Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển dừng vị trí chính xác của xy lanh khí hành trình đến 2000mm trong trường hợp tải quán tính lớn

Chúng tôi đề xuất ở đây việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển dừng vị trí chính xác của xylanh khí hành trình đến 2000 mm trong trường hợp tải quán tính lớn.. Chu t

BỘ CÔNG THƯƠNG TỔNG CÔNG TY MÁY ĐỘNG LỰC & MÁY NÔNG NGHIỆP

CƠ QUAN CHỦ QUẢN: BỘ CÔNG THƯƠNG

CƠ QUAN CHỦ TRÌ: VIỆN CÔNG NGHỆ

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: KS TỐNG VĂN CƯỜNG

7104

16/02/2009

HÀ NỘI, 12 – 2008

2 §ç Quèc Quang TiÕn sÜ c¬ häc ViÖn C«ng nghÖ

Mục lục

Chương I: Khảo sát, nghiên cứu 3

1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống có sử dụng khí nén 3

1.2 Giới thiệu về máy dỡ tải chân không với cơ cấu di chuyển ngang bằng cơ khí 5

1.3 Sơ đồ dẫn động cơ cấu di chuyển ngang bằng xylanh khí nén 7

1.4 Hệ truyền động khí nén có hãm cuối hành trình 13

Chương 2: Nghiên cứu tính toán, mô phỏng truyền động của thiết bị 19

2.1 Tính toán và chọn thông số xylanh khí 19

2.2 Mô phỏng truyền động của thiết bị 25

Chương 3: Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển 26

1 Sơ đồ khí nén cơ cấu di chuyển ngang 27

2 Sơ đồ điện điều khiển máy dỡ tải 30

Chương 4: Khảo nghiệm và đánh giá kết quả 34

1 Vận hành khảo nghiệm 34

2 Đánh giá khả năng ứng dụng 37

Tài liệu tham khảo 38

Phụ lục báo cáo đề tài 39

Mở đầu

Trong những năm gần đây, Viện Công nghệ – Bộ Công Thương đã thực hiện

được nhiều Đề tài nghiên cứu khoa học có chất lượng tốt và được các doanh nghiệp ứng dụng đánh giá là có hiệu quả cao Tuy nhiên chúng tôi định hướng không ngừng nghiên cứu nhằm tìm các giải pháp tốt hơn

Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ 17-06RD-HĐ-KHCN đã đạt

được những kết quả nổi bật, đã chế tạo và ứng dụng thành công Máy tạo sóng và

dỡ tải chân không ứng dụng trong Công Thương sản xuất Vật liệu xây dựng, hiện

đang vận hành tại nhiều doanh nghiệp trên lãnh thổ Việt Nam Với nhu cầu sản xuất không ngừng mở rộng, thiết bị đòi hỏi phải có chế độ làm việc ổn định, độ bền cao,

đáp ứng được việc nâng cao năng suất của máy

Chúng tôi đề xuất ở đây việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thử nghiệm bộ điều khiển dừng vị trí chính xác của xylanh khí hành trình đến 2000 mm trong trường hợp tải quán tính lớn Nhằm thay thế cho cơ cấu di chuyển ngang của máy dỡ tải chân không để nâng cao năng suất của máy

Chúng tôi đã tiến hành rà soát và theo dõi suốt quá trình vận hành của Máy

dỡ tải chân không, khảo sát, rút kinh nghiệm và triển khai “nghiên cứu, thiết kế,

chế tạo,bộ điều khiển dừng vị trí chính xác của xylanh khí hành trình đến 2000mm trong trường hợp tải quán tính lớn nhằm ứng dụng cho máy dỡ tải chân không”

Chương I: Khảo sát - nghiên cứu

1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống có sử dụng khí nén

Các hệ thống truyền động khí nén được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong chế tạo máy, luyện kim, hàng không…Chúng thường được sử dụng dưới dạng các hệ truyền động kẹp, vận chuyển, nâng hạ, phanh hãm, các cơ cấu tự động

hoá…

Sở dĩ các hệ thống khí nén được sử dụng rộng rãi như vậy bởi khí nén có nhiều

ưu điểm mà các hệ truyền động khác không có được, đó là:

1.2 Giới thiệu về máy dỡ tải chân không với cơ cấu di chuyển ngang bằng cơ khí.

a Thông số tốc độ làm việc:

Thông số tốc độ làm việc của thiết bị được công bố trong các ấn phẩm của Liên xô cũ đ−ợc nêu trong bảng sau:

b Yêu cầu thực tế:

- Hành trình của thiết bị: Gồm 2 hành trình đi, lại của xe con và hành trình lên

xuống của dàn hút tấm, dàn dỡ khuôn Dưới đây là bảng hành trình di chuyển của thiết bị:

Hành trình H (mm)

d Mô tả hoạt động của thiết bị:

Xe con di chuyển phải – trái trên khung máy với vận tốc VDC từ vị trí 1-2 đến vị trí 2-3 và ngược lại, hành trình di chuyển là H1 = 1.900 mm; Hai dàn dàn hút tấm (trái) và dàn dỡ – hút khuôn (phải) nâng lên, hạ xuống với vận tốc VNH, hành trình nâng (hạ) H2 = 150 mm Vị trí số 1 của dàn hút tấm là trùng với đường tâm băng tải

2, dàn dỡ – hút khuôn trùng với bàn nâng hạ khuôn Một chu kỳ làm việc của thiết

bị bao gồm các bước sau:

Bước 1: Từ vị trí 2.a, dàn hút khuôn đi xuống vị trí 2.b để hút khuôn trên chồng tấm và khuôn sếp xen kẽ, dàn hút tấm đi từ vị trí 2.a xuống vị trí 2.b để nhả tấm vừa

được hút tại vị trí 2 (trong chu kỳ làm việc trước đó)

Bước 2: Sau khi hút khuôn và nhả tấm xong, hai dàn được nâng vị trí ban đầu (1.a và 2.a)

Bước 3: Xe con di chuyển sang phải, dàn hút tấm đến vị trí số 2.a Dàn hút – dỡ khuôn đến vị trí 3.a (vị trí bàn đặt khuôn)

Bước 4: Dàn hút tấm đi xuống vị trí 2.b, tấm sóng trên dàn tạo sóng được hút lên Dàn hút – dỡ khuôn đi xuống vị trí 3.b nhả khuôn ra

Bước 5: Hai dàn được nâng lên, dàn hút tấm trở về vị trí 2.a, dàn hút – dỡ khuôn trở về vị trí 3.a

Bước 6: Xe con di chuyển về phía trái, dàn hút tấm trở về vị trí 1.a, dàn hút – dỡ khuôn trở về vị trí 2.a; Đến đây một chu kỳ làm việc của thiết bị kết thúc, một chu

kỳ là việc tiếp theo bắt đầu được lặp lại

Giữa các bước thao tác cả thời gian nghỉ gian nghỉ để hệ thống cơ khí cụ thể đáp ứng được với điều khiển Như vậy thời gian cho một chu kỳ làm việc của thiết

bị sẽ được tính theo công thức là:

T Chukì =Xuống+Dừng+Lên+Dừng+Phải+Dừng+Xuống+Dừng+Lên+Dừngt+Trái+ Dừng

e Di chuyển ngang của xe dẫn động cơ khí( bánh răng, thanh răng)

Hình 2.2 Sơ đồ truyền động xe con

* Nh−ợc điểm của cơ cấu di chuyển ngang kiểu banh răng- thanh răng:

- Hệ thống cơ khí phức tạp nhiều phần tử nên gây khó khăn trong việc chế tạo và lắp đặt

- Sau thời gian làm việc bộ truyền bánh răng thanh răng bị dơ làm cho xe con đỗ dừng bị sai vị trí

- Bộ truyền bánh răng – thanh răng khi di chuyển tốc độ cao bị kêu và rung nhiều

1.3 Sơ đồ dẫn động cơ cấu di chuyển ngang bằng xylanh khí nén

a Sơ đồ dẫn động bằng xylanh khí cơ bản

Hình 1.Sơ đồ dẫn động

*Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

ước biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành Chu trình dịch chuyển là một trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành

mà sau khi thực hiện xong chúng lại trở về vị trí ban đầu

Các hệ truyền động khí nén làm việc theo chu trình được chia theo kiểu điều khiển thành ba nhóm:

Điều khiển theo vị trí:

Hình 2: Xylanh khí điều khiển theo vi trí

Trong sơ đồ nay vị trí tận cùng được kiểm tra bằng các cảm biến vị trí X11, X12 Từ các cảm biến X11, X12 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp hành

được báo tới hệ điều khiển, trên cơ sở đó tạo lập các lệnh điều khiển f và f Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí trên thường là các van hành trình 3/2

thường ngắt( ở vị trí đầu cửa ra của van nối với đường xả) hoặc thường mở( ở vị trí

đầu cửa ra của van nối với áp suất nguồn)

Hệ điều khiển có thể còn bao gồm các công tắc khí nén, công suất khởi động, các thiết bị giữ chậm, các phần tử lôgíc… Số các cơ cấu chấp hành được điều khiển trong hệ thống có thể là 1, 2, 3… hoặc hơn nữa

Hệ điều khiển theo thời gian:

Hình 3: Sơ đồ hệ điều khiển theo thời gian bằng cơ cấu cam

Trong sơ đồ này thời gian thực hiện một chu trình được xác định bằng cơ cấu cam Thời gian thực hiện và đường phân các chu kỳ riêng biệt của nó ở đây được xác định bởi profin của cam 1 và vận tốc quay( W) của nó Thời gian của từng bước hoặc của cả chu trình làm việc có thể cho trước bằng rơle thời gian các loại, được nối tiếp nhau trong hệ thống

Hình 4: Sơ đồ hệ điều khiển theo thời gian bằng rơle thời gian

Trong sơ đồ này đường rơ le thời gian để đặt thời gian cho mọi chu trình làm việc của xi lanh khí nén, phanh khí nén và động cơ khí nén

- Hệ điều khiển theo áp suất:

Các hệ điều khiển theo áp suất coi như các biến thể của hệ điều khiển theo vị trí Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi pittông dịch chuyển những khoảng khác nhau phụ thuộc vào khích thước của các chi tiết được gia công, hoặc do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần píttông vươn dài Để

điều khiển các van phân phối, trong trường hợp này cần sử dụng các van nối liên tục

Hình 5: Sơ đồ hệ điều khiển xylanh theo áp suất

Nguyên lý làm việc của nó như sau:

Van 5 sẽ làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong các khoang của xi lanh 1 Khi làm việc sẽ có một xung áp suất đưa tới van phân phối 2, chuyển nó về vị trí đầu Vị trí ban đầu của pittông được kiểm tra bằng công tắc hành trình 3 Để pittông dịch chuyển về phía trước sử dụng công tắc khởi động 4 Nhược điểm của cách điều khiển dưới là khi tải thay đổi đột ngột, hoặc khi các thông số khí thay đổi , chuyển động của cơ cấu chấp hành có thể xảy ra trước Bởi vậy, các hệ điều khiển theo vị trí, trong đó chuyển động của từng cơ cấu chấp hành

có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xác định của tất cả các cơ cầu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động – tự động khí nén

Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ, để đưa tín hiệu tới đổi vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối tượng được gia công, dụng cụ, các vấn đề về an toàn lao

động… Ngoài ra, hệ thống điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển động của các cơ cấu chấp hành, can thiệp của người điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác

- Điều khiển theo lôgíc ( Điều khiển số)

Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ, để đưa các tín hiệu đến

đổi vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối tượng được gia công, dụng cụ, các vấn đề về lao động… Ngoài ra hệ điều khiển còn tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển động của các cơ cấu chấp hành, can thiệp của người điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ trong chu trình làm việc và các yếu tố khác

Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế, trong đó kể cả các hệ thống truyền động – tự động khí nén, thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng Hệ

điều khiển của các hệ thống tự động này được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết

điều khiển lôgíc

Hình 6: Sơ đồ hệ điều khiển xylanh theo phương pháp điều khiển số.

Hệ thống bao gồn khối điều khiển lôgíc với các đầu vào P1, P2,…Pn; X1, X2…Xn và các đầu ra Z1, Z2…Zn; Các phần tử nhỏ dạng trigiơ có các đầu vào riêng biệt V10…V50 và các đầu ra Y1, Y2…Yn Tổng hợp giá trị của các tín hiệu trong chúng xác định trạng thái trong khối điều khiển lôgíc Các tín hiệu X1, X2…Xn được đưa đến khối điều khiển lôgíc từ các cảm biến vị trí( Các công tắc hành trình), Các tín hiệu P1, P2…Pn đến từ các sơ đồ kiểm tra đặc biệt, gọi là các khối kiểm tra điều kiện lôgíc Tại đầu vào của một bước bất kỳ trong chu trình làm việc, từng bộ phận công tác sẽ đè lên các công tắc hành trình tương ứng Nói cách khác, vị trí của chúng được xác định bởi công tắc hành trình đó Các tín hiệu vào tương ứng ( X1, X2…Xn – tín hiệu chính) sẽ có những giá trị cụ thể xác định

Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác nào đó tới vị trí xác định mới, sẽ có ít nhất một công tắc hành trình được giải phóng( không bị

đè) tức là có giá trị không xác định Các tín hiệu chính ở đầu vào lôgíc do vậy cũng

có giá trị không xác định Tuy nhiên, ở trạng thái này, bộ phận công tác của bộ truyển động cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ chuyển động theo phương hướng đã có cho

đến tận cuối bước

Vì vậy, khối điều khiển lôgíc vẫn phải đảm bảo các tín hiệu đầu ra với giá trị không đổi đã có trước đó tương ứng với đầu bước chuyển động, tức là tương ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu chính ở đầu bước Đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ điều khiển lôgic Cách xây dựng hệ thống

điều khiển lôgic cho phép giảm được số phần tử dùng trong khối điều khiển, đơn giản hoá được các mô tả điều kiện làm việc và tổng hợp hệ điều khiển

1.4 Hệ truyền động khí nén có hãm cuối hành trình

Một trong những hạn chế cơ bản của các hệ truyền động khí nén là dễ xảy ra va

đập cuối các hành trình, đặc biệt là khi chúng làm việc với tải nặng và vận tốc lớn Vì vậy, việc đảm bảo cho các hệ khí nén dừng nhẹ nhàng ở cuối các hành trình là

điều quyết định trong các hệ truyền động khí nén Việc tính toán quá trình hãm và các thiết bị hãm cho chúng là một bước cần thiết mang tính chất bắt buộc, khi chọn các thông số làm việc cho hệ thống

Cơ cấu điều khiển tốc độ trực tiếp của cơ cấu công tác bao gồm van tiết lưu và van một chiều thường gọi là thiết bị điều khiển tốc độ Cách gọi như vậy thực tế không hoàn toàn đúng nghĩa, bởi vì van tiết lưu được chỉnh ngay từ ban đầu khi cơ cấu chấp hành làm việc và trong quá trình chuyển động tình trạng của van tiết lưu không thay đổi Bởi vậy đúng nghĩa của nó phải gọi là cơ cấu cài đặt thời gian hành trình chuyển động Phụ thuộc vào cách lắp đặt van tiết lưu và van một chiều ta phân biệt hai phương pháp điều khiển tốc độ thiết bị công tác Tiết lưu ở đầu vào( đầu cấp khí) và tiết lưu ở đầu ra (đầu thoát khí) như hình 7

Hình 7: Biểu đồ thay đổi áp suất với tiết lưu đầu vào và tiết lưu đầu ra

Ta hãy xét quá trình tiết lưu đầu cấp khí đường cong thay đổi áp suất của một chu kỳ là đường nét liền trên đồ thị

Để đơn giản bài toán ta hãy giả thiết trong một số thời điểm dừng chuyển động của pittông và chênh áp suất ∆ P = P ư P B = const Vào thời điểm A lực cản

đột ngột giảm Khi đó tốc độ pittông tăng, áp suất P trong khoang chứa giảm do thay đổi thể tích( giảm)

Việc xác lập chênh lệch áp suất ∆P1 tương ứng với nghĩa là có tải mới tương ứng

Nếu sau đó lực tăng ở thời điểm B thì quá trình xảy ra ngược lại Chênh lệch áp suất là ∆P2 Khi tăng tải trọng một cách đáng kể, pittông không chỉ chậm lại hành trình, mà có thể dừng lại một số thời điểm đến khi chênh lệch áp suất chưa đạt được giá trị cần thiết Cũng như việc chống rơi áp( chênh lệch áp) trong trường hợp quá nhỏ, có thể bằng biện pháp thay đổi áp suất trong khoang chứa một cách từ từ( trước

và sau đặt tiết lưu ở lối vào) Như vậy, quá trình đệm trung gian chiếm thời gian khá lớn Khi đó truyền động trước và sau không có “ đệm khí” sẽ gần tính chất chuyển

động một hướng

Bây giờ ta tiếp tục phân tích tiết lưu ở đầu ra Trong trường hợp này trong khoang cấp khí áp suất tăng nhanh( Xem đồ thị nét đứt) Xong thời gian chuẩn bị cho chu trình tI’ kéo dài hơn Tương tự như vậy cho thời gian xác lập chênh lệch áp suất, ổn định và xác lập tải mới dài hơn, đó là nhược điểm

Phân tích đồ thị trên ta thấy khi tiết lưu ở đầu ra, thời gian chuyền động cho chu trình có giá trị lớn hơn nhiều so với việc tiết lưu ở đầu vào Song phương pháp này

có đặc tính mềm và ít nhạy cảm với việc thay đổi tải trọng Việc phân tích trên khí tiết lưu thực ra chưa tính đến các yều tố công suất và các yếu tố khác Điều đó ta phải chú ý trong các bài toán cụ thể Ngoài ra việc xử dụng van tiết lưu nhằm giảm tốc lực trong toàn bộ hành trình của píttông nhằm đảm bảo ổn định và tránh va đập cuối hành trình không phải lúc nào cũng đạt được, bởi vì nó lại gây ra việc kéo dài thời gian chu trình Do đó, cần phải nghiên cứu quá trình phanh trong truyền động khí nén

Phanh trong truyền động khí nén được thực hiện bằng các thiết bị và biện pháp khác nhau Thông thường thực hiện bằng phương pháp đối áp của cơ cấu phanh chuyên dụng

Trong trường hợp cần phanh truyền động đã có sẵn thì tốt nhất là sử dụng thêm bình chứa( bình tích khí) với van tiết lưu Xem hình 8

Hình 8: H∙m băng cách dùng bình tích áp.

Trong lúc đầu của chu trình khí trong bình tích có áp suất bằng áp suất khí quyển Khi đó pittông chuyền động tăng tốc, sau đó trong bình tích khí áp suất tăng

và chuyền động pittông được phanh lại

Kích thước bình tích khí có thể xác định bằng con đường tính toán, hoặc thí nghiệm trong đó tiện lợi nhất đo bằng cách đổ đầy dần trong bình tích khí

Trong tất cả các phương pháp thì năng lượng động năng phanh của khối lượng truyền đồng truyền sang cũng nén khí, liên quan lượng khí trong khoang xả trong thời điểm phanh, tỷ số nén khí và quá trình nhiệt động học liên quan

Trong một số trường hợp khi khối lượng lớn và di chuyển tốc độ cao thì quãng

đường phanh là tương đối lớn thì kinh tế nhất là chọn thời gian khởi động gần như thời gian phanh Như vậy hợp lý nhất phải điều khiển tốc độ trong suốt quá trình truyền động hoặc phải giảm khối lượng truyền động Với biện pháp như vậy thì hành trình phanh và thời gian phanh có giá trị gần bằng thời gian và hành trình khởi

động

Một trong những phương pháp hẵm cơ bản là tạo đệm khí đối áp cuối hành trình bằng cách làm giảm đột ngột tiết diện đường xả Để thực hiện được điều này tác giả sử dụng thiết bị hãm ngoài (van hãm)

Van hãm ngoài thường có kết cấu gồm một tiết lưu mắc song song với một van một chiều và một van hành trình kiểu 2/2 thường mở, được lắp trên hình 2-14a

Hình 9: H∙m bằng cách lắp tiết lưu ngoài

Khí nén từ mạng khí nén chảy vào khoang làm việc qua van một chiều 1, khí từ khoang xả phần lớn thoát qua van vành xuyến 5 và một phần qua van tiết lưu 4 Khi píttông 2 chồng lên van trung tâm, khí nén thoát ra chỉ qua van tiết lưu 4 Khi

đó khí trong khung xả bị nén, phanh chuyển động pítttông các định bằng trạng thái van tiết lưu Khi pittông trở về vị trí ban đầu dưới tác dụng của khí chảy qua van một chiều 5

Ngoài phương pháp hãm ngoài còn có phương pháp hãm trong, các thiết bị hãm trong có kết cấu và làm việc cũng tương tự như van hãm ngoài; ở đây, vai trò của van hãm cuối hành trình được thực hiện bởi pittông, khi đến gần cuối hành trình nó

sẽ bịt đường khí chính và khí nén chỉ có thể đi qua tiết lưu trong để xả ra ngoài khí quyển Trong trường hợp này việc hiệu chỉnh quãng đường hãm hầu như không thực hiện được và độ lớn của nó phụ thuộc vào kết cấu xylanh

Hình 10: H∙m bằng cách dùng tiết lưu trong

Ngoài hai cách trên, có thể giảm tiết diện đường xả bằng cách bố trí các kênh xả (có tiết diện khác nhau) ngay trên thành xylanh ở cuối các hành trình pitông Khi pittông đến cuối hành trình nó sẽ lần lượt bịt dần các kênh xả và vận tốc của nó giảm dần cho đến khi dừng hẳn

Trong tất cả các phương pháp hãm như vậy, động năng của khối lượng chuyển

động đều chuyển thành công nén khí nén được hình thành trên cơ sở lượng khí có trong khoang xả tại thời điểm hãm

Với các hệ truyền động khí nén có khối lượng chuyển động lớn, làm việc với

mất ý nghĩa Trong trường hợp này, hoặc phải điều chỉnh tốc độ trên cả hành trình hoặc phải giảm khối lượng chuyển động của hệ thống Khối lượng hệ thống thì không thể giảm được, nếu điều chỉnh tốc độ trên toàn bộ hành trình xylanh cũng làm giảm tốc độ của xylanh Trong trường hợp đề tài tác giả sử phương pháp hãm kết hợp vừa làm giảm tiết diện đường xả để làm giảm tốc độ xylanh, đồng thời kết hợp với phanh khí nén ở cuối hành trình