biến này sẽ đ−a ra một điện thế tỷ lệ với tốc độ động cơ hoặc khớp liên kết bằng cách vi phân các tín hiệu vị trí của bộ m∙ hoá. Tuy nhiên các tín hiệu này th−ờng ở dạng nhị phân và ph−ơng pháp vi phân số sẽ đ−a ra kết quả không thật chính xác đối với các vận tốc chậm hay tần số mẫu cao. - Cảm biến dòng hay moment xoắn: Các cảm biến này đo dòng trong các động cơ hoặc trực tiếp hơn là đo moment xoắn tác động vào khớp liên kết. - Bộ đo gia tốc: Đo gia tốc (theo một hay nhiều h−ớng không gian) tại một điểm của Robot mà nó gắn vào. Các bộ đo gia tốc sẽ cho kết quả không thật chính xác khi gia tốc nhỏ và các gia tốc góc khó đo hơn các gia tốc tr−ợt. Cảm biến ngoài: Dùng để đo các thuộc tính t−ơng tác giữa Robot và môi tr−ờng xung quanh. - Cảm biến lực/moment: đo một đến 6 thành phần lực tác động ảnh h−ởng đến cảm biến. Về mặt vật lý, các cảm biến lực th−ờng là các cảm biến biến dạng: chúng xác định các biến dạng của chúng d−ới tác động của ngoại lực sau đó nhân với ma trận độ cứng của chúng. Với các biến dạng nhỏ, ng−ời ta sử dụng thiết bị đo độ căng; đối với các biến dạng lớn (chuyển vị lớn) các phép đo quang học trở nên phù hợp hơn. Các cảm biến này đ−a ra các thông tin vô h−ớng và rất cục bộ (chỉ các điểm tiếp xúc với môi tr−ờng đ−a ra tín hiệu) , và rất khó xác định vị trí và h−ớng tác động từ các kết quả đo lực và moment. - Cảm biến đo khoảng cách: Có rất nhiều dạng với các đặc tr−ng khác nhau. Một số dạng thông th−ờng nhất là: Cảm biến siêu âm (giá thành rẻ nh−ng sai số khá cao do (i) chùm tia quét rộng (>10 độ), và (ii) sự truyền sóng âm trong không khí bị ảnh h−ởng rất lớn bởi sự nhiễu loạn và cả nhiệt độ của không khí. Th−ờng dùng để đo trong khoảng 5-15m); Cảm biến hồng ngoại (do khoảng cách bằng cách so sánh c−ờng độ tia hồng ngoại phát ra và phản xạ về. Các cảm biến này chịu ảnh h−ởng của tính chất bề mặt phản xạ. Khoảng làm việc: vài mm đến vài cm); Cảm biến laser (làm việc hoặc theo nguyên lý thời gian - nhân vận tốc ánh sáng với khoảng thời gian phát và thu tín hiệu phản xạ của một xung ánh sáng- hoặc thay đổi về pha của tín hiệu lúc phát đi và nhận về. Khoảng làm việc có thể theo nhiều dải từ vài mét đến hàng trăm mét). - Con quay hồi chuyển: để đo sự thay đổi về h−ớng của Robot. - Camera: Đ−a ra hình ảnh d−ới dạng ma trận điểm ảnh th−ờng có kích th−ớc 640x512 điểm. Loại này có −u điểm là đ−a ra đ−ợc thông tin toàn cảnh nh−ng nh−ợc điểm lớn nhất là vấn đề xử lý và nhận dạng ảnh làm sao để máy tính có thể nhận dạng giống nh− ng−ời. - Xúc giác: Đó là các cảm biến "da nhân tạo" nh−ng có độ phân giải thấp hơn nhiều, th−ờng dùng để nhận biết các điểm tiếp xúc trên các ngón tay của Robot. Các cảm biến liên tục chuyển các đại l−ợng vật lý thành các tín hiệu có thể đo đ−ợc nh− tín hiệu về dòng điện hoặc điện thế. Ví dụ nh− một cảm biến do nhiệt độ, thiết bị này sẽ thay đổi điện thế đầu ra tỷ lệ thuận với nhiệt độ đ−ợc đo, một máy tính có thể đo giá trị điện thế này và chuyển nó thành chỉ số nhiệt độ. Các đại l−ợng vật lý đ−ợc đo bằng các cảm biến bao gồm: - Góc hoặc vị trí t−ơng đối. - Gia tốc. - Nhiệt độ. - L−u l−ợng hoặc áp suất dòng chảy. - Lực, chuyển vị hoặc ứng suất. - C−ờng độ ánh sáng. - Tiếng ồn. Hầu hết các cảm biến này dựa trên cơ sở lợi dụng các tính chất điện của các vật liệu hay các thiết bị và chúng th−ờng có các bộ khuyếch đại để đ−a các dòng điện hoặc điện thế sang dải điện thế cao. 6.2.4.1 Các loại cảm biến th−ờng có các đặc tính sau: - Độ chính xác: Đây là sự khác biệt tối đa giữa giá trị hiển thị và giá trị thực. Ví dụ, một cảm biến đo lực có độ chính xác là ±1% và giá trị đo đ−ợc là 100N thì giá trị thực của lực sẽ nằm ở đâu đó trong khoảng 99N đến 101N. - Độ phân giải: Đ−ợc sử dụng trong các hệ nhận các giá trị theo từng b−ớc. Đây là khoảng tăng nhỏ nhất mà cảm biến có thể nhận ra và có thể kết hợp với độ chính xác. Ví dụ, một cảm biến đo chiều dài 10cm của một thanh tr−ợt tuyến tính và giá trị đầu ra của nó là một số nguyên trong khoảng 0 đến 1000, thì độ phân giải của thiết bị 0,01 cm. - Tính tuyến tính: Trong một cảm biến tuyến tính, một đại l−ợng đầu vào có quan hệ tuyến tính với tín hiệu đầu ra. Hầu hết các cảm biến ở dạng này. Khi quan hệ giữa đại l−ợng đầu vào và tín hiệu ra là phi tuyến, việc chuyển đổi tín hiệu từ đầu ra của cảm biến ng−ợc trở về giá trị trở nên rất phức tạp. - Dải làm việc: là các giới hạn làm việc của cảm biến. Ví dụ một cảm biến đo góc chỉ đo đ−ợc góc lớn nhất là 200 độ. - Kiểm chuẩn - Calibration: Sau khi đ−ợc chế tạo, lắp đặt và hoạt động một thời gian, rất nhiều cảm biến phải đ−ợc kiểm chuẩn lại để xác định hoặc đặt lại quan hệ giữa đại l−ợng đầu vào và tín hiệu đầu ra. Công việc này th−ờng cần phải có các thiết bị chuyên dụng và thực hiện định kỳ. - Giá thành: Nhìn chung, độ chính xác càng cao thì cảm biến càng đắt. 6.2.4.2 Một số loại cảm biến thông dụng trong Robot Các cảm biến dùng để đo và xác định các đại l−ợng vật lý và truyền các kết quả đo đó bằng cách này hay cách khác. Với các Robot, cách tốt nhất để thực hiện điều đó là sử dụng các tín hiệu điện. Công tắc: Cảm biến đơn giản nhất là công tắc. Loại thiết bị này có thể ngắt mạch hay đóng mạch khi có tác động. Ví dụ, khi ta muốn tạo một thiết bị chuyển động không đ−ợc v−ợt quá một vị trí nào đó trên đ−ờng di chuyển của nó, ta có thể nối một công tắc sao cho khi thiết bị chuyển động đến vị trí đó thì sẽ ngắt mạch của cống tắc. Một công tắc hành trình có sơ đồ nh− Hình 6.20. Khi đến vị trí nhất định, thiết bị di chuyển sẽ tác động vào cần gạt và nó sẽ bị ấn xuống chạm vào tiếp điểm, mạch điện giữa điện cực công tắc sẽ thông. Tín hiệu trạng thái của mạch điện trong công tắc sẽ đ−ợc nối với đầu vào của các mạch điện điều khiển hoặc các bộ vi xử lý để điều khiển thiết bị di động. Hình 6.20 Sơ đồ cấu tạo công tắc chuyển mạch Các công tắc có thể có hai loại: Loại th−ờng mở (Normally Open - NO) và th−ờng đóng (Normally Closed - NC). Loại công tắc NO là loại mà mạch điện của nó th−ờng không thông và mạch điện này chỉ đóng khi có tác động từ bên ngoài, còn loại NC thì ng−ợc lại. Công tắc là một dạng thiết bị cho tín hiệu số: nó cung cấp tín hiệu hoặc là ON hoặc là OFF và không có giá trị nào khác. Ta có thể thực hiện nhiều tác động điều khiển khi kết hợp nhiều công tắc khác nhau tuy nhiên việc nhận tín hiệu và đáp ứng điều khiển theo từng b−ớc sẽ ảnh h−ởng lớn đến độ chính xác cần có của thiết bị. Do vậy, mặc dù hệ thống đơn giản song nó cũng bị nhiều giới hạn trong việc áp dụng. Bộ m∙ hoá - Encoder: Hình 6.21 Cấu trúc đĩa mã hoá Các bộ Encoder sử dụng các đĩa có các khe quang học quay cùng với vật cần đo. Bộ encoder gồm một đĩa quang học có các khe quang học đ−ợc gia công chính xác trên đó. Tia sáng từ một bên mặt đĩa sẽ đi qua khe hở và đến một bộ cảm nhận đặt ở phía mặt bên kia. Khi trục của bộ encoder quay, tia sáng sẽ bị ngắt. Bộ cảm biến quang học sẽ cảm nhận trạng thái tắt bật của tia sáng để nội suy ra vị trí của trục quay. Có hai loại encoder chính: đo giá trị tuyệt đối và đo giá trị thay đổi từ một vị trí nào đó. Bộ encoder tuyệt đối sẽ đo vị trí trục trong một vòng quay đơn. Tín hiệu đầu ra th−ờng ở dạng nhị phân. Bộ encoder t−ơng đối sẽ đ−a ra tín hiệu xung kép để có thể xác định đ−ợc vị trí. Các mạch Logic hoặc phần mềm sẽ đ−ợc sử dụng để xác định chiều quay và đếm số xung để xác định góc quay. Vận tốc có thể đ−ợc xác định bằng cách đo khoảng thời gian giữa các xung. Các đĩa của bộ Encoder đ−ợc đ−a ra trên Hình 6.22. Đĩa của bộ encoder có các vòng khe quang học, vòng ngoài sẽ đ−a ra tín hiệu xung chính còn vòng trong sẽ cho tín hiệu xung phụ. Hai vòng khe sáng sẽ xác định góc phần t− của đĩa. Để tăng độ chính xác, ta cần tăng số vòng khe sáng cũng nh− số khe sáng trong một vòng. Hình 6.22 Đĩa của cảm biến dạng mã hoá 6.2.4.3 Quang trở Hình 6.23 Mạch điện của bộ chia điện thế Một dạng tín hiệu cảm biến khác th−ờng đ−ợc sử dụng đó là tín hiệu t−ơng tự, tức là tín hiệu ra của nó là các tín hiệu điện không chỉ là ON/OFF mà còn có thể thay đổi trong một dải giá trị, điều này làm cho ng−ời thiết kế nhận đ−ợc nhiều thông tin hơn song nó cũng làm cho toàn bộ hệ thống phức tạp hơn. Các dạng cảm biến loại này th−ờng sử dụng các điện trở do giá trị của điện trở th−ờng phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài. Ví dụ một quang trở th−ờng có giá trị lớn khi ở trong tối và giá trị trở suất này giảm khi ra ngoài sáng. Bộ chia điện thế: Hình 6.23 mô tả mạch điện của một bộ chia điện thế. R1 là một quang trở (biến trở phụ thuộc c−ờng độ ánh sáng). V0 là điện thế ra. Vin là điện thế cấp cho mạch điện. Dòng điện sẽ chạy qua các điện trở R1 + R2 theo định luật Ohm. Đo điện thế V0 ta sẽ xác định đ−ợc giá trị R1 theo công thức: (6.2) Quang trở R1 sẽ có điện trở suất phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng, và vật liệu chế tạo. Tuy nhiên thông th−ờng các quang trở có giá trị là 100KW trong bóng tối và 10W ở ngoài sáng và sẽ thay đổi theo điều kiện ánh sáng. 6.2.4.4 Biến trở Biến trở là loại thiết bị có điện trở suất thay đổi một cách thủ công bằng cơ học, ví dụ nh− núm vặn thay đổi c−ờng độ âm thanh. Chúng có một số dạng nh− xoay hoặc tr−ợt. Dải giá trị của loại biến trở này th−ờng là 1W đến 10KW hay từ 1MW đến 10MW. Biến trở cũng đ−ợc sử dụng trong sơ đồ mạch điện chia điện thế nh− trên song nó sẽ thay vào vị trí của quang trở R1. Việc xác định điện thế ra V0 sẽ xác định đ−ợc vị trí của biến trở. L V2 a V1 Vout Hình 6.24 Sơ đồ cấu tạo cảm biến biến trở tuyến tính Các loại cảm biến biến trở có khả năng đo các di chuyển tuyến tính trên một đoạn đ−ờng dài. Biến trở là một điện trở, th−ờng đ−ợc cấu tạo là một lớp vật liệu điện trở mỏng, một con tr−ợt có thể di chuyển dọc theo bề mặt của lớp điện trở và điện trở của biến trở sẽ tỷ lệ tuyến tính với chiều dài di chuyển. Nếu hai đầu điện trở đ−ợc đặt một điện áp thì điện áp của con tr−ợt có thể đ−ợc nội suy từ vị trí của nó trên lớp điện trở hoặc ng−ợc lại nếu biết điện áp của con tr−ợt sẽ xác định đ−ợc vị trí của nó trên lớp điện trở. Các bảm biến dựa trên nguyên lý này rất phổ biến vì chúng rất rẻ và không yêu cầu các dạng tín hiệu đặc biệt song chúng có những nh−ợc điểm về độ chính xác và cần phải đ−ợc che phủ kín. Các cảm biến loại này th−ờng đ−ợc dùng để xác định các vị trí tuyệt đối. 6.2.4.5 Dải khe quang học Độ chính xác cao trong quá trình đo chuyển động tuyến tính có thể đạt đ−ợc bằng cảm biến hoạt động theo nguyên lý dải khe quang học. Cả hai dải đ−ợc cấu tạo từ các vật liệu trong suốt có kẻ các vạch đen song song và cách đều trên suốt qu∙ng đ−ờng cần di chuyển. Khoảng cách giữa các vạch đen xác định độ chính xác về vị trí đo đ−ợc. Dải cố định đ−ợc đặt nghiêng một góc với ph−ơng chuyển động do vậy khoảng giao nhau giữa hai dải sẽ tạo thành một mẫu nhất định. Khi dải di động di chuyển, mẫu của khoảng giao nhau giữa hai dải sẽ thay đổi phụ thuộc vào tốc độ và h−ớng của chuyển động Hình 6.25. Dải cố định Dải di động Hình 6.25 Sơ đồ bố trí hai dải khe quang học và mẫu giao thoa Hình 6.26 Trên Hình 6.26 là thiết bị để đo chuyển động của cảm biến theo nguyên lý dải khe quang học. Một nguồn sáng chiếu thẳng góc qua một khe hẹp tạo nên một khe sáng hẹp. Khe sáng này sau đó đi qua hai dải vạch và tới một bộ cảm nhận ánh sáng. Bộ cảm nhận ánh sáng gồm nhiều cảm biến quang học sắp xếp cạnh nhau dọc the chiều dài khe hở giữa hai vạch đen nhận biết trạng thái vị trí sáng hay tối tại mẫu giao thoa giữa hai dải. 6.2.5 Cơ cấu chấp hành (khớp tịnh tiến) Các cơ cấu chấp hành chính th−ờng đ−ợc sử dụng trong các hệ thống Robot chủ yếu dựa trên hai nguyên lý: Công nghệ điều khiển chuyển động thuỷ lực và công nghệ điều khiển cơ-điện tử. Thuỷ lực là một sự lựa chọn kỹ thuật thống trị trong hầu hết các hệ thống có yêu cầu điều khiển lực và chuyển động. Sự thống trị này làm cho nó có lợi thế so với các kỹ thuật động cơ điện. Hiện nay có rất nhiều công nghệ và ph−ơng pháp để điều khiển lực và chuyển động trong đó có khí nén, thuỷ lực và một số các thiết bị chấp hành cơ điện tử. Số l−ợng các ph−ơng án có thế chọn lựa tăng lên cũng làm cho ng−ời kỹ s− bối rối khi cần chọn một ph−ơng án tối −u cho một ứng dụng cụ thể. Nếu kiểm nghiệm các yêu cầu kỹ thuật cho các ứng dụng thực tế có thể thấy rằng không có một công nghệ nào đ−a ra đ−ợc giải pháp tốt nhất cho tất cả các ứng dụng. Mỗi công nghệ có các −u điểm và tự chúng cũng có các hạn chế riêng. Việc khảo sát các đặc tính của các công nghệ điều khiển chuyển động thông dụng hiện nay có thể hỗ trợ ng−ời thiết kế chọn đ−ợc công nghệ tốt nhất cho ứng dụng của mình. Ta sẽ so sánh hai kỹ thuật thông dụng nhất hiện nay là thuỷ lực và cơ điện tử thông qua các thông số ứng dụng thiết yếu. Cả hai công nghệ điều khiển chuyển động bằng thuỷ lực và cơ cấu cơ điện tử đều có thể áp dụng vào hầu hết các ứng dụng để di chuyển tải từ vị trí này sang vị trí khác và kiểm soát các lực liên quan. Sự khác nhau về hiệu quả của việc ứng dụng công nghệ nào cơ bản nằm trong ba nhóm yêu cầu ứng dụng mà ta sẽ sử dụng để đánh giá các tính năng của các công nghệ đó là: - Khả năng thực hiện. - Môi tr−ờng áp dụng. - Giá thành. Ng−ời thiết kế cần phải hiểu đầy đủ các yêu cầu của hệ thống điều khiển theo các tiêu chí trên đối với cả hai công nghệ trên để có thể lựa chọn giải pháp công nghệ tối −u. Nói cách khác, ng−ời thiết kế tr−ớc tiên cần để ý đến ứng dụng tr−ớc. Hình 6.27 Chân tịnh tiến dạng cơ - điện tử 6.2.5.1 Khả năng thực hiện: Khả năng điều khiển vị trí và tải của bất kỳ hệ thống điều khiển chuyển động nào là rất khác nhau với từng ứng dụng và bị giới hạn bởi các tính chất cơ học nh− khối l−ợng tải, độ cứng vững của cơ cấu chấp hành, dải điều khiển (các van điều khiển hay động cơ điện), các đặc tính ma sát, vận tốc tải hay độ cứng vững của khung thiết bị. Độ chính xác: Có một quan hệ chặt chẽ giữa độ chính xác và chiến l−ợc điều khiển: sử dụng mạch điều khiển kín hay hở. Các hệ thống mạch điều khiển kín là các hệ thống mà trạng thái của các cơ cấu chấp hành (vị trí, vận tốc, lực tác động) đ−ợc các thiết bị đo l−ờng cảm nhận, phản hồi và đ−ợc điều khiển bởi các bộ điều khiển chuyển động điện tử để giảm thiểu sự khác biệt giữa các lệnh và trạng thái thực của cơ cấu chấp hành. Trong cả giải pháp điều khiển thuỷ lực lẫn giải pháp điều khiển cơ điện tử, các hệ thống chính xác nói chung đều sử dụng hệ điều khiển kín kết hợp với các bộ truyền tín hiệu phản hồi, các cơ cấu chấp hành có độ cứng vững cao và bộ điều khiển có khả năng đáp ứng cao. Các hệ thống điều khiển chuyển động dạng động cơ servo và cơ cấu trục vít đai ốc bi có một số −u điểm v−ợt trội các hệ thống thuỷ lực nh− có độ chính xác điều khiển vị trí cao (tới 0,0013mm). Cơ cấu trục vít đai ốc bi vốn có độ cững vững cao cho phép có độ tin cậy và độ chính xác cao. Ưu điểm của các bộ giải m∙ lắp bên trong các động cơ còn cho phép vận tốc đ−ợc điều khiển theo mạch kín do vậy càng làm tăng khả năng hoạt động của cơ cấu này hơn nữa. Các ứng dụng có nhu cầu có độ chính xác cao và giảm thiểu sai số chuyển động th−ờng đ−ợc cấu tạo trên cơ sở các cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ servo. Trong khi đó, khi các hệ thống thuỷ lực cần có độ chính xác cao, trục của nó th−ờng phải làm lớn hơn để đảm bảo độ cứng vững. Điều này chỉ có thể thực hiện đ−ợc bằng cách tăng đ−ờng kính xylanh và giảm thiểu chiều dài của nó. Mặc dù không phải là công nghệ đ−ợc −u thích hiện nay trong các ứng dụng tự động hoá, một số nhà sản xuất máy công cụ có thể áp dụng công nghệ cơ cấu chấp hành thuỷ lực cho các máy có yêu cầu độ chính xác không quá 0,005mm. Với các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao (độ chính xác không cao quá 0,025mm), yêu cầu về độ chính xác trở nên không quan trọng và các yếu tố khác nh− khả năng về công suất, tốc độ hoặc môi tr−ờng hoạt động sẽ trở nên có ảnh h−ởng lớn hơn. Khả năng chịu tải: Các −u điểm của công nghệ điều khiển thuỷ lực trở nên rõ rệt hơn đối với các ứng dụng có yêu cầu về tải lớn hoặc tạo các lực tác động cao. Ưu điểm vốn có của dạng năng l−ợng thuỷ lực là xylanh có thể tạo ra đ−ợc một lực nén lớn, phát ra một l−ợng năng l−ợng lớn mà không cần chuyển năng l−ợng từ một thiết bị cơ khí này sang một thiết bị cơ khí khác. Khi sử dụng các động cơ điện tuyến tính, các hệ cơ điện tử cần phải chuyển đổi từ các chuyển động quay sang các chuyển động tịnh tiến. Khả năng tạo lực của xylanh thuỷ lực tỷ lệ với tiết diện của xylanh và không liên quan đến giới hạn của tốc độ. Trên thiết kế, các hệ cơ điện tử cần phải truyền năng l−ợng từ thiết bị này sang thiết bị khác nh− từ chuyển động quay sang cơ cấu tr−ợt dạng trục vít đai ốc bi. Kích th−ớc và độ cứng của vật liệu làm trục vít và ren sẽ xác định khả năng tạo lực lớn nhất có thể và phụ thuộc cả vào tốc độ. Các cơ cấu cơ điện tử hiện nay th−ờng có công suất không quá 20 m∙ lực (15kW) sẽ làm giảm khả năng chịu tải và tạo lực nén của loại cơ cấu này. Hơn nữa sự phụ thuộc vào tải của vận tốc cũng giới hạn khả năng về tốc độ trong các ứng dụng có yêu cầu về tải lớn. Nói cách khác, tải cũng bị giới hạn đối với các ứng dụng có các yêu cầu về tốc độ. Mặc dù có giá thành cao, công nghệ đai ốc trụ lăn (roller-screw) bắt đầu nổi lên nh− là công nghệ sẽ mở rộng giải pháp cơ điện tử hiện nay. Trong t−ơng lai, các ứng dụng có yêu cầu tải cao sẽ là sự lựa chọn giữa công nghệ thuỷ lực và công nghệ cơ điện tử sử dụng cơ cấu trục vít - đai ốc trụ lăn. Tốc độ: Nh− đ∙ trình bày ở trên, các cơ cấu chuyển đổi chuyển động cơ khí nh− các cơ cấu trục vít đai ốc bi có khả năng chịu tải và giới hạn về vận tốc phụ thuộc lẫn nhau. Để đạt đ−ợc tốc độ cao, răng trục vít cần phải tăng lên song nó cũng làm giảm −u điểm của trục vít, giảm khả năng chịu lực của chúng. Hơn nữa, vận tốc bị giới hạn bởi đ−ờng kính trục vít và chiều dài conson, không có ổ đỡ của trục vít. Khi hoạt động ở vận tốc cao, các trục vít chuyển động quá nhanh có thể giảm thời gian phục vụ cũng nh− gây ra tiếng ồ và dao động. Các nhà sản xuất th−ờng giới hạn tốc độ của trục vít nhỏ hơn 1m/s khi cơ cấu chịu tải. Các xylanh th−ờng đ−ợc tự bôi trơn bằng chính dầu thuỷ lực song tốc độ của chúng cũng bị giới hạn bởi hệ thống làm kín. Đối với các cơ cấu sử dụng hệ thống làm kín có ma sát nhỏ, vận tốc lớn nhất có thể đạt 2m/s trong các sản phẩm công nghiệp. Khả năng công suất: Ưu điểm lớn nhất của điều khiển chuyển động thuỷ lực là khả năng tạo ra công suất cao, lực và môment lớn trong một khối thiết bị có kích th−ớc nhỏ. Trong khi đó, điều khiển chuyển động cơ điện tử đ−a ra các giải pháp cho các ứng dụng với công suất nhỏ có tính kinh tế cao hơn so với điều khiển thuỷ lực. Các công nghệ điều khiển chuyển động dựa trên các động cơ đồng bộ, động cơ servo, động cơ b−ớc hay biến tần đ−a ra các giải pháp phù hợp với nhiều dạng ứng dụng có tải nhỏ khác nhau trong công nghiệp. Các hệ thống cơ cấu chấp hành dạng quay hay tuyến tính trên cơ sở sử dụng động cơ servo có vị trí rất quan trọng trong việc phát triển lĩnh vực chế tạo và thử nghiệm bán dẫn, chế tạo thiết bị y tế và chế tạo các thiết bị điện tử nhỏ ở các ứng dụng có mức độ tải thấp. Hơn nữa, do có kích th−ớc nhỏ gọn, các hệ thống này có thể đ−ợc chế tạo để đáp ứng các yêu cầu trong các phòng sạch, độ ồn thấp và các yêu cầu về độ chính xác khi định vị. Khả năng thiết lập và đáp ứng: Mặc dù cả hai dạng sản phẩm điều khiển cơ điện tử và điều khiển thuỷ lực có thể đ−ợc coi nh− là các sản phẩn hoàn thiện song có một số kỹ thuật dễ áp dụng hơn các kỹ thuật khác. Việc cần thiết phải có trình độ để hiểu không chỉ về hệ thống điều khiển mà còn cả chức năng của thiết bị và các cơ cấu gắn liền với nó là rất quan trọng. Các hệ thống chuyển động mạch hở sử dụng công nghệ thuỷ lực hay công nghệ cơ điện tử không phức tạp, mặc dù khá quen thuộc trong một số công nghệ nhất định th−ờng làm cho việc điều khiển ứng dụng dễ dàng hơn. Khi các yêu cầu kỹ thuật trở nên khắt khe hơn, các hệ thống sử dụng nguyên lý điều khiển mạch hở cần đ−ợc thay đổi cho phù hợp. Một −u điểm rõ ràng của các hệ thống sử dụng động cơ servo điện là chúng có thể dễ dàng thay đổi để phù hợp với nhiều ứng dụng hơn là các hệ thống thuỷ lực t−ơng ứng. 6.2.5.2 Môi tr−ờng ứng dụng Bất cứ khi nào một sản phẩm hay một công nghệ đ−ợc áp dụng cho bất cứ ứng dụng nào, các thành phần cần có khả năng tồn tại trong môi tr−ờng, và không ảnh h−ởng đến môi tr−ờng mà chúng làm việc và tất nhiên chúng phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Tính nhạy cảm với môi tr−ờng: Các sản phẩm đ−ợc thiết kế làm việc trong các môi tr−ờng khác nhau sẽ có các yêu cầu khác nhau. Một vài yếu tố ảnh h−ởng đến tính phù hợp của một sản phẩm hay một công nghệ trong bất kỳ một ứng dụng cho tr−ớc nào bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tính dễ ăn mòn, oxy hoá xung quanh vật liệu, bức xạ điện từ và thậm chí cả độ bẩn, bụi xung quanh. Các nhà sản xuất chế tạo các sản phẩm cho các thị tr−ờng nhất định và các sản phẩm đ−ợc thiết kế để có thể tồn tại trong các môi tr−ờng nhất định. Các nhà sản xuất thiết bị thuỷ lực và thiết bị cơ điện tử chế tạo các thiết bị của họ sao cho có thể đ−ợc sử dụng trong các x−ởng công nghiệp mà không ảnh h−ởng đến các thiết bị điện tử có trong x−ởng đó. Tuổi thọ: Một trong những −u điểm nổi bật của các cơ cấu chấp hành thuỷ lực là chúng có thể tự bôi trơn bằng chính chất lỏng trong hệ thống. Các cơ cấu chấp hành tuyến tính cơ-điện tử sử dụng cụm cơ cấu trục vít - đai ốc bi có tuổi thọ thấp hơn phụ thuộc vào số lần bảo d−ỡng. 6.2.5.3 Giá thành: Giá thành là một yếu tố chung nhất để phân tích các yếu tố thực tế rằng giá cả th−ờng tỷ lệ thuận với công nghệ, độ chính xác. Giá thành của một thiết bị không chỉ là giá phải trả cho các thành phần, chi tiết của nó mà còn cả các chi phí vận hành, bảo d−ỡng, sửa chữa... trong suốt thời gian làm việc của thiết bị đó. Chi phí lắp đặt: Giá thành của các cụm thiết bị, chi tiết cấu tạo nên thiết bị. Ngoài ra có thể có một số yếu tố khác ảnh h−ởng đến chi phí lắp đặt. Các hệ thống thuỷ lực cần có bộ nguồn thuỷ lực để chuyển đổi năng l−ợng điện thành năng l−ợng thuỷ lực. Các yếu tố khác cũng cần kể đến nh− diện tích/không gian sử dụng, khả năng di chuyển, vị trí lắp đặt... Nhìn chung, các hệ thống thuỷ lực có thể đắt hơn các hệ thông cơ- điện tử ở dải công suất thấp song nếu số l−ợng cơ cấu chấp hành hoạt động không đồng thời là lớn thì công suất của bộ nguồn thuỷ lực dùng chung cũng giảm đáng kể. Chi phí vận hành: Chi phí trong suốt quá trình làm việc của thiết bị. Các thiết bị sử dụng cơ cấu chấp hành cơ điện tử đ−ợc −u thích do tiết kiệm năng l−ợng nhiều hơn so với các thiết bị sử dụng cơ cấu chấp hành thuỷ lực mặc dù chi phí lắp đặt có thể cao hơn tới 40% so với loại t−ơng đ−ơng sử dụng cơ cấu thuỷ lực và chi phí vận hành th−ờng lớn nhiều lần chi phí ban đầu. Để kéo dài tuổi thọ, các cơ cấu thuỷ lực và cơ cấu cơ-điện tử đều cần các cơ cấu, thiết bị phụ nh−: các bộ lọc (đối với cơ cấu thuỷ lực), dầu bôi trơn (đối với cơ cấu cơ-điện tử), song với khả năng tự bôi trơn của mình, các cơ cấu thuỷ lực cần ít lần bảo d−ỡng hơn do vậy có thể tiết kiệm đ−ợc thời gian giành cho bảo d−ỡng. Cả hai công nghệ điều khiển chuyển động bằng thuỷ lực và cơ cấu cơ điện tử đều có thể áp dụng vào hầu hết các ứng dụng để di chuyển tải từ vị trí này sang vị trí khác và kiểm soát các lực liên quan. Việc áp dụng công nghệ nào để phù hợp với một ứng dụng nhất định đòi hỏi ng−ời thiết kế phải hiểu các yêu cầu của hệ thống điều khiển chuyển động của ứng dụng đó về đặc tính kỹ thuật, môi tr−ờng làm việc và giá thành. Nói cách khác, ng−ời sử dụng tr−ớc tiên phải quan tâm đến ứng dụng cụ thể của mình. Ch−ơng 7: KẾT LUẬN 7.1 Các kết quả đạt đ−ợc Trong luận văn đ∙ giới thiệu về các cơ cấu song song nói chung cũng nh− Hexapod nói riêng bao gồm sơ l−ợc về Robot song song, cấu trúc cơ bản của cơ cấu chấp hành song song, −u nh−ợc điểm, khả năng ứng dụng so với các loại cơ cấu chuỗi truyền thống. Nhìn chung, tất cả các loại cơ cấu song song đều có nhiều −u điểm và có thể đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, có thể kể đến những thế mạnh của cơ cấu chấp hành song song nh−: Khả năng chịu tải cao, gia tốc lớn. Độ cứng vững cao do kết cấu hình học của chúng. Có thể thực hiện đ−ợc các thao tác phức tạp và thực hiện chính xác. Có thể thiết kế ở các kích th−ớc khác nhau. Các cơ cấu chấp hành đều có thể định vị trên tấm nền. Tầm hoạt động của cơ cấu chấp hành song song rất rộng từ việc lắp ráp các chi tiết cực nhỏ tới các chuyển động thực hiện các chức năng phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao nh−: phay, khoan, tiện, hàn, lắp ráp... Các cơ cấu chấp hành song song làm việc không cần bệ đỡ và có thể di chuyển tới mọi nơi trong môi tr−ờng sản xuất. Chúng có thể làm việc ngay cả khi trên thuyền và treo trên trần, t−ờng... Cơ cấu chuỗi đ∙ đ−ợc ứng dụng trên thế giới từ rất sớm và hiện nay nó ngày càng đ−ợc phát triển, thông minh hóa song do kết cấu, nó vẫn bộc lộ một số nh−ợc điểm. Do đó lĩnh vực ứng dụng của cơ cấu chuỗi vẫn còn hạn chế. Ra đời và phát triển sau nh−ng với nhiều lợi thế hơn so với cơ cấu chuỗi, cơ cấu chấp hành song song bắt đầu đ−ợc ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, cụ thể: • Cơ khí (gia công khuôn mẫu, máy đo tọa độ các bề mặt phức tạp...). • Y tế (phẫu thuật, ...). • Quân sự (Cơ cấu chấp hành song song dùng làm bệ đỡ ổn định đ−ợc đặt trên tầu thủy, trên xe, máy bay, tầu ngầm, ... để giữ cân bằng cho ang ten, camera theo dõi mục tiêu, cho radar cho các thiết bị đo laser, bệ đỡ ổn định cho pháo, tên lửa, xe tăng, tầu chiến...). • Vật lý (Giá đỡ hệ thống chiếu laser và phân tích quang phổ, ...). • Hàng không (buồng tập lái máy bay, ...). • Các ngành khác: Xây dựng (cần cẩu Robocrane...), giao thông, thiên văn học, ... Qua việc khảo sát khả năng và hiệu quả của việc ứng dụng Rôbốt cơ cấu song song ta có những nhận xét sau: • Hexapod là cơ cấu song song với phần làm việc (platform) có 6 bậc tự do (3 chuyển động tịnh tiến và 3 chuyển động xoay quanh 3 trục) . Vì vậy có thể di chuyển trong không gian làm việc 3 chiều tự do (không hạn chế các thao tác của máy) . • Hexapod có kết cấu khá cững vững (vì có 6 chân cùng chịu tải) rất phù hợp với vai trò dụng cụ cắt, tạo hình các bề mặt phức tạp. • Việc điều khiển Hexapod sẽ mang tính tổng quát, đầy đủ và phức tạp hơn so với các loại bậc tự do nhỏ tạo điều kiện, tiền đề phát triển việc nghiên cứu Robot song song sau này. • Do tính năng đa dạng Hexapod có khả năng sử dụng rộng r∙i ở nhiều ngành, lĩnh vực khác nhau trong những b−ớc phát triển tiếp theo. • Việc nghiên cứu Hexapod có ý nghĩa thực tế và khoa học cao so với các cấu trúc truyền thống hiện nay. Việc đi sâu nghiên cứu cơ sở lý thuyết động học và động lực học của Hexapod và một số ph−ơng pháp về mặt lý thuyết xác định các đặc tính động lực học của nó đ∙ hỗ trợ và làm tiền để cho việc nghiên cứu ph−ơng pháp tiếp cận và hiểu rõ các ch−ơng trình cũng nh− quá trình tính toán, mô phỏng động lực học của Hexapod. Trong đồ án đ∙ trình bày các ph−ơng pháp phân tích động học, động lực học cũng nh− các bài toán về vận tốc, gia tốc của Hexapod. Các cơ sở lý thuyết này cũng có thể đ−ợc phát triển và áp dụng cho các loại Robot song song khác có các chức năng và cấu hình t−ơng đ−ơng. Việc nghiên cứu các cơ sở lý thuyết trên giúp ích cho việc tiếp cận ph−ơng pháp nghiên cứu và xây dựng các mô hình mô phỏng và tính toán trên các phần mềm hiện có. Thông qua việc nghiên cứu, phân tích một số cơ cấu, cụm chi tiết cơ bản của Robot, đồ án đ∙ phân tích một số cơ cấu, cụm chi tiết chính của Hexapod nh− các loại khớp cầu và khớp các đăng, các dạng cơ cấu truyền động trục vít - đai ốc, động cơ b−ớc và động cơ servo cũng nh− phân tích một số loại cơ cấu chấp hành chính th−ờng đ−ợc sử dụng để thiết kế, chế tạo Hexapod. Các chỉ tiêu thiết kế còn đảm bảo việc mở rộng khả năng thích ứng cho các ứng dụng khác trong t−ơng lai. Đề tài b−ớc đầu đ∙ tiếp cận đ−ợc vấn đề thời sự hiện nay: cơ cấu song song và Hexapod cũng nh− nghiên cứu cơ sở ban đầu về lý thuyết cơ cấu chấp hành song song, và làm tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn một cách tổng thể. 7.2 Khả năng phát triển Việc nghiên cứu, phân tích thiết kế Hexapod trong đồ án mới chỉ là những cố gắng ban đầu để tiếp cận một số vấn đề cơ bản cũng nh− ph−ơng pháp thiết kế của cơ cấu chấp hành song song. Còn rất nhiều khía cạnh của cơ cấu song song nói chung và của Hexapod nói riêng cần đ−ợc nghiên cứu sâu hơn trong t−ơng lai. Việc nghiên cứu động học và động lực học của cơ cấu song song còn nhiều vấn đề cần quan tâm nh−: • Việc xác định không gian làm việc của cơ cấu rất phức tạp. Cơ cấu song song là chuỗi kín, vì vậy các vật trong cơ cấu luôn ảnh h−ởng qua lại mật thiết với nhau. Hiện nay vấn đề tìm không gian làm việc của cơ cấu song song đ−ợc quan tâm hàng đầu. Rất nhiều bài báo trong n−ớc và trên thế giới công bố các thuật toán giải quyết vấn đề này. • Một trong những nh−ợc điểm của các loại cơ cấu song song là tồn tại những điểm kỳ dị (suy biến) trong không gian là việc của chúng. Chúng ta cần phải tìm đ−ợc tất cả các điểm kỳ dị đó thì mới có thể giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển cơ cấu song song. Việc nghiên cứu về lý thuyết cũng nh− đ−a ra thuật toán để xác định các điểm kỳ dị này là rất quan trọng trong việc xác định các ứng dụng có thể của Hexapod trong t−ơng lai. • Trong hầu hết mọi ứng dụng của Hexapod, đặc biệt trong các ứng dụng gia công cơ khí, việc xác định sai số vị trí, dải chuyển động cũng nh− xác định và giới hạn các điểm kỳ dị là hết sức quan trọng. Các sai số của bệ di động có thể chia thành hai phần gồm sai số về vị trí và sai số về h−ớng do sai số di chuyển của các chân (khớp tr−ợt), sai số h−ớng trục của các khớp cầu, sai số vị trí lắp đặt của các khớp với các liên kết cũng nh− với các bệ. • Thêm vào đó cần nghiên cứu đ−a ra ph−ơng pháp xác định vị trí "0" về mặt lý thuyết và đ−a ra thuật toán áp dụng phục vụ công tác kiểm định, lắp đặt, hiệu chỉnh và điều khiển Hexapod trong quá trình gia công chi tiết cơ khí cũng nh− cho các ứng dụng khác.