thiết kế cơ cấu điều khiển gắp sản phẩm

Tự động hóa Điều khiển gắp sản phẩm là việc dùng một cơ cấu để gắp một sản phẩm trên dây truyển trong một khâu của quá trình sản xuất đa sang một vị trí khác đã định sẵn trên dây truyền

Lời nói đầu

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nớc có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hóa trong các quá trình sản xuất mà trớc hết là năng xuất sản xuất và chất lợng sản phẩm làm ra Sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử, công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cơ sở và hỗ trợ sự phát triển

t-ơng sứng của lĩnh vực tự động hóa

Nớc ta mặc dù là một nớc chậm phát triển, nhng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng nh sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hóa các quá trình sản xuất đã có bớc phát triển mới tạo ra những sản phẩm có hàm lợng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức

Ngày nay tự động hóa điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng phân xởng trong các nhà máy, trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm Một trong những ứng dụng đó mà Đồ án này thiết kế là cơ cấu Điều khiển gắp sản phẩm Tự

động hóa Điều khiển gắp sản phẩm là việc dùng một cơ cấu để gắp một sản phẩm trên dây truyển trong một khâu của quá trình sản xuất đa sang một vị trí khác đã định sẵn trên dây truyền sản xuất của sản phẩm đó

Tronh quá trình làm đồ án, nhận đợc sự giúp đỡ và hớng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo hớng dẫn và các bạn trong nhóm em đã hoàn thành đồ án này Tuy nhiên, do trình

độ còn hạn chế vì vậy bản đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót

Em rất mong nhận đợc những góp ý của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 09 tháng 02 năm 2012

Chơng 1

Phân tích công nghệ

B C

i ii

a+

a-b- B+

c+

c-B- b+

a 0

c 1

b 1

b 0 b 0

c 0

a 1

b 1

1.1 Nguyên lý làm việc của cơ cấu gắp sản phản.

Để kẹp chặt sản phẩm và di chuyển từ vị trí I đến vị trí II ( hình vẽ) Trớc tiên ngời

điều khiển phải ấn nút khởi động để khởi động chu trình tự động của công nghệ tự

động, quá trình trên bắt đầu từ giai đoạn 1:

+ Giai đoạn 1: Píttông B chuyển động theo chiều B+ hạ cơ cấu kẹp sản phẩm suống vị trí I(vị trí đặt sản phẩm) thì chuyển sang giai đoạn 2

+ Giai đoạn 2: Píttông A di theo chiều A+ kẹp chặt vào sản phẩm theo đúng yêu cầu, chuyển sang giai đoạn 3

+ Giai đoạn 3: Píttông B di chuyển theo chiều B- nâng cơ cấu kẹp sản phẩm lên

đến vị trí b0 thì chuyển sang giai đoạn 4

+ Giai đoạn 4: Píttông C di chuyển theo chiều C+ sang ngang một khoảng đến vị trí c1 thì dừng lại và chuyển sang gai đoạn 5

+ Giai đoạn 5: Píttông B di chuyển theo chiều B+ hạ cơ cấu suống vị trí II thì chuyển sang giai đoạn 6

+ Giai đoạn 6: Píttông A di chuyển the chiều A- nhả sản phẩm ra và chuyển sang giai đoạn 7

+ Giai đoạn 7: Pittông B di chuyển theo chiều B- nâng cơ cấu lên vị trí b0 thì dừng lại và chuyển sang giai đoạn 8

+ Giai đoạn 8: Píttông C di chuyển theo chiều C- đến vị trí c0 thì dừng lại ( vị trí ban đầu )

Cơ cấu tiếp tục hành trình, quá trình đợc lặp đi lặp lại nh vậy cho tới khi ngời vận hành ấn nút dừng để kết thúc quá trình làm việc

1.2 Các tín hiệu điều khiển của các Píttông.

Mỗi Pittông ta đặt hai cảm biến tại các vị trí đầu hành trình và cuối hành trình,

cụ thể là tại các vị trí: a0, a1, b1, b1, c0, c1

a Các tín hiệu vào:

- Start là nút ấn khởi động

- Stop là nút ấn dừng

- Gọi a0, a1 là tín hiệu điều khiển chuyển động của Pittông A

+ a0 ứng với Píttông A ở vị trí ngoài cùng bên trái

+ a1 ứng với Píttông A ở vị trí ngoài cùng bên phải

- Gọi b0, b1 là tín hiệu điều khiển chuyển động của Pittông B

+ b0 ứng với Píttông B ở vị trí trên cùng theo phơng chuyển động

+ b1 ứng với Píttông B ở vị trí dới cùng theo phơng chuyển động

- Gọi c0, c1 là tín hiệu điều khiển chuyển động của Pittông C

+ c0 ứng với Píttông C ở vị trí ngoài cùng bên trái

+ c1 ứng với Píttông C ở vị trí ngoài cùng bên phải

Ta đặt:

+ a = (a1 + a).a0

+ b = (b1 + b).b0

+ c = (c1 + c).c0

b Các tín hiệu ra:

- A+ là tín hiệu báo Píttông A đi vào thực hiện việc kẹp sản phẩm

- A- là tín hiệu báo Píttông A đi ra thực hiện việc nhả sản phẩm

- B+ là tín hiệu báo Píttông B thực hiện hành trình đi suống

- B- là tín hiệu báo Píttông B thực hiện hành trình đi lên

- C+ là tín hiệu báo Píttông C thực hiện hành trình sang phải

- C- là tín hiệu báo Píttông C thực hiện hành trình sang trái

Với quy ớc nh vậy ở đây ta có 3 tín hiệu đầu vào (a, b, c) và 6 tín hiệu đầu ra là (A+,

A-, B+, B-, C+, C-)

Chơng 2

Tổng hợp hàm điều khiển logic

2.1 Giới thiệu về phơng pháp ma trận trạng thái.

- Cơ sở lý thuyết

+ Khi gặp những đối tợng công nghệ mới, ngời đặt hàng thờng chỉ nêu những yêu cầu

của đối tợng cần thỏa mãn Những yêu cầu đó thể hiện các trạng thái của hệi thống cần

có theo công nghệ Vì vậy một cách tốt nhất và ít sai sót nhất là ghi lại tất cả các yêu cầu đặt hàng đó thành một bảng và kèm theo sự sắp xếp hợp lý, khoa học Bảng thống

kê đó gọi là bảng trạng thái, nó thể hiện mối quan hệ giữa các tín hiệu vào ở các trạng thái bất kỳ nào của hệ Trong bảng bao gồm các hàng và cộ

+ Số hàng của bảng chỉ rõ số trạng thái của hệ, trạng thái của hệ biểu thị các mệnh

đề nói rõ về công nghệ hoặc những nguyên công mà máy cần thỏa mãn

+ Cột bao gồm các tổ hợp biến đầu vào và đầu ra

+ Cột các tín hiệu vào bao gồm những cột cha các tổ hợp logic các tín hiệu đa vào hệ

điều khiển Những tín hiệu này bao gồm những tín hiệu phát lệnh điều khiển của mạch vận hành, của thiết bị chơng trình hoặc những tín hiệu phát ra từ các đối tợng công nghệ

+ Cột trạng thái ra, mỗi trạng thái xác định của hệ điều khiển cho một trạng tháI đầu

ra xác định Giá trị đầu ra là kết quả trực tiếp của hệ điều khiển đảm bảo cho hệ chấp hành thực hiện đầy đủ các ý đồ công nghệ

+ Phơng pháp tổng hợp mạch điều khiển sử dụng bảng trạng thái đợc gọi là phơng pháp Ma trận trạng thái

- Các bớc thực hiện.

+ Bớc 1: Mã hóa tín hiệu (đặt biến)

+ Bớc 2: Xác định các trạng thái của hệ và xây dựng Graph chuyển trạng thái

+ Bớc 3: Lập bảng chuyển trạng thái 1 (bảng M1)

+ Bớc 4: Rút gọn bảng trạng thái M1 thành bảng trạng thái M2

+ Bớc 5: Xác định số biến trung gian và mã hóa biến trung gian

+ Bớc 6: Lập Bảng Cácnô để xác định hàm logic cho các biến trung gian và biến đầu ra

2.2 Tổng hợp hàm Logic bằng phơng pháp Ma trận trạng thái.

- Từ các phân tích và quy ớc các biến nh trên ta có Graph chuyển trạng thái dới đây: + + + −

C C B B

-A

abc

001000

000

100000

010

000100

110

000010 100

5 6 7 8

010

001000 101000110 100100110 100110101

111 101010 111

011010 011

010110 001

010101

000001

001

000100

011

010000

111

001000 101

a Lập bảng trạng thái MI:

- Số cột = 24 + số đầu ra + 1 = 15 cột

- Số hàng = 8 + 1 = 9 hàng

Trạng

thái

000 001 011 010 110 111 101 100 A+ A- B+ B- C+ C

b Lập bảng trạng thái MII:

- Từ bảng trạng thái MI, nếu ta xác định hàm điều khiển thì hàm điều khiển thu đợc là không tối giản vì vậy ta phải rút gọn bảng trạng thái MI thành bảng trạng thá MII theo hai bớc sau:

+ Bớc 1: Nhập hàng

* Không quan tâm đến giá trị đầu ra

* Trên cùng một cột biến vào, các hàng có cùng số ký hiệu trạng thái

* Trạng thái ổn định nhập với trạng thái không ổn định sẽ ghi trạng thái ổn định

* Trạng thái (không) ổn định nhập với 1 ô trống sẽ ghi trạng thái (không) ổn

định

+ Bớc 2: Nhập trạng thái tơng đơng:

* Hai trạng thái tơng đơng:

• Là các trangh thái ổn định nằm trên cùng một cột và có cùng giá trị đầu ra

• Khi cùng thay đổi tín hiệu đầu vào, các trạng thái đó chuyển đến trạng thái

kế tiếp sau và các trạng thái kế tiếp này cũng có cùng giá trị ban đầu

* Nhập hai trạng thái tơng đơng: thay bằng cùng một ký hiệu có chỉ số nhỏ (sau

đó có thể nhập hàng nếu cần)

c Xác định biến trung gian, mã hóa biến trung gian

Ta có số hàng của bảng trạng thái MII là N = 1, căn cứ vào điều kiện xác định biến trung gian: 2Smin ≥ N do đó Smin = 0 Vậy ta có thể bỏ qua biến trung gian

d Lập bảng Các nô cho các biến đầu ra

- Các nô cho A+:

abc

A+ = abc

- C¸c n« cho A-:

abc

A- = abc

- C¸c n« cho B+:

abc

B+ = a b c + abc = b(a c + ac)

- C¸c n« cho B-:

abc

B- = abc + abc = b(ac + ac)

- C¸c n« cho C+:

abc

C+ = ab c

- C¸c n« cho C-:

abc

C- = a bc

VËy ta cã:

(Aƒ +) = b c

(Aƒ -) = abc

(Bƒ +) = b(a c + ac)

(Bƒ -) = b(ac + ac)

(Cƒ +) = a b c

(Cƒ -) = a b c

Ch¬ng 3

ThiÕt kÕ m¹ch lùc vµ m¹ch ®iÒu khiÓn

3.1 Thiết kế mạch lực

Ở đây ta sử dụng hệ thống mạch lực và mạch điều khiển là khí nén khí nén, do

đó ở đây hệ thống mạch lực ta sử dụng các pittong điều khiển 2 chiều, được điều khiển chiều chuyển động bằng van phân phối khí nén 7/5/2 Mạch điều khiển sử dụng các phần từ điều khiển khi nén

3.2 Thiết kế mạch điều khiển

Do trong thực tế làm việc, ta cần phải thiết kế thêm các nút ấn Start, Stop, Reset

để hệ thống có thể hoạt động trong môi trường thực tế

+ Nút ấn Start sẽ cho phép hệ thống bắt đầu hoạt động

+ Nút ấn Reset sẽ đưa các pittong A,B,C trở về trạng thái ban đầu và sau đó hệ thống mới bắt đầu hoạt động đúng theo trình tự logic ta đã thiết kế theo phương pháp

ma trận trạng thái

+ Khi ấn nút Stop thì ta sẽ dừng toàn bộ hệ thống

3.3 Thuyết minh sơ đồ nguyên lý

- Trước hết ta phải cấp nguồn khí nén cho các van phân phối và các phần tử khí nén

- Ấn nút Reset để đưa các Píttông trở về trạng thái ban đầu

- Ấn nút Start để bắt đầu quá trình làm việc của hệ thống

- Đầu tiên khí nén được cấp cho van phân phối B để thực hiện nguyên công B+, Píttông B đi suống đến khi chạm vào công tắc hành trình b1 thì dừng lại, ngắt nguồn khí nén cấp cho van B, kết thúc nguyên công B+ Đồng thời van phân phối A được cấp nguồn khí nén để thực hiện nguyên công A+, Píttông A chuyển động sang phải để kẹp chặt sản phẩn, khi Píttông A chạn công tắc hành trình a1 thì dừng lại, cắt nguồn khí nén cấp cho van A, Píttông A giữ nguyên vị trí

Sau khi kết thúc nguyên công A+ thì van phân phối B lật trạng thái từ 1 về 0 làm đảo chiều nguồn khí cấp vào xi lanh B, làm cho Píttông B thực hiện nguyên công B

-nâng sản phẩm lên, khi Píttông B chạm vào công tắc hành trình b0 thì dừng lại và kết thúc nguyên công B- Lúc này nguồn khí nén được cấp cho van phân phối C để Píttông

C thực hiện nguyên công C+, Píttông C chuyển động sang phải đến khi chạm vào công tắc hành trình c1 thì dừng lại và kết thúc nguyên công C+ Lúc này nguồn khí nén lại được cấp cho van pbân phối B làm cho van B lật trạng thái từ 0 sang 1, cấp khí nén cho

xi lanh B, Píttông B thực hiện B+ hạ sản phẩm suống Khi Píttông B chạn vào công tắc hành trình b1 thì dừng lại

Nguồn khí nén tiếp tục được cấp cho van A, làm van A lật trạng thái làm đảo chiều nguồn khí cấp cho xi lanh A, Píttông A thực hiện A- nhả sản phẩm ra Khi Píttông A chạm vào cônh tắc hành trình a0 thì dừng lại và nguồn khí nén lúc này được

B thực hiện B- đi lên trên đến khi chạm vào công tắc hành trình b0 thì dừng lại Van C được cấp nguồn khí nén và lật trạng thái làm đảo chiều nguồn khí cấp cho xi lanh C Píttông C thực hiện C- đưa hệ thống về vị trí ban đầu để thực hiện chu trình làm việc tiếp theo

Trong quá trình làm việc, hệ thống gắp sản phẩm liên tục hoạt động theo các chu trình nhe ở trên cho tới khi người vận hành ấn vào nút Stop để hệ thống dừng làm việc

Ch¬ng 4

tÝnh chän c¸c phÇn tö m¹ch lùc

vµ m¹ch ®iÒu khiÓn

4.1 CHỌN CÁC THIẾT BỊ KHÍ NÉN

1 Chọn thiết bị chấp hành

a Chọn nguồn khí nén

Nguồn khí nén:

Ta dùng máy nén khí loại PK1040 hãng PUMA Đài Loan

Hình 4.1- Máy nén khí PK 1040 và các thông số kĩ thuật

b Chọn Piston

Trong hệ thống ta sử dụng 3 piston 2 chiều Nhằm đảm bảo các tiêu chí an toàn

và kĩ thuật, ta sử dụng piston loại DNU-100-500PPV-A do tập đoàn Festo (Đức) sản

xuất, đạt tiêu chuẩn ISO 15552.

Hình 4.2- Piston DNU-100-500PPV-A

Các thông số kĩ thuật:

Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -20÷80oC

Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy thuận 4496N

Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy nghịch 4221N

Lượng khí tiêu tốn trong chu trình thuận 29,5l

Lượng khí tiêu tốn trong chu trình ngược 28,15l

c Chọn van phân phối

Ta chọn van phân phối loại VL-5/2-D-02của hãng Festo (Đức) Đây là loại van

7/5/2 với đầu nối (1) là đầu vào khí nén, các đầu nối (2) và (4) là các đầu ra của khí nén còn các đầu nối (3) và (5) là các đầu xả khí

Hình 4.3-Hình dạng và kết cấu của VL-5/2-D-02

Các thông số kĩ thuật:

4.2 Chọn thiết bị điều khiển

1 Chọn cảm biến vị trí

Trong hệ thống ta sử dụng 6 cảm biến vị trí loạiGG-1/4-3/8 của hãng Festo

(Đức) chế tạo, có các thông số kĩ thuật như sau:

Nguyên tắc khởi động / reset pneumatic Dải áp suất làm việc 2÷10bar Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -10÷60oC Lưu lượng khí danh định 500 l/min

Hình 4.4- Cảm biến vị trí GG-1/4-3/8

Các thông số kĩ thuật:

Kích Kích thước lỗ khí 8mm

Áp suất làm việc nhỏ nhất 0.03 bar

Áp suất làm việc lớn nhất 8 bar Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho

phép

-100C

Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép

600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 1-1150l/min

2 Chọn phần tử AND

Trong hệ thống, ta cần dùng 27 phần tử AND 2 đầu vào và 1 đầu ra Nên ta

chọn 9 tích hợp loại 4204ZK-PK-3-6/3 mỗi mạch có 3 phần tử AND hai đầu vào riêng

biệt

Hình 4.5- Phần tử AND loại 4204 ZK-PK-3-6/3

Cấu trúc và kích thước :

áp suất làm việc nhỏ nhất 1,6 bar

áp suất làm việc lớn nhất 8 bar Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 100l/min Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100C

3 Chọn phần tử OR

Trong sơ đồ điều khiển ta sử dụng 2 phần tử OR loại tích hợp OS-PK-3-6 do

hãng Festo sản xuất

Hình 4.7- Cấu trúc và hình dạng OS-PK-3-6

Cấu trúc và kích thước :

Áp suất làm việc nhỏ nhất 1,6 bar

Áp suất làm việc lớn nhất 8 bar

Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100C Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 120

l/min

4 Chọn phần tử NOT

Trong sơ đồ nguyên lý ta sử dụng 7 phần tử đảo, ở đây ta chọn phần tử đảo

loại 81504025 của hãng Crouzet.

Hình 4.9- Hình dạng của 81504025

Hình 4.10- Cấu trúc của 81504025

Hình 4.11-Thông số của van 81504025

5 Chọn đầu nối

Ta chọn 25 đầu nối hình T loại C-QT-12

của hãng FESTO ( Đức ) có các thông số sau:

Dải áp suất làm việc 0,95÷15bar

Dải nhiệt độ xung quanh cho

Chơng 5

Thiết kế sơ đồ lắp ráp

5.1 Thiết kế sơ đồ lắp rỏp:

trỡnh, cỏc nỳt Cỏc ấn điều khiển phải được bố trớ trực tiếp trờn cơ cấu sản xuất

Việc bố trớ cỏc thiết bị điều khiển trờn tủ điện dựa vào cỏc nguyờn tắc sau:

- Nguyờn tắc nhiệt độ: Cỏc thiết bị toả nhiệt lớn khi làm việc phải để ở phớa

trờn, cỏc thiết bị cú chịu ảnh hưởng lớn về nhiệt độ cần phải đặt xa cỏc nguồn sinh nhiệt

- Nguyờn tắc trọng lượng: Cỏc thiết bị nặng phải đặt dưới thấp để tăng cường

độ vững chắc của bảng điện, giảm nhẹ cỏc điều kiện để cố định chỳng

- Nguyờn tắc nối dõy tiện lợi: Đường nối dõy ngắn nhất và ớt chồng chộo nhau.

Dựa vào cỏc nguyờn tắc trờn, kết hợp với những yờu cầu đặc biệt trong từng trường hợp cụ thể, tiến hành bố trớ thiết bị trờn panel Khi bố trớ thiết bị cần bố trớ thành từng nhúm riờng biệt để tiện việc kiểm tra, sửa chữa Cỏc phần tử trong một nhúm phải bố trớ gần nhau nhất sao cho dõy nối giữa chỳng là ngắn nhất Giữa cỏc nhúm khỏc nhau phải bố trớ sao cho thuận tiện cho việc tiến hành lắp đặt, sửa chữa, hiệu chỉnh Cỏc thiết bị dễ hỏng, cỏc thiết bị cần điều chỉnh phải để nơi dễ dàng thay thế, điều chỉnh, sửa chữa.

Bảng vẽ bố trớ phải vẽ theo một tỷ lệ xớch tiờu chuẩn trong đú phải ghi rừ cỏc kớch thước hỡnh chiếu của thiết bị, cỏc kớch thước lỗ định vị trờn tấm lắp, cỏc kớch thước tương quan giữa chỳng cũng như kớch thước ngoài của tấm lắp