đồ án truyền động thủy khí

đồ án truyền động thủy khí

NHẬN XÉT C ỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

…… 000 ……

TP HCM.Ngày……tháng… năm 2012

Chữ kí GVHD:

Quy trình công nghệ cắt phôi tự dộng mà tôi thực hiện dưới đây chỉ là một phần rất nhỏ trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay Có nhiều cách để thiết kế một mô hình cắt phôi khác nhau, ở đây tôi thiết kế mô hình cắt phôi tự động điều khiển bằng hệ thống thuần khí nén.

Trong quá trình thực hiên đồ án mặc dù tôi đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn sẽ không thiếu những sai sót Vì vậy, tôi rất mong những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn.

Nhân đây xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Trường Thịnh đã giúp tôi hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I

GIỚI THIỆU

1 Vài nét về sự phát triển của công nghệ thủy lực - khí nén:

Không khí xung quanh ta nhiều vô kể và nó là một nguồn nănglượng rất lớn mà con người đã biết sử dụng chúng từ trước Công nguyên.Tuy nhiên sự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rất hạn chế dochưa có sự phối hợp giữa các ngành vật lý, cơ học v.v

Mãi cho đến thế kỷ17, nhà kĩ sư chế tạo người Đức Otto vonGuerike, nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal, cũng nhưnhà vật lý người Pháp Denis Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứngdụng khí nén

Trong thế kỉ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nénlần lượt được phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén(1835) của Josef Ritter, phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khínén (1861)…Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sửdụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việc sử dụng nănglượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu trong nhiều lĩnh vực, màkhi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm; sử dụng năng lượng khí nén ởnhững dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn; sử dụng nănglượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, phun sơn, giákẹp chi tiết… và nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy

Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày naycác thiết bị truyền dẫn, điều khiển bằng thủy lực – khí nén sử dụng trongmáy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máycông cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy uốn, máy ép phun,dây chuyền chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linhhoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác cao, công suất lớn với kíchthước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các

thiết bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện.

 Ưu điểm:

• Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, chonên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi Như vậy có khả năngứng dụng để thành lập các trạm trích chứa khí nén

• Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớtđộng học của khí nén nhỏ và tổn thất áp xuất trên đường dẫn ít

• Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằngkhí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén

• Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn

• Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kếthợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện, điện tử Chonên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu, nhược điểm của từng

hệ thống điều khiển

2 Yêu cầu của đề tài

Tính toán và thiết kế hệ thống truyền động ,cũng như kích thước

của các xy lanh theo đúng các tiêu chuẩn ,các bản vẽ chi tiết cũng như các cách ghi kích thước phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn kỹ thuật đã học

Phân loại:

a Theo áp suất:

• Máy nén khí áp suất thấp: p ≤ 15 bar

• Máy nén khí áp suất cao: p ≥ 15 bar

• Máy nén khí áp suất rất cao: p ≥ 300bar

b Theo nguyên lý hoạt động:

• Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểupittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máynén khí kiểu trục vít

• Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theochiều trục

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một

bộ phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng

áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí

và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn

Ký hiệu :

B. CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

 Một số khái niệm:

Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng

hở (Open – loop Control System) với các phần tử sau:

 Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đạilượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Ví dụ: van đảochiều, rơle áp suất

 Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logicnhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển Ví dụ: vanđảo chiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND.

 Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đạilương ra của mạch điều khiển Ví dụ: xilanh, động cơ khí nén

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở

hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng năng lượng

Nguyên lý hoạt động:

Khi chưa có tín hiệu điện tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3) Khi có tín hiệu điện tác động vào cửa (12), nòng van sẽ dịch

chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn Trường hợp tínhiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tác động của lò xo, nòng van trở về vị trí

b) van đảo chiều 5/2

Khi chưa có tín hiệu điện tác động vào cửa (14), thì cửa (3) bị chặn, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (4) nối với cửa (5) Khi có tín hiệu điện tác động vào cửa(14) thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải, cửa (2) nối với cửa (3) và cửa (1) nối với cửa (4) còn cửa (5) bị chặn Khi tín hiệu tác động vào cửa (14) mất đi thì dưới tác động của lò xo nòng van trở về vị trí ban đầu

Ký hiệu:

Một số van đảo chiều 5/2

Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành Ngoài ra van tiết lưu cũng có nhiệm vụ điều chỉn thời gian chuyển đổi vị trí của van đảo chiều Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay dổi tiết diện

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay

Nguyên lý hoạt động:

Tiết diện chảy Ax thay đổi bằng điều chỉnh vít điều chỉnh bằng tay Khi dong khí nén từ A qua B, lò xo đẩy màng chắ xuống và dòng khí nén chỉ đi qua tiết diện

Ax Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo đẩy màng chắn lên và như vậy dong khí nén sẽ đi qua khoảng hở giữa mành chắn và mặt tựa màng chắn, lưu lượng không được điều chỉnh

Nguyên lý hoạt động : khi mà xy lanh đi ra chạm vào công tắc hành trình

• Xy lanh quay điều khiển bằng van 4/2; 5/2 hay 5/3

2.Các cơ cấu trong mô hình:

 Cơ cấu kẹp phôi gồm có 2 cơ cấu:

o Pitton A – bàn trượt: kẹp giữ kéo phôi vào để thực hiện quá trình cắt

o Pitton C: kẹp giữ phôi lúc đang cưa và khi pitton B kéo bàn trượt đi về

 Cơ cấu đẩy phôi: là pitton B mang theo bàn trượt – pitton A

 Cơ cấu nâng cưa: pitton D và giá đỡ cưa

3 Tính toán cơ cấu để chọn xylanh và máy nén khí:

 Thông số của phoi cắt : Dài :L=3500mm=3.5m

Rộng: a=25mm=0.025m Cao :b=2mm=2×10 -3 m.

Chất liệu phôi là nhựa PVC có :d=1380 (kg/m3)

mcơ cấu = 8 kg , m bàn trượt = 20kg

P bàn trượt =( mphôi + mcơ cấu + m bàn trượt ) × 10

P bàn trượt = (20 + 8 + 0.2415) = 282.415 (N )

Ta có : Fma sát = k × Nbàn trượt ,ta chọn k=0.3 là hệ số ma sát của bàn trượt

Điều kiên để piton B có thể đẩy được bàn trượt là

 Ta đi tìm đường kính xi lanh A:

Ta có : lực ma sát giữa phô và bàn trượt là Fms = k ×N Phản lực tác dụng lên bàn trượt là : N= Pphôi + Fép

 Fms phôi = k × (Pphôi + Fép )

Để phôi nằm trên bàn trượt thì khi pit tông B đảy bàn trượt thì phôi cũng

đi theo bàn trượt thì ta phải có :

Fms ≥ F đẩy ,mà : F đẩy = FB =84.725 (N)  k × (Pphôi + Fép ) ≥ 84.725 (N)

 Fép ≥ - Pphôi = – 2.415 = 167.035 (N)

Ta có : Fép = SA × P  SA = = = 1.67035 × 10 -4

Ta có : SA =  dA ≥ = 14.59 (mm)

Ta chọn dA = 16 (mm)

Tương tự ta có để cho xy lanh C kẹp chặt được chi tiết thì đường kính xylanh cũng là 16mm ( bằng với đường lính xy lanh A )

 Ta đi tìm đường kính xy lanh D :

Ở đây xy lanh D chứa lưỡi cắt vuông góc với phoi cắt

Ta có công thức tính lực cắt như sau :

(Ở đây ta dùng lưỡi cắt có 2 lưỡi dao song song vơi nhau )

Fcắt = k × B × S× τC (N)

Trong đó

• K là hệ số ảnh hưởng của dao mềm ,vật liệu khó cắt ,khe hở lớn ,thườngthì k=1.1÷ 1.3

• B là chiều rộng của tấm phôi

• S là chiều dày của tấm phôi

• τC là giới hạn bền của tấm phôi (τC = 0.8 ÷ 0.9 ) σb (N/mm2 )

(Sách công nghệ kim loại trường ĐHSPKT trang 177 với phôi cắt ở đâythì ta có (nhựa PVC ) )

Ta có : k=1.2 ,B=25 ,S=2 , τC =50 ÷ 80 MPa = 50 ÷ 80 (N/mm2 ) Chọn τC =55 (N/mm2 )

Ta có : Fcắt = 1.1 × 25 × 55 × 2 = 3025 (N)

Ta có : Fcắt = 3025 (N) , mà Fcắt = SD × P  SD== = 3,025×10-4(m2)( Ở đây thì ta chọn máy nén khí cho xy lanh D có áp suất là 100bar )

Ta có:SD =3,025×10-4(m2) dD = =19,6(mmm),ta chọn dD = 20(mm)

 Phần tính toán sức bền cho các dầm gá xy lanh như sau :

Vì phần dầm gá cho xy lanh A có lự lẹp chặt nhỏ không đáng kể nên ta khôngtính dầm gá của nó

• Ta đi tính toán sức bền cho 4 cột của dầm gá 2 xy lanh C và xy lanh D

Ta chọn dcột = 8 mm Vật liệu :thép C45

Giả sử có tải tác dụng đều lên các cột, ứng suất tác dụng lên các cột sẽ là:

= + Mu/(0.1.d2) ≤

trong đó:

F: tiết diện cắt ngang của cột

( là ứng suất cho phép của thép CT45).

Các cột cô định với các xà băng các đai ốc và ren

Các đai ốc có dạng hình trụ được chế tạo từ thép dúc với b = 450 MPa

Ren của đai ốc được tính để chịu áp suất tới 80Mpa,ứng suất chịu cắt vòng ren tới 55 Mpa, ứng suất chịu uốn vòng ren tới 80 Mpa

 Ta có hành trình của các xy lanh như sau :

 Hành trình của xy lanh A là : 50mm

 Hành trình của xy lanh B là : 200mm

 Hành trình của xy lanh C là : 50mm

 Hành trình của xy lanh D là : 50mm

CHƯƠNG IV

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN KHÍ NÉN DÙNG PLC

I TỔNG QUAN VỀ PLC S7-200 CPU 214 (SIEMENS)

Đây là công cụ điều khiển hiệu quả nhất, được ưa chuộng cũng như ứng dụngrộng rãi nhất trong thực tế Nó điều khiển chính xác, đơn giản, dễ thay đổi chutrình làm việc bằng cách thay đổi phần mềm Hệ thống điều khiển bằng PLC tuykhá tốn kém nhưng tính ổn định khá cao

PLC (programmable logic control): chương trình điều khiển logic PLC là

loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông quamột ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật toán đó bằng mạch số

 Ưu điểm của PLC:

- Lập trình với PLC có thể thay đổi thuật toán một cách dễ dàng, chương trìnhviết với PLC thì điều kiển được dễ dàng, chương trình được lưu trong bộ nhớ dưới dạng các khối và thực hiện lệnh theo chu kỳ vòng quét

- Lượng I/o lớn,tốc độ hoạt động nhanh

- Kích thước nhỏ gọn lắp đặt đơn giản

- Độ ổn định tin cậy cao

- Có khả năng nối mạng PLC-PLC,PC-PLC điều khiển,giám sát hệ thống

o Giám sát hệ thống điều khiển quá trình

o Chiếu sáng giao thông công cộng…

1 Giới thiệu chung về PLC S7 – 200 (Siemens)

- Có nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng ta xét ở đây là PLCS7-200 của hãng Simens

- Gồm một số loại như:CPU214.CPU215,CPU216,CPU212,CPU221

- Hệ thống điều khiển với PLC gồm có:

 Bộ nguồn để cung cấp cho PLC có các dạng sau:

• ACV power supply, 24VDC input, 24VDC output

• Digital input/output : 4x DC 24VDC input, 4x Relay output

• Analog input/output: 3 analog input, 1 analog output 12bits

a) Các tính năng:

• Hệ thống điều khiển kiểu Moudle nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm vi hẹp

• Có nhiều loại CPU

• Có nhiều loại Moudle mở rộng

• Có thể mở rộng tới 7 Moudle

• Bus nối tích hợp trong Moudle ở mặt sau

• Có thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profius

• Máy tính trung tâm có thể truy cập đến các Moudle

• Không qui định rãnh cắm

• Phần mềm điều khiển riêng

• Tích hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Moudle

• Micro PLC với nhiều chức năng tích hợp

b) Các Moudle mở rộng:

• Moudle ngõ vào Digital: 24VDC, 120/230VAC

• Moudle ngõ ra Digital: 24VDC, ngắt điện từ

• Moudle ngõ vào Analog: áp, dòng, điện trở, cặp nhiệt

- Vùng đối tượng

Trong đó hai vùng nhớ dữ liệu và đối tượng có vai trò quan trọng trong việcthực hiện một chương trình

 Vùng dữ liệu:

• V - Variable memory : Vùng nhớ biến

• I - Input image register : Vùng đệm ngõ vào

• Q - Output image register : Vùng đệm ngõ ra

• M – Internal memory bits : Vùng nhớ trong

• SM – Special memory bits : Vùng nhớ đặc biệt

Các vùng nhớ này đều có thể truy cập được theo bit, byte, word hay doubleword:

+ Truy suất theo bit: Một lần một bit

Cú pháp: Tên vùng nhớ (+) địa chỉ byte (+) (+) địa chỉ bit

Ví dụ: I0.0: chỉ bit 0 của byte 0 của vùng I

+ Truy suất theo byte: mỗi lần 1 byte

Cú pháp: Tên vùng nhớ (+) B (+) địa chỉ byte

Ví dụ: VB1: chỉ byte 1 của vùng V

+ Truy suất theo word:

Cú pháp: tên vùng nhớ (+) W (+) địa chỉ byte cao

Ví dụ:VW100:chỉ word 100 gồm 2 byte 100 và 101 thuộc vùng V

+ Truy suất theo Double word:

1 Nhập dữ liệu từ ngoại vi vào bộ đệm ảo

2 Thực hiện chương trình.

3 Truyền thông và tự kiểm tra lỗi.

4 Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoại vi.

Cú pháp: Tên vùng nhớ (+) D (+) địa chỉ byte cao

Ví dụ: VD150: chỉ double word gồm 4 byte: 150, 151, 152, 153

 Vùng đối tượng:

Được phân chia như sau:

• Timer: từ T0 đến T127

• Bộ đếm: từ C0 đến C127

• Bộ đệm cổng vào tương tự: từ AW0 đến AW30

• Bộ đệm cổng ra tương tự: từ AQW0 đến AQW30

• Thanh ghi Acumulator: từ AC0 đến AC3, trong đó thanh ghi AC) không có khảnăng làm con trỏ

• Bộ đếm tốc độ: từ HSC0 đến HSC2

d) Cách thực hiện một chương trình:

• PLC làm việc theo nguyên tắc thực hiện các vòng lặp Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét Mỗi vòng quét hoàn chỉnh gồm các bước như sau

• Bước 1: Nhập dữ liệu từ thiết bị ngoại vi vào bộ đệm

• Bước 2: Thực hiện chương trình

• Bước 3: Truyền thông và tự kiểm tra lỗi

• Bước 4: Chuyển dữ liệu từ bộ đệm ảo ra ngoài

e) Tập lệnh của S7 – 200 được biểu diễn dưới 2 dạng:

• LAD – Ladder logic – Gọi là phương pháp hình thang: là một ngôn ngữ viết dưới dạng đồ họa, dễ quan sát, dễ kiểm tra Ở đy chng ta dng tập lệnh ny

• STL – Statement list – Phương pháp liệt kê: Ngôn ngữ thể hiện dưới dạng những câu lệnh

Phần lớn những câu lệnh dưới dạng LAD đều có thể chuyển sang STL và ngược lại

2 Mô tả PLC S7 - 200 CPU 214:

 Kích thước: 197x80x62mm

 Dung lượng bộ nhớ chương trình:2kword(4kbyte)

 Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2kword(4kbyte)

 Loại bộ nhớ : EEFROM

 Có 14 ngõ vào: từ I0.0 đến I0.7 và từ I1.0 đến I1.5

 Có 10 ngõ ra : từ Q0.0 đến Q0.7 và từ Q1.0 đến Q1.1

 Có 14 led báo trạng thái các ngõ vào, 10 led báo trạng thái các ngõ ra

 Có 03 led báo trạng thái của CPU:

• Led SF : Báo trạng thái CPU còn tốt hay bị hỏng

• Led RUN: Báo trạng thái CPU đang hoạt động

• Led STOP: Báo trạng thái CPU đang ngưng hoạt động

Các ngõ vào, ra đều có mức điện áp tác động là 24VDC

 Tính năng của CPU-214 DC/DC/DC: