đồ án thay dao tự động bản full

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử. Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu…

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

Bộ môn Cơ điện tử

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Mã HP: ME4336Q

Học kỳ: 20211

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Sinh viên thực hiện: Hứa Văn Linh

Lớp: Me-nut17

MSSV: 20187466

Mã lớp: 126612

Chữ kí sv:

Ngày giao nhiệm vụ 7/11/2021 Ngày hoàn thành: / /

I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống thay dao

tự động

II Số liệu cho trước:

1- Tay đỡ của hệ thống 2- Động cơ kèm hộp giảm tốc

3- Thanh đỡ di trượt 4- Cơ cấu Man 5- Vỏ bao che phía ngoài 6- Chuôi côn gắn dao 7- Vỏ bao che phía dưới 8- Tay gạt (cơ cấu Man) 9- Tấm đỡ (liền với cơ cấu 4) 10- Tay kẹp côn gắn dao 11- Xy lanh khí nén

- Loại máy CNC: Phay

- Loại thay dao: Không tay máy

- Nguồn động lực di chuyển: Khí nén

- Nguồn động lực quay ổ chứa: Động cơ điện

- Số lượng ổ chứa dao N= 16

- Loại côn gắn dao BT40

- Khối lượng 1 con dao tối đa M= 7kg

- Đường kính lớn nhất của 1 con dao Dmax= 80mm

- Thời gian thay dao gần nhất T1= 3s

- Thời gian thay dao xa nhất T2= 7s

III Nội dung

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

- Nguyên lý hoạt động

- Xác định các thành phần của hệ thống thay dao

2 Mô hình hóa hệ thống điều khiển

- Mô hình hóa một trục chuyển động

- Xây dựng mô hình hệ thống điều khiển cho thay dao

3 Thiết kế hệ thống điều khiển

- Chọn các phần tử của hệ thống điều khiển

- Xác định hàm điều khiển

- Xây dựng bản vẽ mạch

- Xây dựng chương trình điều khiển

4 Mô phỏng

- Mô phỏng hoạt động của các trục điều khiển

- Mô phỏng logic hoạt động của hệ thống

- Mô phỏng hoạt động bằng các phần mềm mô phỏng

Hà Nội, ngày… tháng… Năm 2022

Giáo viên hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại nhữg lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa Để thự hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị công cụ (máy móc, robot…) của mọi ngành kình tế quốc dân Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khícần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong sản xuất

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu… Đồng thời cũng giúp chúng em nắm bắt thêm một số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế, mô phỏng như Catia,… ngoài ra còn giúp chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này

Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao, cùng sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết còn hạn chế và hơn nữa chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi được những thiếu sót và bất cập Vì vậy em rất mong sự góp ý và sửa chữa của các thầy cô để em có thể rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô

trong Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của cô PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang đã giúp em hoàn thành

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC 6

1.1, Tổng quát 6

1.2, Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống thay giao 6

1.3, Ưu và nhược điểm của hệ thống thay dao tự động 6

1.4, Các yêu cầu của hệ thống thay dao tự động 7

1.5, Cấu tạo của hệ thống 7

1.5.1, Trục chính, các loại đầu kẹp dao và dao 8

1.5.2, Cụm giá 10

1.5.3, Cụm tang chứa dao: 10

1.5.4 Các thành phần khác 11

1.6 Chu trình làm việc của hệ thống thay dao tự động 12

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 15

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 16

2.2 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động 16

2.2.1 Khái niệm sơ đồ động 16

2.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao 19

2.3.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động 19

2.4 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển 20

2.4.1 Nối dây và sử dụng rơle 20

2.4.2 Điều khiển bằng vi xử lý 21

2.4.3 Điều khiển bằng PLC 21

2.5 Thiết kế mạch điều khiển 22

2.5.1 Tổng quan về cảm biến sử dụng trong hệ thống 22

2.5.2, Vị Trí và chức năng của các cảm biến dùng trong hệ thống thay dao tự động 26

2.5.3, Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thay dao tự động 28

2.5.4, Phân tích lựa chọn bộ điều khiển PLC 34

2.5.5, Phân tích lựa chọn biến tần 36

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 39

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN VÀ HỆ

THỐNG KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 40

3.1, Sơ đồ kết nối giữa PLC và biến tần 40

3.2, Sơ đồ đấu nối PLC với cảm biến 41

3.3, Sơ đồ PLC với van khí nén 41

3.4, Sơ đồ tổng của mạch điều khiển 43

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 44

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH PLC CHO HỆ THỐNG 45

4.1 Tổng quan về PLC 45

4.2 Bảng tín hiệu sử dụng trong PLC 48

4.3 Phương án phân chia bài toán điều khiển logic hệ thống thay dao 51

A.Chương trình chính 51

B Các chương trình con: 52

4.4 Lập trình PLC 57

A, Chương trình con trục chính đến vị trí thay dao (M0.1) 57

B, Chương trình con trục chính về vị trí chờ (M0.20) 58

C, Chương trình con đài dao về vị trí thay dao (M0.3) 60

D, Chương trình con dài dao về vị trí chờ (M0.4) 60

E, Chương trình con trục chính nhả kẹp dao (M0.5) 61

F, Chương trình con trục chính nhả kẹp dao (M0.6) 61

G, Chương trình con xoay đài dao (M0.6) 62

H, Chương trình chính 66

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS 76

Kết luận chương 5: 82

KẾT LUẬN 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC

1.1, Tổng quát

Trong quá trình hoạt động sản xuất cơ khí thì có rất nhiều loại máy móc tân tiến ra đời làm tăng năng suất cũng như là chất lượng Trong đó có máy CNC CNC được lập trình tự động hoặc bán tự động để gia công, chế tạo sản phẩm, sản phẩm máy tạo ra có độ chính xác cao, đạt năng suât cao gấp nhiều lần so với gia công thủ công do đó có thể giảm được rất nhiều nhân công cũng như là chi phí và thời gian sản xuất

1.2, Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống thay giao

Trước hết thì hệ thống thay dao có nhiệm vụ là cất giữ và lưu trữ một số

lượng dao nhất định để phục vụ cho quá trình gia công sản phẩm trên máy CNC

Số lượng dao tối đa có thể tích trữ trên hệ thống phụ thuộc vào yêu cầu về số dao/ số nguyên công mà chương trình gia công cần gọi đến Sản phẩm càng phức tạp số lượng dao cần đến càng lớn Kích thước hệ thống thay dao tự động cũng sẽ lớn theo để đảm bảo mang dc số dao cần thiết

Tiếp theo hệ thống phải có nhiệm vụ lấy dao cũ từ trục chính và đưa dao mới được gọi vào vị trí thay dao khi có lệnh thay dao từ chương trình gia công

1.3, Ưu và nhược điểm của hệ thống thay dao tự động

a, Ưu điểm

Quá trình thay dao sẽ được thực hiện rất nhanh và chuẩn xác do các công đoạn thay thế đều được tính toán cụ thể lập trình và được chạy bằng máy Điều này giúp đảm bảo độ an toàn cao, không phụ thuộc vào yếu tố con người giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm Ngoài ra nó còn đảm bảo tính chuyên nghiệp, mang tính tự động hóa cao thích hợp với thời kì công nghệ mới Hơn nữa nó còn tiết kiệm được nhân lực, thời gian và chi phí sản xuất

có sự cố hỏng hóc máy móc cũng cần chi phí sửa chữa lớn

1.4, Các yêu cầu của hệ thống thay dao tự động

- Số ổ chứa phải có dung lượng lớn

- Dụng cụ phải được kẹp chặt trong ổ tích dao

- Chuôi dao và đài gá dao phải được định vị chính xác vào vị trí gia công

- Khoảng cách giữa ổ tích dao tới vị trí gia công là ngắn nhất

- Hệ thống cấp phát tự động phải có độ tin cậy và chính xác cao

- Không làm bẩn bề mặt côn với bề mặt ăn khớp trục chính

- Bảo dưỡng tiện lợi, an toàn

- Thay dao nhanh

1.5, Cấu tạo của hệ thống

Hình 1 Hệ thống thay dao kiểu tang trống

1.5.1, Trục chính, các loại đầu kẹp dao và dao

Trong máy CNC, trục chính là trục quay của máy, thường là thuật ngữ chính để xác định khả năng của máy Một số máy CNC chuyên sản xuất cho sản phẩm hàng loạt lớn có một nhóm gồm 4,6 và nhiều đầu dao hơn Chính được gọi là máy nhiều đầu Trục chính không khác gì là một trục xoay, nó là một động cơ cho phép dao được gắn vào và lấy ra; rồi bàn di chuyển, hệ thống điều khiển chuyển động các trục, và phần mềm sẽ tính toán phần còn lại Các thông số kỹ thuật trục chính cơ bản trong một trung tâm gia công CNC là: tốc độ trục chính tối đa, công suốt động

cơ trục chính và mô-men xoắn tối đa động cơ trục chính

Hình 2 Hình ảnh cụm trục chính

+dao khi trục chính lấy dao từ đài dao

Nguồn lực dẫn động: Dùng xi lanh khí nén

- Nguyên lý:

+ Khi trục chính cần trả dao: khí nén đi vào buồng trên xi lanh đẩy pistong chuyển động đi xuống, thông qua trục kẹp ép đĩa lò xo làm mỏ kẹp mở ra và quả đấm dao đẩy dao ra khỏi trục chính

+ Khi trục chính kẹp chặt dao: dao sau khi được đặt đúng vị trí trong trục chính, khí nén được đưa vào buồng dưới của xi lanh đẩy pistong đi lên, hệ thống lò xo đĩa đẩy trục kẹp đi lên, kéo hệ thống mỏ kẹp chuyển động đi theo lên trên, khi nó gặp 2 cữ chặn thì các mỏ kẹp bị thu hẹp góc kẹp lại kẹp chặt chuôi dao kéo lên trên

Đài dao: Phần lớn được sử dụng cho máy tiện và mâm dao cho máy phay Nếu

chương trình NC được gọi bởi một dao mới, đài dao sẽ quay tới vị trí dao cần thiết

và lấy nó để gia công

Mâm dao: Có ổ dao chuỗi, ổ dao vòng, ổ dao dạng nấm và ổ dao phẳng Tùy

thuộc vào loại và kích thước, các đài dao của máy CNC có 8 đến 16 vị trí dao Trong các trung tâm gia công lớn có thể sử dụng đồng thời 3 đài dao Nếu nhiều hơn 48 dao được sử dụng mâm dao thuộc các loại khác nhau được sử dụng trong các trung tâm gia công như vậy cho phép chưa tới 100 và thậm chí nhiều dao hơn

Mâm dao dạng xích:

- Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mòn

- Chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên, hoạt động rất ổn định

- Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược của dao trơn tru

- Kết cấu mâm dao cứng vững, giúp thay dao tốc độ cao và các dao nặng

- Chuyển động khay dao sử dụng thiết kế cam thùng, chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác

Mâm dao dạng nấm:

- Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, bảo vệ trục chính và khay dao khi thay dao không phù hợp

- Mâm dao có thể được gắn cố định hoặc di động, được điều khiển bởi động

cơ chính xác và thay dao chính xác, chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác

- Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện

Cụm gá là một hệ các thanh nhôm, thép nối với nhau theo kiểu khung,

có tác dụng nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của hệ thống, nó được gắn cố định trên thân máy tại vị trí thích hợp để thay dao với hành trình di chuyển thay

dao là nhỏ nhất

1.5.3, Cụm tang chứa dao:

Cụm tang chứa dao là một cụm chi tiết ghép nối với nhau, trong đó chi tiết

chính là một tang hình trống gắn trên một trục quay có thể quay tự do 360 độ quanh trục ấy Trên tang có lắp các tay kẹp dao với kích thước tiêu chuẩn, lực kẹp

có thể bẳng chính ứng suất biến dạng trong quá trình tác động giữa chuôi dao và tay kẹp hoặc bằng lực đàn hồi của lò xo Kích thước của tang được tính toán phù hợp với số lượng dao, kích thước chuôi dao, khối lượng dao tổng cộng mà nó phải mang vừa đủ tính bền, vừa tối ưu về kết cấu và khối lượng

Ngoài ra để cụm tang đài chứa dao có thể di chuyển từ vị trí chờ đến vị trí thay dao thì cần có một cơ cấu giúp nó đi chuyển, ở đây ta dùng xy lanh khí nén làm nguồn động lực cho di chuyển này

Cơ cấu Malte

Có tác dụng biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động quay gián đoạn nhờ trên đĩa chủ động có chốt và trên đĩa bị động có những rãnh tiếp xúc không liên tục với nhau

Cơ cấu Malte có đĩa chủ động mang chốt quay quanh O2; đĩa bị động là đĩa mang rãnh có thể quay quanh tâm O1 Số rãnh trên đĩa thường là 8, 10, 12, 16, 24… Số chốt có thể lớn hơn hoặc bằng 1

1.5.4 Các thành phần khác

Vỏ bọc: Đế máy chính là nền tảng trung tâm của máy nên nó cần phải chắc chắn

và nặng hơn Giá của nó có thể cao hơn nhưng sức chịu lực và độ bền sẽ làm giảm được khả năng rung động Quá trình sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của quá trình gia công Nếu một máy CNC có cấu trúc vững chắc thì nó sẽ làm giảm quá trình dao động này có thể đảm bảo được công suất và độ chính xác cao nhất

Thân máy: để đỡ toàn bộ các bộ phận khác lên trên nó Thân máy có kết cấu

và hệ thống truyền động kẹp hai phía Do thân máy có độ cân bằng tốt, phản hồi truyền động chính xác và cắt rất êm ở mọi thời điểm

Bảng điều khiển: là nơi thực hiện sự giao diện (thao tác) giữa người với máy

1.6 Chu trình làm việc của hệ thống thay dao tự động

Hình 3 Sơ đồ hệ thống thay dao tự động

Bảng 1: Các chi tiết trong sơ đồ động

2 Xy lanh khí nén điều khiển tang chứa dao 1

5 Xy lanh khí nén điều khiển trục chính 1

Bước 2: Trục chính di chuyển về vị trí thay dao

Bước 3: Cơ cấu Man quay đến vị trí chứa dao trên trục chính

Bước 4: Hệ thống xy lanh khí nén đẩy tang chứa dao đi vào vị trí thay dao và kẹp dao hiện tại

Bước 5: Khí nén trong cylinder 2 được giải phóng mở chốt kẹp dao trên trục chính

Bước 6: Trục chính di chuyển về vị trí home

Bước 7: Động cơ quay tang dao tìm dao được gọi, xoay đài dao vào vị trí

Bước 8: Trục chính di chuyển xuống vị trí lấy dao

Bước 9: Khí nén giải phóng lò xo hồi mở chấu kẹp trên trục chính và kẹp lấy phần đuôi chuột của dao và kéo dao lên

Bước 10: Hệ thống khí nén Cylinder 1 đưa đài dao về vị trí ban đầu

Bước 11: Trục chính di chuyển về vị trí home

Kết thúc quá trình thay dao

Trục chính không có dao

Bước 1: Nhận lệnh thay dao Txx (xx là vị trí dao đang được dự trữ trong ổ chứa dao)

Bước 2: Động cơ quay tang dao tìm dao được gọi, xoay đài dao vào vị trí

Bước 3: Hệ thống xy lanh khí nén đẩy tang chứa dao đi vào vị trí thay dao

Bước 4: Trục chính di chuyển về vị trí thay dao

Bước 5: Khí nén giải phóng lò xo hồi mở chấu kẹp trên trục chính và kẹp lấy phần đuôi chuột của dao và kéo dao lên

Bước 6: Hệ thống khí nén Cylinder 1 đưa đài dao về vị trí ban đầu

Bước 7: Trục chính di chuyển về vị trí home

Kết thúc quá trình thay dao

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Từ các yêu cầu của đề thì chương 1 chúng ta đã nêu ra được kết cấu của hệ thống thay dao tự động (không tay máy) Và chúng ta đã nêu ra được nguyên lý làm việc của hệ thống trong hai trường hợp có dao trong trục chính và không có dao trong trục chính Qua chương này có thể định hình được cách hoạt động của hệ thống như nào và tiền đề để chọn các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành cho hệ thống cho các bước tiếp theo

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG

2.2 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động

2.2.1 Khái niệm sơ đồ động

Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền, các

cơ cấu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động, xác định những chuyển động cần thiết của máy Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mối của trục vít, số răng của bánh vít

Dưới dây là một số hình vẽ quy ước của sơ đồ động:

2.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao

2.3.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động

Các dữ liệu đầu vào:

N: số lượng dao của ổ chứa dao N= 16; Dmax: đường kính lớn nhất

của dao Dmax= 80mm

BT40: loại chuôi dao ; M: khối lượng của một con dao m=7kg ;Dtr:

xác định bán kính vòng tròn chứa dao

Kiểm tra độ an toàn hình học:

- Kiểm tra đường kính trục

chính khi vào thay dụng cụ

-Kiểm tra lượng mở của tay

Tính toán và lựa chọn động cơ quay phân độ Tang chứa dao

Bản vẽ kết cấu của hệ thống thay dao tự động

2.4 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển

2.4.1 Nối dây và sử dụng rơle

Rơle là loại khí cụ điện tự động dùng để đóng-cắt mạch điều khiển, hoặc mạch bảo vệ, để liên kết giữa các khối điều khiển khác nhau, thực hiện các thao tác logic theo một quá trình công nghệ Rơle có rất nhiều loại với các nguyên lý làm việc

và chức năng khác nhau như: rơle điện từ, rơle thời gian,

Bộ điều khiển sử dụng dây nối và role là bộ điều khiển đơn giản nhất, được sử dụng từ khá lâu và vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau

Ưu điểm của bộ điều khiển này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu Tuy nhiên nó lại

có nhược điểm là độ chính xác ko cao, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng,

sơ đồ đấu dây rờm rà, phức tạp, khó khăn trong quá trình bảo trì, bảo dưỡng hệ thống

Hình 2.2 Rơle điện tử

2.4.2 Điều khiển bằng vi xử lý

Điều khiển sử dụng mạch vi xử lý là sử dụng các linh kiện điện tử: tranzito, điện trở, tụ điện, diode, … tích hợp lên trên một vi mạch để điều khiển các thiết bị Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý, nơi đây là nơi tiếp nhận và xử lý toàn bộ các thông tin của hệ thống từ đó đưa ra những phản hồi cân thiết để điều khiển hệ thống theo ý người lập trình thiết kế Vi xử lý thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng Khi sử dụng trong môi trường công nghiệp, độ ổn định của chúng chưa cao, thường bị ảnh hưởng do nhiễu từ môi trường

2.4.3 Điều khiển bằng PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển logic lập trình được, được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và các thiết bị rời cồng kềnh khác, nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng

và linh hoạt dựa vào việc lập trình trên các thuật toán logic cơ bản Ngoài ra nó còn có thể thực hiện những tác vụ khác như: định thời gian trễ, đếm, tính toán, v.v…

Hình 2.3 PLC

- Ưu điểm của PLC

➢ Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu Relay

➢ Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, muốn thay đổi phương pháp điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển

➢ Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống

➢ Nhiều chức năng điều khiển

➢ Tốc độ xử lý thời gian thực tương đối cao

➢ Công suất tiêu thụ nhỏ

➢ Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt

- PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp vì:

➢ Bền trong môi trường công nghiệp

➢ Giao diện thân thiện với người sử dụng

➢ Tốc độ xử lý tương đối cao

➢ Có nhiều loại khác nhau để lựa chọn tùy nhu cầu sử dụng và độ phức tạp của hệ thống điều khiển

➢ Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống: do được chế tạo dưới dạng

các modul được chuẩn hóa cho phép ghép nối các thành phần không chỉ

của một nhà sản xuất

➢ Dễ dàng điều khiển và giám sát từ máy tính

➢ Giá thành hợp lý tùy vào từng loại PLC

2.5 Thiết kế mạch điều khiển

2.5.1 Tổng quan về cảm biến sử dụng trong hệ thống

Công tắc hành trình

- Công tắc hành trình là dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các

bộ phận chuyển động, Nó có cấu tao như các loại công tắc điện bình thường, nhưng được thiết kế thêm cần tác động sao cho các bộ phận chuyển động

dễ dàng tác động vào nó làm tiếp điểm bên trong thay đổi các trạng thái

Và có một sự khác biệt nữa là công tắc hành trình thường là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động thì sẽ trở về lại vị trí ban đầu Trên cần tác động thường có gắn một bánh xe để khi bị tác động không bị mài mòn, và dẫn động dễ dàng hơn

- Nguyên lý của các công tắc hành trình dùng trong hệ thống thay dao: khi

có vật đi qua đá vào công tắc hành trình thì sẽ làm thay đổi trạng thái các tiếp điểm bên trong của công tắc hành trình Khi không còn tác động lên

công tắc hành trình thì các tiếp điểm bên trong công tắc hành trình sẽ trở về

trạng thái ban đầu

Để giới hạn hành trình di chuyển của đài dao và hành trình di chuyển của

cụm trục chính em sử dụng công tắc hành trình kiểu đòn bẩy của hãng

Omron với kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tốc độ đóng ngắt nhanh

Cấu tạo:

Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors):

Cảm biến tiệm cận (Còn gọi là “công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors Phản ứng khi có vật ở gần cảm biến Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ vài mm Vận hành đáng tin cậy kể

cả trong điều kiện khắc nhiệt Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác

của máy

- Các lợi ích chính của cảm biến tiệm cận công nghiệp là:

+ Vận hành/cài đặt đơn giản và dễ dàng

+ Mức giá hấp dẫn (ví dụ: rẻ hơn Cảm biến quang điện)

- Ngày nay, cảm biến tiệm cận có mặt trong nhiều loại hình công nghiệp và ứng dụng Một số ví dụ:

+ Công nghiệp chế tạo ô tô

+ Công nghiệp máy công cụ

+ Công nghiệp chế biến thực phẩm

+ Xe đa dụng (ví dụ: xe tải, máy nông nghiệp)

+ Máy rửa xe

Phân loại Cảm biến Tiệm cận

Có 2 loại cảm biến tiệm cận công nghiệp chính là:

+ Cảm biến tiệm cận điện từ phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện

từ Thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại

+ Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật

Hình 2.6 Phân loại cảm biến tiệm cận

Cách vận hành của Cảm biến điện từ

Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do

đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện từ

Nguyên lý hoạt động cảm biến từ

Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra vật đã được phát hiện

Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến cảm ứng vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến…

➢ Hình ảnh của cảm biến tiệm cận điện từ sử dụng trong hệ thống

- Công tắc hành trình bên trái đài dao: (S1) dùng để nhận biết vị trí điểm đầu

hành trình của đài dao

- Công tắc hành trình bên phải đài dao (S2) dùng để nhận biết vị trí điểm cuối

hành trình (vị trí thay dao) của đài dao

+ Nguyên lý của các công tắc hành trình dùng trong hệ thống thay dao: khi có vật đi qua đá vào công tắc hành trình thì sẽ làm thay đổi trạng thái các tiếp điểm bên trong của công tắc hành trình Khi không còn tác động lên công tắc hành trình thì các tiếp điểm bên trong công tắc hành trình sẽ trở về trạng thái ban đầu

Khi trục chính ở vị trí chờ thì cụm trục chính sẽ đá vào công tắc hành trình S6 làm thay đổi tiếp điểm trong đó, khi trục chính di chuyển xuống vị trí thay dao thì công tắc hành trình S6 trở lại trạng thái cũ khi công tắc hành trình đến vị trí thay dao thì sẽ đá vào công tắc hành trình S7 làm thay đổi tiếp điểm S7

- Cảm biến tiệm cận điện từ đếm dao: (S5)

+ Nguyên lý cảm biến tiệm cận điện từ dùng trong hệ thống thay dao tự động: Khi đài dao quay để tìm dao theo yêu cầu của chương trình thì mỗi

lần dao đi qua vùng phát hiện vật thể của cảm biến tiệm cận điện từ thì sẽ làm các tiếp điểm của cảm biến thay đổi trạng thái

+ Được đặt ở trên 1 cơ cấu gắn vào giá đỡ động cơ sao cho vị trí của cảm biến và dao đảm bảo khoảng cách phát hiện của cảm biến mỗi lần dao đi qua

Hình 2.10 Hình minh họa cảm biến tiệm cận điện từ đếm dao

- Cảm biến tiệm cận điện từ nhận biết trạng thái nhả kẹp dao

Cảm biến điện từ S3, S4 để nhận biết trạng thái nhả, kẹp dao thông qua vị trí của pitong tron xy-lanh điều khiển đóng nhả kẹp dao S3 được gắn trên thân xy-lanh đầu hành trình để nhận biết trạng thái kẹp dao S4 được gắn trên thân xy-lanh ở cuối hành trình để nhận biết trạng thái nhả kẹp dao

2.5.3, Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thay dao tự động

Các cơ cấu chấp hành gồm có:

- Cụm Xy-lanh khí nén di chuyển đài dao đến vị trí thay dao

- Động cơ AC điều khiển cụm tang chứa dao

- Cụm Xy-lanh khí nén di chuyển trục chính xuống vị trí thay dao

Động cơ không đồng bộ xoay chiều 3 pha:

Hình dưới là cấu tạo của động cơ xoay chiều 3 pha Một động cơ không đồng bộ ba pha bao gồm: trục máy, roto, stato, cuộn dây stato và quạt làm mát,

và nhiều bộ phận khác giúp động cơ hoạt động đảm bảo

Hình 2.11 Động cơ xoay chiều 3 pha

Nguyên tắc: cho dòng điện xoay chiều 3 pha đi vào 3 cuộn dây giống hệt nhau đặt lệch nhau 120 độ trên vành tròn của stato thì trên trục của stato có một

từ trường quay Nếu đặt một khung dây kín có trục quay trùng với trục của stato thì khung dây sẽ quay không đồng bộ theo từ trường quay này

Cụm xi lanh khí nén di chuyền đài dao đến vị trí trục chính:

- Xy lanh khí nén là thiết bị cơ học còn có tên gọi khác là ben khí nén, vận hành bằng khí nén từ hệ thống máy nén khí Xi lanh khí có vai trò tạo ra lực để chuyển đổi năng lượng có trong khí nén thành động năng để cung cấp cho các chuyển động Điều này có được là do sự chênh áp được thiết lập bởi khí nén được ở áp suất lớn hơn áp suất của khí quyển Từ đó làm cho các pít tông của xi lanh chuyển động theo hướng mong muốn qua đó làm cho thiết bị bên ngoài hoạt động

- Cấu tạo của xy lanh khí nén:

Thiết bị này có cấu tạo cũng khá đơn giản, gồm có: Thân trụ, piston, trục piston, các lỗ cấp – thoát khí

Hình 2.12 Cấu tạo của xylanh khí nén

Hình 2.13 Xylanh khí nén có giảm chấn

Xi lanh kép này thường áp dụng các van điện từ kiểu 4/2, 5/2, 5/3 1…Trong

cơ cấu này chúng ta sẽ dùng van phân phối 5 cửa 2 vị trí (van 5/2) điều khiển trực tiếp bằng điện từ trường thông qua các cuộn hút

Hình 2.14 Van đảo chiều 5/2

Hệ thống này gồm một xy lanh tác động kép có giảm chấn ở đầu và cuối hành trình, một van phân phối 5 cửa 2 vị trí (5/2) điều khiển trực tiếp bằng điện từ thông qua các cuộn hút Có thế điều chỉnh tốc độ của pitong bằng 2

bộ van chỉnh lưu 1 chiều lắp trên 2 đầu vào của xy lanh Van chỉnh lưu này làm thay đổi lượng khí đi qua do đó có thể điều chỉnh được tốc độ của xy lanh Ngoài ra ta có thể bố trí van an toàn để bảo vệ máy nén khi quá tải, khí sẽ được xả ngược về bình chứa

Hình 2.15 Van tiết lưu 1 chiều

Hình 2.16 Van an toàn khí nén

- Ta có sơ đồ hệ thống điều khiển khí nén kép:

Hình 2.17 Hình ảnh cụm xi lanh khí nén dẫn động đài dao Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí nén: khí được cấp từ máy nén khí qua bình

khí nén và qua van an toàn đến chân cửa sô 1 của van 5/2 Ban đầu cửa 1 thông

Trong đó:

1 Máy khí nén

2 Bình khí nén

3 Van an toàn

4 Van phân phối 5/2

5 Van tiết lưu

với cửa 2, cửa 4 thông với cửa 5, cửa 3 bị chặn khí sẽ qua van tiết lưu và đi lên buồng phải của xy lanh Khi cuộn hút được cấp điện thì cuộn hút sẽ làm đảo trạng thái của van Khi đó cửa số 1 thông với của số 4, cửa số 2 thông với cửa số 3, cửa

số 5 bị chặn và khi được lưu thông đến buồng bên trái của xy lanh đẩy pitong di chuyển sang phải Khi ngưng cấp điện cho cuộn hút thì lò xo sẽ đưa van trở lại vị trí cũ và khí tiếp tục đẩy pitong trở về

Cụm xi lanh khí nén của hệ thống tháo và kẹp dao trên trục chính

- Hoàn toàn chúng ta có thể chọn tương tự như cụm xy lanh khí nén điều khiển tang chứa dao Khi đó ta sẽ có sơ đồ điều khiển khí nén:

Hình 2.18 Hình ảnh cụm xi lanh khí nén điều khiển hệ thống tháo và kẹp

4 Van phân phối 5/2

5 Van tiết lưu

6 Xy lanh

7 Piston

8 Cụm đài dao

- Cụm xy lanh này sẽ điều khiển lên xuống và đẩy quả đấm lên xuống làm cho dao được kẹp nhả Khi pitong đi xuống đẩy quả đấm đi xuống thông qua trục kẹp

ép đĩa lò xò làm mỏ kẹp được mở ra quả đấm di chuyển xuống dưới đẩy dao ra Khi pitong đi lên đồng thời quả đấm đi lên kết hợp với cữ chặn làm mỏ kẹp đóng lại làm kẹp chặt dao

2.5.4, Phân tích lựa chọn bộ điều khiển PLC

Sử dụng bộ điều khiển logic PLC làm khối xử lý trung tâm để điều khiển

hệ thống thay dao tự động Từ các cảm biến, cơ cấu chấp hành đã chọn thì

bộ điều khiển PLC cần có: tối thiểu 7 đầu vào số, 7 đầu ra số và 2 đầu ra tương tự

Với yêu cầu không quá phức tạp, chọn bộ điều khiển PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC của hãng Siemen để điều khiển cho hệ thống (hình 2.19)

Hình 2.19 PLC S7 1200 CPU 1214DC/DC/DC Bảng 3 Thông số PLC S7 1200 CPU 1214C DC/DC/DC

Đầu vào 14 đầu vào số (DI)

2 đầu vào tương tự (AI(0-10V))

Hình 2.20 Modul mở rộng AQ SM 1232

Bảng 4 Thông số module mở rộng SM 1232 AQ

Điện áp hoạt động 24VDC

(AQ) Tín hiệu dòng điện đầu

ra

0 – 20mA/4 - 20mA Tín hiệu điện áp đầu ra +/- 10VDC

Độ phân giải 14-bit với tín hiệu điệp áp

13-bit với tín hiệu dòng điện

2.5.5, Phân tích lựa chọn biến tần

Để điều khiển tốc độ cho 2 động cơ 3 pha ta sử dụng biến tần đầu vào 3 pha và đầu ra 3 pha Với yêu cầu của hệ thống thay dao chúng ta cần biến tần điều khiển bật/tắt, điều khiển động cơ quay thuận/ nghịch và điều chỉnh tốc độ cho động cơ vì thế ta chọn Biến tần ABB ACS150

Bảng 5 Thông số biến tần ACS150 SERIES 3 PHASE 380-440VAC

Điện áp hoạt động 3 pha 380-440VAC

Chức năng Bảo vệ quá tải động cơ, quá dòng tức thời, quá áp,

sụt

áp, mất điện tạm thời, quá nhiệt

Tính năng kỹ

thuật

Tích hợp giao diện người dùng và biến trở điền khiển tốc độ

Tích hợp bộ điều khiển phanh hãm, bộ lọc EMC

Đầu vào tương tự 1 đầu vào tương tự (AI)

Đầu vào xung 1 đầu vào xung (0-10kHz)

Sơ đồ đấu dây của biến tần:

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Ở chương 2 chúng ta đã chọn lựa được các thành phần của hệ thống điện – điều khiển như cảm biến tiệm cận từ, công tắc hành trình, động cơ điện xoay chiều 3 pha, các loại van của hệ thống xy lanh khí nén Và chúng ta có thể biết them về các thiết bị, các thông số của các sản phẩm trên thị trường hiện nay Và qua chương 2 ta có thể hình dung được kết nối sơ bộ của PLC với hệ thống như sau:

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN

ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG THAY DAO

TỰ ĐỘNG

Sơ đồ điện của hệ thông thay dao

3.1, Sơ đồ kết nối giữa PLC và biến tần

Hình 2.21 Sơ đồ đấu nối PLC với biến tần