Đồ Án thiết kế hệ thống Điều khiển tự động

1.Tên đề tài:Thiết kế và chế tạo mô hình rôbốt lấy hàng tự động RTT2.Các số liệu ban đầuDựa trên các số liệu ban đầu về nhiệm vụ kỹ thuật cho trước3.Nội dung các phần thuyết minh và tính toána.Phân tích lựa chọn phương án thiết kế hệ thốngb.Xác định các thông số cơ bảnc.Thiết kế sơ đồ kết cấu động học và sơ đồ động học máyd.Thiết kế hệ thống điều khiểne.Thiết kế mạch điều khiểnf.Thiết lập sơ đồ đầu nối toàn bộ hệ thốngĐồ án bao gồm file mềm word, cad, file 3d proe

3 Nguyễn Văn Hà

1 Tên đề tài:

Thiết kế và chế tạo mô hình rôbốt lấy hàng tự động RTT

2 Các số liệu ban đầu

Dựa trên các số liệu ban đầu về nhiệm vụ kỹ thuật cho trước

3 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

a Phân tích lựa chọn phương án thiết kế hệ thống

b Xác định các thông số cơ bản

c Thiết kế sơ đồ kết cấu động học và sơ đồ động học máy

d Thiết kế hệ thống điều khiển

e Thiết kế mạch điều khiển

f Thiết lập sơ đồ đầu nối toàn bộ hệ thống

4 Các bản vẽ và đồ thị

a Bản vẽ nguyên lý và kết cấu máy (1-2) A0

b Bản vẽ hệ thống điều khiển, mạch và lưu đồ thuật toán 1A0

5 Chế tạo mô hình

6 Cán bộ hướng dẫn : ĐẶNG PHƯỚC VINH

7 Ngày giao nhiệm vụ: 27/6/2012

8 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 8/2012

Trưởng bộ môn(Ký, ghi rõ họ tên)

Đặng Phước Vinh.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 3

1.1 Tên đề tài: 3

1.2 Nguyên lý hoạt động như sau: 4

1.3 Các chuyển động cần thiết: 5

1.4 Chức năng của các bộ phận: 5

1.5 Chu trình làm việc của hệ thống: 5

1.6 Loại sản phẩm được vận chuyển: 6

Chương 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ 8

2.1 Chọn ổ lăn: 8

2.2 Chọn bộ truyền cho cơ cấu quay: 8

2.3 Chọn bộ truyền cho cơ cấu tịnh tiến: 9

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG THỦY LỰC – KHÍ NÉN 11

3.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế: 11

3.1.1 Truyền động bằng thủy lực: 11

3.1.2 Truyền động bằng khí nén: 12

3.2 Tính toán các thông số và lựa chọn bộ phận chuyển động: 12

3.2.1 Xilanh: 12

3.3 Thiết kế sơ đồ kết cấu động học và sơ đồ động của máy: 13

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 15

4.1 Phân tích và lựa chọn các loại cảm biến: 15

4.1.1 Cữ hành trình khí nén: 15

4.1.2 Công tắc tiếp điểm: 15

4.2 Phân tích và lựa chọn các loại van: 16

4.2.1 Van solenoid tác động bằng khí nén: 16

4.2.2 Van Solenoid tác động bằng điện: 16

4.3 Phân tích và lựa chọn hệ điều khiển: 17

4.3.1Điều khiển theo hành trình bằng khí nén: 18

4.3.2 Điều khiển theo hành trình bằng điện- khí nén: 18

4.4 Các phần tử cần sử dụng trong hệ thống: 18

4.5 Thiết kế mạch điều khiển: 19

4.5.1 Ký hiệu và chức năng: 19

4.5.2 Chu trình làm việc của máy: 20

Đã trình bày trên 20

4.5.3 Thiết kế mạch khí nén: 20

4.6 Thiết lập phương trình logic: 21

Từ biểu đồ trạng thái ta có các phương trình logic sau: 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ…

Theo em được hiểu robot là một cơ cấu tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục toạ độ; có khả năng định

vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất theo những hành trình đã được

chương trình hoá để thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau Với khả năng thích nghi cao trong nhiều điều kiện làm việc và tính linh hoạt trong thao tác lập trình, robot

đã cho thấy tầm quan trọng, khả năng ứng dụng cao thay thế nhiều hoạt động của con người

Trong nghành cơ khí robot được sử dụng nghiều trong công nghệ đúc, công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn ,phun ,tháo lắp và vận chuyển sản phẩm Khả năng làm việc của robot trong một số điều kiện vượt trội hơn khả năng của con người

Với phạm vi kiến thức hạn hẹp, nhóm em xin nhận đề tài thiết kế robot RTT làm nhiệm vụ lấy – cấp hàng tự động

Hình 1.1: Mô hình robot RTT.

1.2 Nguyên lý hoạt động như sau:

Khi sản phẩm đã vào đúng vị trí ban đầu của chu trình hoạt động, xylanh D bắt đầuđược cấp khí tiến hành thao tác kẹp sản phẩm và tác động lên công tác hành trình D1làm cho motor B quay, nâng sản phẩm lên cao Ứng với chiều cao của bậc chứa sảnphẩm, ta bố trí công tắc hành trình B1 cho hợp lý Khi tác động vào B1, motor Bngừng hoạt động, nhờ cơ cấu tự hãm sản phẩm vẫn được giữ nguyên vị trí và đồngthời motor A bắt đầu hoạt động, quay 1 góc α cần thiết Cánh tay robot được duỗithẳng nhờ mô tơ C kéo bánh răng quay, thanh răng được lắp trên cơ cấu vào ra ăn

khí v.v

Chức năng của mỗi bộ phận như sau:

• Giá : là nơi để gắn tất cả cả bộ phận khác của hệ thống, đảm bảo độ cứng vữngcủa hệ thống

• Xilanh: tạo chuyển động tịnh tiến khứ hồi để thực hiện các nhiệm vụ riêng

chuyển động tịnh tiến khứ hồi phù hợp với quá trình làm việc của chúng

• Van tiết lưu: điều chỉnh lưu lượng khí nén qua các xilanh nhằm thay đổi tốc độhoạt động, cũng như thời gian làm việc của robot

• Công tắc hành trình: có tác dụng tạo ra sự luân phiên chuyển động tịnh tiến khứhồi của mỗi xilanh hoặc quay của động cơ để thực hiện theo đúng nguyên lýhoạt động của toàn hệ thống

• Ray trượt: có tác dụng định hướng cho chuyển động đi lên- xuống, ra -vào đượcđảm bảo chính xác quá trình định vị sản phẩm

• Dây dẫn khí nén: dùng để dẫn khí nén giữa các bộ phận với nhau nhằm truyềntín hiệu tác động

1.5 Chu trình làm việc của hệ thống:

Hệ thống làm việc theo một chu trình kín, nghĩa là công việc được lặp đi lặp lạitrong một thời gian dài, không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài Hệ thống sẽ ngừnghoạt động khi ta ngưng cung cấp điện cho toàn hệ thống bằng nút Stop

1.6 Loại sản phẩm được vận chuyển:

Sản phẩm có nhiều hình dáng, cấu tạo khác nhau, nhưng đối với hệ thống này,chúng ta thiết kế để cấp- lấy sản phẩm hình trụ có kích thước cho sẵn

Chương 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ

2.2 Chọn bộ truyền cho cơ cấu quay:

Với tốc độ quay chậm của cánh tay robot, động cơ điều khiển phải có hộp giảm tốc Để truyền chuyển động từ động cơ qua bánh răng làm quay cánh tay robot thì ta chọn bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng Vì bánh răng trụ răng thẳng dễ chế tạo hơn

so với các loại bánh răng khác

Ngoài ra chọn bộ truyền bánh răng vì kích thước nhỏ gọn, khả năng tải lớn, hiệu suất cao, tỉ số truyền ổn định, làm việc chắc chắn và bền lâu

2.3 Chọn bộ truyền cho cơ cấu tịnh tiến:

Để cơ cấu mang đầu kẹo vào ra dễ dàng, thay đổi được tốc độ vận tốc , chuyển động êm ta dùng cơ cấu bánh răng thanh răng Bánh răng được gắn vào trục động cơ thực hiện chuyển động quay, thanh răng được gắn vào cơ cấu thanh trượt thực hiện chuyển động tịnh tiến do ăn khớp giữa thanh răng bánh răng

Để bánh răng quay với tốc độ ổn định, có thể thay đổi được vận tốc ta dùng động cơ có hộp giảm tốc, truyền động với công suất nhỏ

Hình 2.3a

Hình 2.3b

Nguyên lý hoạt động: Động cơ truyền chuyển động cho bánh răng, bánh răng quaytruyền chuyển động cho thanh răng, thanh răng được gắn lên cơ cấu chấp hành thựchiện chuyển động tịnh tiến

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BẰNG

THỦY LỰC – KHÍ NÉN

3.1 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế:

3.1.1 Truyền động bằng thủy lực:

* Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng thủy lực:

• Ưu điểm:

- Truyền động được công suất cao và tải trọng lớn, cơ cấu đơn giản, hoạt độngvới độ tin cậy cao

- Điều chỉnh được vận tốc làm việc tỉnh và vô cấp, dễ thực hiện tự động hóa

- Kết cấu gọn nhẹ, vị trí các phần tử dẫn và bị dẫn không phụ thuộc lẫn nhau

- Có khả năng giảm khối lượng và kích thước nhờ chọn áp suất cao

- Bơm và động cơ thủy lực có quán tính nhỏ, dầu có tính chịu nén nên có thể sửdụng ở vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh như trong cơ khí hay điện

- Dễ chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của

cơ cấu chấp hành

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn

- Dễ theo dõi và qua sát bằng áp kế, kể cả những mạch phức tạp, nhiều mạch

- Tự động hóa đơn giản, kể cả các thiết bị phức tạp, bằng cách dùng các phần tửtiêu chuẩn hóa

- Tổn thất trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất

và hạn chế sử dụng

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi khi làm việc do tính đàn hồi của dầu

- Khi mới khởi động, nhiệt độ của hệ thống chưa ổn định, vận tốc làm việc thayđổi do độ nhớt thay đổi

- Khó thực hiện đồng bộ hóa chính xác các chuyển động

3.1.2 Truyền động bằng khí nén:

* Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống truyền động bằng khí nén:

• Ưu điểm:

- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ

và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ

- Do có khả năng chịu nén lớn của không khí, nên có thể tích chứa khí nén rấtthuận lợi Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm tích chứa khí nén

- Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ramôi trường

- Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn,

do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn

- Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớntrong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén

- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểmcủa quá trình sử dụng hệ thống truyền động khí nén thấp

- Các thành phần vận hành trong hệ thống có cấu tạo đơn giản và giá thànhkhông đắt

- Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hànhlogic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp

- Khi tải trọng hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khảnăng đàn hồi của khí nén lớn

- Dòng khí thoát ra ở đường dẫn gây ra nhiều tiếng ồn

=> Đối với thiết kế “Mô hình robot RTT ” phù hợp với mô hình sản xuất nhỏ nên độ

chính xác ‘cấp- lấy’ sản phẩm không yêu cầu quá cao Do vậy ta sử dụng phương án

truyền động và điều khiển bằng điện- khí nén để tận dụng nguồn khí sẵn có Hơn nữa,

để kết cấu máy nhỏ gọn hơn và giá thành hợp lý hơn ta không sử dụng phương ántruyền động bằng thủy lực và khí nén

3.2 Tính toán các thông số và lựa chọn bộ phận chuyển động:

Q=π η

4

2

p D

3.3 Thiết kế sơ đồ kết cấu động học và sơ đồ động của máy:

Dựa vào tên đề tài và các thông kích thước cho sẵn khi thiết kế ta chọn kết cấu động học và sơ đồ động như đã trình bày trên

P s

Hình 4.1.1

- Nguyên lý hoạt động: Ở trạng thái ban đầu, cữ hành trình ở trạng thái không hoạtđộng(0), khi có tác động lên cữ, cữ hành trình ở trạng thái (1), nguồn cấp năng lượngtruyền tới các phần tử khác Khi thôi tác động, nhờ lực lò xo, cữ hành trình trở lạitrạng thái (0), nguồn cấp năng lượng bị khóa không cấp lưu lượng tới các cơ cấu khácqua cữ hành trình nữa và ngược lại

Ưu điểm: Đơn giản

Tác động hành trình chính xác

Lắp ráp dễ dàng, tuổi thọ cao

Nhược điểm: Khí nén có tổn thất, thời gian tác động sẽ chậm hơn so với tácđộng bằng điện

4.1.2 Công tắc tiếp điểm:

Hình 4.1.2

Ưu điểm: Nhỏ gọn

Rẽ hơn cữ hành trình.

Đơn giản hơn

Nhược điểm: Tuổi thọ không cao

=> Từ đây, theo yêu cầu của hệ thống cần đáp ứng nhanh, hơn nữa lại nhỏ gọn, làphần tử thích hợp cho hệ thống điều khiển yêu cầu

4.2 Phân tích và lựa chọn các loại van:

4.2.1 Van solenoid tác động bằng khí nén:

0 1

Điều khiển đơn giản

Nhỏ gọn

Nhược điểm: Tác động có độ chính xác không cao

4.2.2 Van Solenoid tác động bằng điện:

vị trí ban đầu (1) qua vị trí (0), nguồn khí nén cấp từ nguồn thông qua van tới cơ cấuchấp hành Ngược lại, cuộn dây nam châm bên B có điện, van lập tức truyền từ vị trí(0) qua vị trí (1) Nguồn khí nén được cấp từ nguồn tới cơ cấu chấp hành đề thực hiềnhành trình ngược lại.

Ưu điểm: Tác động nhanh, chính xác

Nhược điểm: Kết cấu phức tạp hơn

Đắt hơn

 Để đáp ứng điều khiển nhanh, chính xác cao, ta chọn loại van solenoid tác độngbằng điện trong hệ thống điều khiển tự động

4.3 Phân tích và lựa chọn hệ điều khiển:

- Điều khiển theo hành trình

- Điều khiển tuần tự

- Điều khiển theo thời gian.Ở đây điều khiển theo hành trình đơn giản hơn cả, hơn nữa

độ chính xác điều khiển khá cao, dễ điều khiển và khắc phục sự cố => Ta chọn loại hìnhđiều khiển này

4.3.1Điều khiển theo hành trình bằng khí nén:

B (0)

R P s

Hình 4.3.2

=> Qua đây, ta có thể thấy điều khiển bằng điện – khí nén thích hợp với mô hình, bởi

lẽ giá thành rẽ hơn điều khiển bằng khí nén rất đáng kể

+ Van dẫn động: Van solenoid 5/2 tác động bằng điện.

(1) (0)

P S R

Hình 4.4c

+ Điều chỉnh tốc độ: Điều chỉnh tiết lưu bằng van tiết lưu một chiều có thể điềuchỉnh được

Hình 4.4d

4.5 Thiết kế mạch điều khiển:

4.5.1 Ký hiệu và chức năng:

- Motor A : Thực hiện chuyển động quay để đạt góc quay cần thiết

- Motor B : Biến chuyển động quay của motor B thành chuyển động thẳng

- Mô tơ C : biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến mang đầu kẹp đi

ra đi vào

- Xy lanh D: Hoạt động cơ cấu kẹp: đóng – mở kẹp

4.5.2 Chu trình làm việc của máy:

Đã trình bày trên

4.5.3 Thiết kế mạch khí nén:

Thiết kế mạch khí nén cho xi lanh D

Công tắc hành trình của xy lanh D ký hiệu là D0D1

Hình 4.5

C0,C1 tín hiệu điều khiển phần tử nhớ của xy lanh D

Dấu “+” tương ứng với hành trình piston duỗi thẳng

Dấu “-“ tương ứng với hành trình piston lùi về

R P S

(0) (1)

c 0 c 1

D0+ D1_

4.6 Thiết lập phương trình logic:

Từ biểu đồ trạng thái ta có các phương trình logic sau:

_ _ _ _ _ _ _

_

_ _ _ _ _ _

So sánh các phương trình trên ta thấy không có phương trình nào giống nhau,

về phương diện điều khiển thì ta điều khiển được mà không cần thông qua phần tử nhớtrung gian

Biểu diễn sự hoạt động của hệ thống bằng biểu đồ Karnaugh

00 01 11 10

A

D

ab cd

D C

A B

+

-

-

-Hình 4.6a

* Đơn giản phương trình logic bằng biểu đồ karnaugh

+ Đơn giản phương trình A+/ A

-00 01 11 10 00

A A

A A

+ +

+ + - -

11 10

B B

+ +

01 11 10

C

C

ab cd

C C

C C

- +

+ -

-

-C = a.d+

C = d- _

Hình 4.6d

+ Đơn giản phương trình D+/ D

-00 01 11 10 00

01 11 10

D

D

ab cd

D D

D D

+

+ + +

-

-

-D = a.b+

D = c_ _

B

-R S

R S

R S

Sơ đồ mạch điều khiển:

7 Thiết kế chi tiết máy – Nguyễn Trọng Hiệp.