Thiết kế thi công mô hình máy in 3d dùng kit arduino

TĨM TẮT

Hiện nay, cơng nghệ in 3D khơng ngừng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi ở nhiều
lĩnh vực, tuy nhiên ngành in 3D chỉ mới bắt đầu xâm nhập thị trường Việt Nam trong một
vài năm trở lại đây và còn khá xa lạ với nhiều người.
Với mục đích muốn tiếp cận với cơng nghệ in 3D, nhóm thực hiện đồ án mong muốn
chế tạo máy in 3D giá thành rẻ, phù hợp với mọi người, dựa trên các nền tảng mã nguồn mở,
các thiết kế và linh kiện cơ khí và điện tử có bán rộng rãi trên thi trường, nhóm đã chế tạo
thành cơng máy in 3D:
Với kích thước 200x200x200 mm.
Di chuyển với độ chính xác vị trí: ± 1mm.
Ứng dụng vi điều khiển ATMEGA 2560 để thiết kế các mạch điều khiển động cơ
bước với độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh .
Người dùng dễ dàng tương tác thông qua nút nhấn, đọc và thực hiện theo mã Gcode
thông dụng.


MỤC LỤC
Danh sách các bảng................................................................................ i
Danh sách các hình ............................................................................... ii
Chƣơng 1. TỔNG QUAN ....................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Giới thiệu ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.2 Mục đích. ................................................. Error! Bookmark not defined.
1.3 Mục tiêu ................................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Nội dung thực hiện .....................................................................................1
1.5 Giới hạn ......................................................................................................1
1.6 Bố cục đề tài ...............................................................................................2

Chƣơng 2. KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI ............................................... 3
2.1 Giới thiệu ...................................................................................................3
2.2 Cơ sở lý thuyết của máy in 3D ...................................................................4

2.2.1 Vật liệu in 3D ..........................................................................................4
2.2.2 Hoạt động của máy in 3D .......................................................................5
2.3 Thiết kế sơ đồ khối .....................................................................................6
2.3.1 Khối cảm biến .........................................................................................7
2.3.2 Khối xử lý trung tâm ...............................................................................8
2.3.3 Khối hiển thị và điều khiển ...................................................................12
2.3.4 Khối nguồn ............................................................................................13
2.3.5 Khối tải ..................................................................................................13
2.4 Lưu đồ giải thuật ......................................................................................25

Chƣơng 3. THI CÔNG ....................................................................... 27


3.1 Thi công phần điện ...................................................................................27
3.2 Thi công khung máy ................................................................................28
3.2.1 Khung máy ............................................................................................28
3.2.2 Đế đỡ bàn in và bàn in ..........................................................................29
3.2.3 Các bộ phận bằng nhựa .........................................................................30
3.2.4 Các bộ phận đầu phun bằng nhựa .........................................................31
3.2.5 Thanh trượt trục tròn và trục vít ...........................................................32
3.2.6 Linh kiện cơ khí ....................................................................................32
3.2.7 Linh kiện cho bàn nhiệt .........................................................................33
3.2.8 Bộ đùn ...................................................................................................33
3.3 Điều khiển máy in 3D ..............................................................................34
3.3.1 Phần mềm lập trình Arduino IDE .........................................................34
3.3.2 Phần mềm điều khiển in 3D ..................................................................35

Chƣơng 4. KẾT QUẢ ......................................................................... 39
4.1 Mơ hình máy in 3D dạng Prusa I3 ...........................................................39

Chƣơng 5. KẾT LUẬN ....................................................................... 42
5.1 Kết luận ....................................................................................................42
5.2 Những khó khăn trong q trình thực hiện đồ án ....................................42
5.3 Hướng phát triển ......................................................................................42

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................
PHỤ LỤC .................................................................................................


DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG
TRANG
Bảng 2.1: Chức năng chính các chân Driver A4988………………………22
Bảng 2.2: Chế độ điều khiển driver A4988………………………………..23


DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Mơ hình được in 3D

03

Hình 2.2: Sợi nhựa dùng để in 3D

04

Hình 2.3: Sơ đồ khối máy in 3D

06

Hình 2.4: Điện trở nhiệt (Thermistor)

07

Hình 2.5: Cơng tắc hành trình

08

Hình 2.6: Arduino Mega 2560

09

Hình 2.7: Ramps 1.4

10

Hình 2.8: Kết nối Ramps với Arduino

12

Hình 2.8: Ramps LCD controller

12

Hình 2.9: Bộ nguồn cho máy in 3D

13

Hình 2.10: Cấu tạo động cơ bước

14

Hình 2.11: Phân loại động cơ bước

15

Hình 2.12: Động cơ bước loại đơn cực

15

Hình 2.13: Động cơ bước loại lưỡng cực 4 đầu dây

16

Hình 2.14: Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước kiểu lai

17

Hình 2.15: Cấu tạo rotor của động cơ bước kiểu lai

17

Hình 2.16: Hoạt động của động cơ bước kiểu lai

18

Hình 2.17: Sơ đồ nối dây của động cơ bước lai lưỡng cực

18

Hình 2.18: Chế độ Wave drive

19

Hình 2.19: Chế độ Full step drive

19

Hình 2.20: Chế độ Half step driver

20

Hình 2.21: Dạng sóng các chế độ điều khiển động cơ bước

20

Hình 2.22: Driver A4988

21

Hình 2.23: Sơ đồ kết nối của Driver A4988

21

Hình 2.24: Đầu phun JHead all metal E3D

24

Hình 2.25: Lưu đồ

26

Hình 3.1: Sơ đồ kết nối các phần tử điện

27

Hình 3.2: Bản vẽ khung máy

28


Hình 3.3: Bản vẽ đế đỡ bàn in

29

Hình 3.4: Các chi tiết bằng nhựa để ráp máy in 3D

30

Hình 3.5: Các chi tiết để gắn đầu phun được in 3D

31

Hình 3.6: Linh kiện cơ khí

32

Hình 3.7: Giao diện sau khi cài đặt của Arduino IDE

34

Hình 3.8: Giao diện phần mềm Cura

35

Hình 3.9: Chọn kiểu máy, thơng số máy trên phần mềm Cura

36

Hình 3.10: Thiết lập các thơng số cần thiết khi in

38

Hình 4.1: Máy in 3D dạng Prusa I3 sau khi chế tạo.

39

Hình 4.2: Kích thước sản phẩm thực tế so với thiết kế

40

Hình 4.3: Cái chén nhỏ

40

Hình 4.4: Một vài sản phẩm.

41


Chương 1:

TỔNG QUAN
1.1

GIỚI THIỆU
Khoa học kỹ thuật vào đầu thế kỉ 21 phát triển bùng nổ đã tạo cơ hội cho
công nghệ in 3D ra đời. Đây là bước đột phá nổi trội, làm thay đổi những phương
thức sản xuất truyền thống và có thể sẽ trở thành xu hướng trong thời gian tới.
Hiện nay, công nghệ in 3D không ngừng được cải tiến và ứng dụng rộng rãi
ở nhiều lĩnh vực từ kiến trúc, xây dựng, thời trang, mỹ thuật, y học, giải phẩu thẫm
mỹ, giáo dục đến các ngành công nghiệp sản xuất khác như hàng tiêu dùng, ô tô,
máy bay, vũ trụ. Bằng cách sử dụng máy in 3D, tính khả thi của việc tạo ra sản
phẩm hoàn chỉnh như ý tưởng được nâng cao, rút ngắn thời gian nhiều nhất có thể.

1.2

MỤC ĐÍCH
- Tiếp cận cơng nghệ in 3D.
- Chế tạo được máy in 3D giá thành rẻ, dễ sử dụng.

1.3

MỤC TIÊU
- Chế tạo được máy in 3D dạng Prusa I3.
- In vật thể với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm) với sai số cho phép
là 0,2 mm.

1.4

NỘI DUNG THỰC HIỆN
- Thiết kế, thi cơng khung máy, phần cứng, phần điện (cơ khí, linh kiện).
- Lắp ráp các khối điều khiển vào máy in 3D.
- Lập trình điều khiển trên kit Arduino Mega 2560.

1.5

GIỚI HẠN
- Nghiên cứu tổng quan về máy in 3D Reprap dạng Prusa I3.
- Thiết kế, chế tạo máy in 3D với kích thước vật thể tối đa là 200x200x200 (mm)
với sai số cho phép là 0,2 mm.

- Sử dụng mã nguồn mở để điều khiển máy in.
1.6

BỐ CỤC ĐỀ TÀI
- Chương 1: Giới thiệu
- Chương 2: Khảo sát sơ đồ khối.
- Chương 3:

2


Chương 2:

KHẢO SÁT SƠ ĐỒ KHỐI
2.1.

GIỚI THIỆU
In 3D là một nhánh nhỏ của công nghệ tạo mẫu nhanh, được phát minh từ
những năm 1980s. In 3D là công đoạn tạo mơ hình vật lý (mẫu thật) từ mơ hình số
(file thiết kế 3D trên máy vi tính) một cách tự động thông qua các máy in 3D.
Khi ta đã gọi là máy in thì nó phải có “mực”. Với máy in thường, sau khi
in, mực sẽ khô và để lại các vệt màu trên giấy. Cịn máy in 3D thì “đắp” từng
mảng vật liệu rồi khô cứng lại thành mô hình tương ứng với thiết kế 3D.
Sản phẩm in 3D nó khơng trừu tượng như trên mơ hình thiết kế, bạn có thể
cầm nắm, thậm chí sử dụng được như một sản phẩm bình thường.
Máy in 3D Reprap dạng Prusa i3 sử dụng các linh kiện chính :Ardunio
mega 2560, ramps 1.4,động cơ bước, đầu phun nhựa và cảm biến nhiệt độ, hiển
thi thông tin trên LCD 16x4, giao tiếp để điều khiển thơng qua núm xoay, động cơ
bước

Hình 2.1: Mơ hình được in 3D

3


2.2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÁY IN 3D
2.2.1. VẬT LIỆU IN 3D
Người sử dụng máy in 3D sẽ lựa chọn 2 loại vật liệu đầu vào: Acrylonitrile
Butadiene Styrene (nhựa ABS) và Polylactic Acid (nhựa PLA). Một số máy in chỉ
nhận nhựa ABS, một số loại khác sử dụng được cả hai. Các vật liệu nhựa đầu vào
này có dạng sợi, chiều rộng 1,75mm hoặc 3mm. Nhựa ABS thường được sử dụng
để tạo ra đồ chơi Lego. Đây là loại nhựa có gốc hóa học, hoạt hóa ở nhiệt độ cao.
Nhựa PLA thì có nguồn gốc tự nhiên, chẳng hạn như từ ngơ và mía, cứng và bóng
hơn nhựa ABS. Ngồi việc dùng làm nguyên liệu đầu vào cho máy in 3D, nhựa

PLA còn được ứng dụng để sản xuất các loại bao bì phân hủy được.

Hình 2.2: Sợi nhựa dùng để in 3D
Sợi nhựa dùng cho máy in 3D có giá thành khá đắt. Hãng MakerBot bán
2,2 pound (990 gram) sợi nhựa PLA giá 48 USD (960.000 đồng). Nếu tìm mua
trên eBay giá thành sẽ rẻ bằng một nửa. Hãng này ước tính 990 gram sợi nhựa có
thể in ra được 392 quân cờ vua. Giá thành sợi nhựa sẽ giảm xuống nếu các loại
máy in 3D trở nên phổ biến và sợi nhựa được sản xuất với quy mô lớn. Có một
cách khác để giảm giá thành đầu vào là bạn sử dụng máy ép sợi nhựa. Bạn đưa
nguyên liệu nhựa tái chế hoặc nhựa giá rẻ vào máy ép để tạo ra các sợi nhựa.

4


2.2.2.

HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY IN 3D
Khi đã có sợi nhựa, ta đưa vào máy in 3D qua một bộ phận gọi là đầu in
(print head). Đầu in có hình dáng như một chiếc hộp với một vòi phun. Một cơ cấu
truyền động sẽ đẩy từng phần nhựa xuống đầu in. Trước khi nhựa bị đùn ra từ đầu
kim in, sợi nhựa phải đi qua một ống nhiệt và hóa lỏng. Nhựa qua đầu kim in là
những đường chỉ siêu mảnh chỉ 0,1 milimet. Ngay khi ra ngồi khơng khí, nhựa
khơ cứng rất nhanh, gắn lại với nhau tạo thành các lớp. Có nhiều cách in 3D ứng
với nhiều kiểu máy in 3D khác nhau, ở đây, đề tài của nhóm thực hiện nghiên cứu
chế tạo máy in 3D Repraps dạng Prusa i3.
Với máy in 3D prusa i3, có cơ cấu hoạt động như sau :
- Xét chuyển động trong không gian 3 chiều, tọa độ Đề-các ( 3 phương x,y,z) .
- Chuyển động của đầu in và bàn in:
Đầu in được điều khiển bỡi 2 động cơ, để di chuyển theo chiều lên xuống
(trục y) và qua lại theo phương ngang (trục x). Để đầu in có thể chuyển động theo

phương ngang, ta dùng 1 động cơ bước , đặt trục nằm ngang ,tạo ra chuyển động
quay, thông qua dây đai curoa gắn kết với đầu in tạo thành chuyển động tịnh tiến
theo phương ngang ( trục x).
Để đầu in có thể chuyển động theo phương thẳng đứng, lên- xuống, sử
dụng 2 trục vitme theo phương thẳng đứng được xoay bỡi bỡi 2 động cơ có trục
đặt thẳng đứng thẳng đứng, động cơ quay kéo theo chuyển động quay của vitme
làm đầu in có thể chuyển động lên xuống.
Bàn in được 1 động cơ điều khiển để di chuyển tới lui (di chuyển theo trục
y , cố định trục x và trục z). Chuyển động của bàn in từ 1 động cơ bước có trục đặt
theo phương ngang kéo dây curoa kéo theo bàn in chuyển động tịnh tiến.

5


2.3.

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ KHỐI
Theo yêu cầu của đề tài, chúng tôi tiến hành thiết kế máy in 3D gồm các khối sau:
Khối cảm biến: bao gồm cảm biến nhiệt độ và cơng tác hành trình.
- Cảm biến nhiệt nhận tín hiệu nhiệt độ từ đầu gia nhiệt trong đầu phun, tín
hiệu được xử lý để hiển thị và dùng để điều khiển đầu phun.
- Cơng tác hành trình : tạo điểm bắt đầu, vị trí xuất phát của động cơ.
Khối xử lý trung tâm
- Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó
xử lý tín hiệu để hiển thị và điều khiển tải.
Khối hiển thị
- Hiển thị các thông tin cần thiết cho hệ thống : thông tin nhiệt đô, tọa độ,
các thông tin để tương tác và điều khiển.
Khối điều khiển
- Điều khiển thực hiện các lệnh thực thi cho hệ thống: start, stop , reset,..

Khối nguồn
- Cung cấp điện cho các khối trong hệ thống.
Khối tải
- Là ngõ ra của hệ thống, thực thi các yêu cầu.
- Bao gồm các động cơ và đầu phun.
- Động cơ làm di chuyển đầu phun theo tọa độ được điều khiển từ khối xử
lý trung tâm.
Từ yêu cầu đó, ta thiết kế sơ đồ khối của hệ thống nhƣ sau

Hình 2.3: Sơ đồ khối máy in 3D

6


2.3.1

KHỐI CẢM BIẾN
- Nhiệt điện trở
Cảm biến nhiệt độ là thành phần không thể thiếu trên các máy in 3D. Các
cảm biến này giúp bộ điều khiển theo dõi nhiệt độ đầu đùn cũng như nhiệt độ bàn
nhiệt. Nếu một trong hai nhiệt độ trên khơng được đo chính xác thì q trình in sẽ
khơng được như ý muốn, chất lượng sản phẩm in sẽ giảm, thậm ý không in được.
Hiện nay các máy in 3D thường sử dụng giải pháp cảm biến nhiệt độ bằng
các nhiệt điện trở. Giải pháp này có ưu điểm là giá thành rẻ, trong khi đó nhiệt
điện trở có độ bền cao.

Hình 2.4: Điện trở nhiệt (Thermistor)
Nhiệt điện trở có thể phân thành 2 loại theo hệ số k. Nếu k dương, trở
kháng của điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, khi đó nó được gọi là nhiệt điện trở
thuận hay thuận nhiệt trở (PTC - Positive Temperature Coefficient). Ngược lại nếu

k âm, trở kháng của điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, và nó được gọi là nghịch
nhiệt trở (NTC - Negative Temperature Coefficient).
Nhiệt điện trở được dùng làm cảm biến nhiệt trong các máy móc thiết bị,
như máy điều hịa nhiệt độ, tủ lạnh,… Nó cũng được dùng trong phần mạch bảo vệ
quá nhiệt trong các bộ cấp nguồn điện.
- Công tắc hành trình
Để đảm bảo độ chính xác cho việc in sản phẩm, việc phải có điểm bắt đầu
xuất phát (home) là rất quan trọng. Khi các trục X,Y,Z chưa nằm trên cùng 1 mặt
phẳng ngang, việc kéo chúng về tọa độ ban đầu đóng vai trị như một sự chuẩn bị.
Tại vị trí của các cơng tắc hành trình (end-stop) được coi là 0 (home), hoặc là nơi
mà các trục khơng thể di chuyển xa hơn nữa.
Các dịng cơng tắc hành trình hiện nay thường có ba chân, thường đóng
(NC), thường mở (NO) và Common (C). Các chân NC và NO được đặt cố định,
7


chân C có chức năng như cổng tạo tín hiệu trên bộ điều khiển. Khi nút trên endstop bị tác động sẽ gửi một tín hiệu tới bộ điều khiển để cho nó biết rằng trục đã
đạt đến vị trí 0 (home).
Trong phạm vi giới hạn đồ án, nhóm sử dụng: chân Common (C) và thường
đóng (NC). Vì chỉ sử dụng 1 trong 2 tiếp điểm thường đóng (NC) hoặc thường mở
(NO).

Hình 2.5: Cơng tắc hành trình

2.3.2 KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
Khối xử lý trung tâm có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối cảm biến, sau đó xử
lý tín hiệu để hiển thị và điều khiển tải.
Để điều khiển toàn bộ hệ thống hoạt động, ta sử dụng mạch điều khiển
RAMPS 1.4 được thiết kế để phù hợp với toàn bộ thiết bị điện tử cần thiết
cho máy in 3D RepRap với chi phí thấp. RAMPS 1.4 giao tiếp với Arduino

Mega với nền tảng mạnh mẽ và có nhiều room để mở rộng. Thiết kế module bao
gồm các khe cắm cho trình điều khiển động cơ bước và mạch điện điều khiển đầu
phun trên shield Arduino Mega để dễ dàng sử dụng, thay thế, nâng cấp và mở rộng
chức năng. Ngoài ra, 1 số bo mạch mở rộng của Arduino có thể được gắn thêm
vào miễn là mạch RAMPS gắn ở lớp trên cùng.

8


- MẠCH ĐIỀU KHIỂN ARDUINO MEGA 256.
Arduino Mega 2560 là 1 bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu
khiển AVR Atmega2560.

Hình 2.6: Arduino Mega 2560
Đi cùng với Board Arduino là một phần mềm hỗ trợ phát triển tích hợp :
IDE (Integrated Development Environment) cho phép người dùng viết các chương
trình cho Arduino bằng ngơn ngữ C hoặc C++.
Cấu tạo chính của Arduino Mega 2560 bao gồm các phần sau:
- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều
khiển. Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và
máy tính.
- Jack nguồn: để chạy Arduino thì có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên,
nhưng khơng phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được. Lúc đó ta cần một
nguồn từ 9V đến 12V.
- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của tồn bo mạch. Với mỗi
mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau. Ở con Arduino Mega2560 này
thì sử dụng ATMega2560.
- Kích thước:
+ Dài

:

101,98 mm

+ Rộng

:

53,63 mm

+ Cao

:

15,29 mm

+ Cân nặng :

34,9 g
9


- Thông số kỹ thuật:
+ Vi xử lý:

5V

+ Điện áp hoạt động:

7-12V

+ Điện áp đầu vào:

6-20V

+ Chân vào/ra:

54

 12 chân đầu ra PWM, độ phân giải 8 bit, từ chân số 2 đến 13.
 10 chân giao tiếp, từ chân số 14 đến 21 và 2 chân số 0,1.
 32 chân vào/ra số, từ chân số 22 đến 53.
 Ngoài ra có 3 chân nối đất (GND) và một chân điện áp tham
chiếu (AREF), 2 chân nguồn 5v.
+ Chân vào tương tự:

16 ( từ chân số 0 đến 15).

+ Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA
+ Dòng điện Chân nguồn 3.3V:

50mA

+ Bộ nhớ trong:

256kB

+ SRAM:

8kB

+ EEPROM:

4kB

+ Xung nhịp:

16MHz

- MẠCH ĐIỀU KHIỂN RAMPS 1.4

Hình 2.7: Ramps 1.4

10


RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) là bộ kit điều khiển máy in
3D Reprap giao tiếp với bộ Arduino Mega 2560 mạnh mẽ cùng nhiều cổng kết nối
mở rộng.
Trên Arduino MEGA shield có các mơ-đun tích hợp khe cắm trình điều
khiển động cơ bước (stepper drivers) và thiết bị điện tử của bộ đùn nhựa in 3D.
Đặc biệt, chúng ta có thể gắn thêm các bo mạch mở rộng của Arduino nhưng phải
đảm bảo mạch RAMPS gắn ở lớp trên cùng.
Bo mạch điều khiển máy in 3D Reprap có rất nhiều loại và đều dựa trên
nền tảng Arduino mã nguồn mở. Hiện nay, những người chế tạo máy in 3D
thường chọn bo mạch RAMPS 1.4 để làm bộ não cho chiếc máy vì những tiện ích
mà nó mang lại.
Cấu tạo RAMPS 1.4:
- Năm khe cắm driver A4988 điều khiển tương ứng năm động cơ bước, với
mỗi khe cắm driver A4988 thì có ba cầu nối giữa nguồn với chân MS1, MS2, MS3

để điều chỉnh chế độ bước của động cơ bước.
- Ba Mossfet được điều khiển bằng xung PWM, cấp nguồn điều khiển đầu
đùn, bàn gia nhiệt và quạt làm mát. Để lấy nguồn cho thiết bị ta chỉ việc kết nối
thiết bị với các ngõ ra D8, D9 hoặc D10.
- Ba cặp chân T0, T1, T2 là các vị trí nối Thermistor, các Thermistor này
sau khi được kết nối với T0 (hoặc T1 hoặc T2) sẽ kết hợp với điện trở 4,7 kΩ
trong board tạo nên cầu chia áp, khi giá trị Thermistor thay đổi thì điện áp
VTHERM0 vào vi xử lý thay đổi theo.
- Sáu cặp chân cắm cơng tắc hành trình tương ứng với 3 trục X,Y,Z ở hai vị
trí Max, Min.
- Nút nhấn Reset nối mass với chân reset của vi xử lý, bình thường nút nhấn
hở mạch, khi cần reset ta tác động nút nhấn reset hệ thống.
Ngồi ra board cịn có thế kết nối động cơ Servos, LCD, SDcard.
11


Hình 2.8: Kết nối Ramps với Arduino

2.3.3

KHỐI HIỂN THỊ VÀ ĐIỀU KHIỂN
Do sử dụng kit xử lý ardunio kết hợp với RAMPS 1.4, ta có thể sử dụng 1
mạch điều khiển kết hợp với hiển thị là RAMPS LCD controller, được chế tạo phù
hợp để hiển thị và tương tác với máy in 3D reprap thơng qua RAMPS 1.4

Hình 2.8: Ramps LCD controller
Ramps LCD controller bao gồm 1 khe đọc thẻ SD, 1 LCD 20x4 và 1 núm
xoay để người dùng tương tác, thực hiện các lệnh điều khiển máy in 3D hoạt động

12

2.3.4

KHỐI NGUỒN
Bộ nguồn điện (Power Supply ) là thành phần rất quan trọng để Máy in 3D
Reprap có thể hoạt động ổn định. Nguồn điện phải đảm bảo công suất thì các linh
kiện điện tử ( nhất là bo mạch RAMPS và động cơ bước) mới có thể chạy lâu dài
MeanWell Power Supply là bộ nguồn có chất lượng tốt mà giá không quá cao, phù
hợp với tất cả các dòng máy in 3D reprap giá rẻ trên thị trường. Bộ nguồn
MeanWell Power Supply có thơng số : 350W-12V – 29A , Model NES-350-12.
Qua quá trình thử nghiệm với các sản phẩm Reprap tự chế, MeanWell được công
nhận là bộ nguồn tin cậy cho máy in 3D Reprap. Đồng thời, hãng MeanWell nổi
tiếng với các sản phẩm điện-điện tử trên toàn thế giới, nên bạn hoàn toàn yên tâm
về chất lượng.

Hình 2.9: Bộ nguồn cho máy in 3D

2.3.5

KHỐI TẢI
Mục đính của hệ thống chính là điều khiển tải, có nghĩa là điều khiển
chuyển động của động cơ bước để tạo chuyển động cho đầu in và bàn in, điều
khiển gia nhiệt đầu in
- Động cơ bƣớc
Động cơ bước có thể được mô tả như là một động cơ điện DC không chổi
than và không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ là stator, và
rotor là nam châm vĩnh cửu hoặc trong trường hợp của động cơ biến từ trở, nó là
những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính.
Tất cả các mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và

đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển được thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên
bất kỳ vị trí cố định nào cũng như là quay đến bất kỳ vị trí nào.
13


Hầu hết các động cơ bước có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép
chúng quay khá nhanh, và với một bộ điều khiển thích hợp, chúng có thể khởi
động, dừng lại dễ dàng ở các vị trí bất kỳ.
Ưu điểm:
- Chi phí thấp.
- Moment cao khi khởi động.
- Có thể hoạt động trong một hệ thống điều khiển vòng hở.
- Khả năng đứng máy và trượt bước thấp.
- Làm việc được ở nhiều điều kiện môi trường khác nhau.
Nhược điểm:
- Cần dùng mạch điều khiển chuyên dụng.
- Tiêu hao dòng điện nhiều hơn động cơ DC.
- Moment sẽ giảm khi ở tốc độ cao.

Hình 2.10: Cấu tạo động cơ bước

14


Phân loại động cơ bƣớc
Dựa theo cấu trúc rotor ta chia động cơ bước thành 3 loại: từ trở biến thiên,
nam châm vĩnh cửu, loại lai.
Hình 2.11a Loại từ trở
biến thiên.

Hình 2.11b Loại nam
châm vĩnh cửu.

Hình 2.11c Loại lai.

Hình 2.11: Phân loại động cơ bước

Dựa theo cách quấn dây trên Stator, ta chia động cơ bước thành 2 loại:
- Loại đơn cực : gồm 2 bộ dây quấn trên 1 cặp cực Stator và có 5, 6 hoặc 8 đầu
dây.

Hình 2.12: Động cơ bước loại đơn cực

15


- Loại lưỡng cực: gồm 1 bộ dây quấn trên 1 cặp cực Stator và có 4 đầu dây.

Hình 2.13: Động cơ bước loại lưỡng cực 4 đầu dây
Nhóm làm đồ án chọn động cơ bước loại lai NEMA 17 kiểu đấu dây lưỡng cực do:
- Đây là loại động cơ bước phổ biến trên thị trường.
- Trục động cơ có đường kính 5mm, hồn tồn phù hợp với cơ cấu truyền
động khi lắp ráp.
- Giá thành rẻ nhưng vẫn đảm bảo đủ Moment cho nhu cầu máy in 3D.
Tuy nhiên, trên thị trường có loại 6 dây, nhưng có chỉ cần sử dụng 4 dây. Có 2 dây
chung của mỗi pha. Nên ta chỉ cần bỏ 2 dây đó bằng cách dùng VOM đo điện điện
trở để xác định dây.
Cấu tạo và hoạt động của động cơ bước lưỡng cực kiểu lai:
Động cơ bước lưỡng cực kiểu lai là sự kết hợp của 2 loại: nam châm vĩnh
cửu và từ trở biến thiên, với 4 dây ra thường được quấn như sơ đồ Hình 2.11c loại

lưỡng cực.
Để động cơ bước hoạt động cần phải cấp xung đến các đầu dây vào theo
thứ tự nhất định. Để có được xung điều khiển theo tuần tự cấp vào các dây, mỗi
động cơ bước cần có một mạch điều khiển hoặc một Driver chuyên dụng để điều
khiển nó. Ta xét một động cơ bước kiểu lai lưỡng cực 4 dây ra (Hình 2.13), đây là
loại động cơ được sử dụng trong chế tạo mơ hình thực tế.
16


Các thành phần của động cơ gồm có:
Nam châm vĩnh cửu có một cặp cực Bắc-Nam (N-S), với 1 xung kích thì
động cơ sẽ quay được 1.80/3600 hình học, được điều khiển bởi các cặp cuộn dây
A–A’ và B–B’.

Hình 2.14: Bố trí các cuộn dây trong động cơ bước kiểu lai

Hình 2.15: Cấu tạo rotor của động cơ bước kiểu lai

17


Hình 2.16: Hoạt động của động cơ bước kiểu lai

Hình 2.17: Sơ đồ nối dây của động cơ bước lai lưỡng cực
Cấu tạo của rotor gồm hai cực Bắc-Nam bố trí dọc theo trục của rotor (Hình
4.47) Hai cực được đặt lệch nhau 1 răng. Khi cực A-A’ được cấp điện sao cho cực
A là cực Bắc và cực A’ là cực Nam, cực A sẽ hút cực Nam trên rotor về gần nhất,
đồng thời cực Bắc trên rotor sẽ đẩy cực A’ gần nhất, còn cực Nam của rotor thì
ngược lại. Khi đó, lực hút giữa rotor và stator là lớn nhất.
Rotor luôn được ghim trong từ trường quay của Stator, sao cho tại cùng

một bản cực trên Stator thì một cực của Rotor gần nó nhất cịn cực cịn lại thì xa
nhất. Khi cuộn A-A’ bị ngắt điện đồng thời cuộn B-B’ được cấp điện, khi đó từ
trường của Stator bị lệch đi 3 răng bằng với khoảng chênh lệch giữa cặp A-A’ và
B-B’, từ trường này sẽ kéo rotor quay lệch đi 1 răng. Cứ tuần tự cấp điện như vậy,
ta sẽ tạo ra từ trường quay quanh trục của Rotor và kéo rotor quay.

18


Các chế độ điều khiển động cơ bƣớc: gồm 4 chế độ
- Dạng sóng (Wave drive ):
+ Mỗi thời điểm chỉ có 1 cuộn dây Stator được kích hoạt.
+ Các động cơ đơn cực và lưỡng cực cùng thông số dây quấn thì Rotor
quay như nhau.
+ Hạn chế: chỉ sử dụng 25% (hoặc 50%) dây quấn động cơ đơn (hoặc
lưỡng) cực nên Moment giảm.

Hình 2.18: Chế độ Wave drive
- Bước nguyên (Full step drive):
+ Mỗi thời điểm kích hoạt 2 pha.
+ Full step làm rotor di chuyển giống Wave drive nhưng lệch nửa bước.
+ Moment động cơ dây quấn đơn cực nhỏ hơn dây quấn lưỡng cực vì chỉ
dùng 50% dây quấn.

Hình 2.19: Chế độ Full step drive
- Nửa bước (Half step drive ):
+ Kết hợp điều khiển Wave Drive và Full step drive.
+ Half step làm rotor di chuyển nửa bước.
19

Hình 2.20: Chế độ Half step driver
Vi bước (Microstepping): Vi bước thực chất là tạo ra một moment tổng hợp
mà chúng ta vẫn thường làm với phép cộng hai dao động hình sin lệch pha nhau.
Khi điều khiển nửa bước, điện áp cấp cho động cơ không thay đổi trên các mấu.
Nếu điện áp này thay đổi, vị trí đỉnh của moment tổng khơng nằm chính giữa vị trí
cân bằng của rotor như điều khiển thông thường.
Khi điện áp này được thay đổi một cách hợp lý, chúng ta có thể tạo ra
những bước rất nhỏ cho động cơ, gọi là điều khiển vi bước.

Hình 2.21: Dạng sóng các chế độ điều khiển động cơ bước

20