HỆ THỐNG mô HÌNH máy uốn THẾP tự ĐỘNG

Động cơ Servo hay còn gọi là Bộ điều khiển Servo Servo Drive +Servo Motor được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín có encoder,động cơ Servo có nhiều tính năng điều khiển chính

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỆ THỐNG MÔ HÌNH MÁY UỐN THẾP TỰ ĐỘNG

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay ở trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ kỹ thuật điều khiển tựđộng hóa tiên tiến vào quá trình sản xuất là rất cần thiết và phổ biến trong nhiều lĩnhvực khác nhau như nông nghiệp, công nghiệp, xậy dựng, chăn nuôi…Đối với lĩnhvực xây dựng, ứng dụng công nghệ kỹ thuật điều khiển tự động hóa có tác dụng làmđẩy nhanh tiến độ công trình, nâng cao năng suất Trong việc sản xuất vật dụng giađình, sản phẩm được tạo ra có chất lượng và sô lượng đồng nhất hơn…

Ở nước ta, việc áp dụng công nghệ vào xây dựng cũng đang dần phổ biếnhơn và rộng rãi hơn Nhiều thiết bị, hệ thống máy móc được phát minh, được cảithiện sao cho phù hợp với môi trường làm việc tại Việt Nam Máy uốn thép, uốnống và uốn tấm là những máy móc cần thiết cho lĩnh vực xây dựng ngày nay, nhằmphục vụ cho các công trình, nhà ở Hơn nữa các máy móc được sản xuất trong vàngoài nước có giá thành tương đối cao Do dó, chúng tôi quyết định tìm hiểu và chếtạo hệ thống mô hình máy uốn thếp tự động nhằm cải thiện giá thành và chức năng

của chúng

Đồ án này sẽ trình bày quy trình, kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống mô hình máyuốn thép tự động để uốn và truyền được kẽm kẽm có đường kính 4-5 ly thành hình

đa giác, hình tròn,

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Ở Việt Nam, trong các công trình xây dựng , việc uốn thép thường được sửdụng bằng sức người dẫn đến tốc độ tạo ra các khung thép thường chậm và mấtsức,năng suất kém Do đó cần có thiết bị có thể tăng năng suất việc uốn thép Hiệnnay, Việt Nam cũng đã có rất nhiều thiết bị đáp ứng được chức năng trên nhưng giá

thành tương đối cao và thường được sử dụng trong các công trình lớn

Vì lý do này, chúng tôi đã thực hiện một mô hình thu nhỏ để giải quyết các

vấn đề trên và để học tập:

1.3 Mục đích nghiên cứu đề tài

Đề tài triển khai nghiên cứu hướng tới những mục tiêu sau đây:

- Điều khiển được động cơ servo

- Tự động truyền dẫn kẽm , uốn kẽm

- Thiết kế, chế tạo và lắp ráp mô hình

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ nguồn báo chí, tạp chí, từ

internet, sách có liên quan đến nội dung nghiên cứu,tìm hiểu

- Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử

nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế

1.5 Một số máy trên thế giới và Việt Nam

Hình 1-1 Máy uốn thép tự động của Trung Quốc

Hình 1-2 Máy uốn thép tự động theo tiêu chuẩn quốc tế

Hình 1-3 Máy uốn thép do người Việt sản xuất chế tạo

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Sơ đồ khối

Hình 2-4 Sơ đồ khối hệ thống

2.2 Động cơ Servo AC.

2.2.1 Khái niệm động cơ servo là gì?

Động cơ Servo là cơ bắp chủ lực của hệ thống điều khiển chuyển động và điềukhiển chính xác Động cơ Servo hay còn gọi là Bộ điều khiển Servo (Servo Drive +Servo Motor) được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín (có encoder),động cơ Servo có nhiều tính năng điều khiển chính xác vị trí, tốc độ, momen xoắnmang lại hiệu suất làm việc rất cao, khả năng vận hành mạnh mẽ, nhanh chóng và

hoạt động ổn định

Cảm biến

SCADA(HMI)PLC

Nguồn

Thiết bị chấphành

2.2.2 Động cơ servo hoại động như thế nào?

Động cơ servo được hình thành bởi những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệuxung ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển (driver) Khi động cơ chạythì vận tốc, vị trí và moment xoắn sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Khi đóbất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay trong của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽnhận thấy tín hiệu encoder chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếptục điều chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được kết quả chính xác nhất Tín hiệu điều

khiển servoTín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động gửi tới bộ điều khiển động cơ servo có

thể có nhiều dạng:

Hình 2-5: Tín hiệu điều khiển servo

- Điện áp một chiểu tương tự (ví dụ như từ -12VDC đến +12VDC)

Hình 2-6 Mạch vòng điểu khiển động cơ servo

Tùy thuộc vào ứng dụng điều khiển mà ta lựa chọn mạch vòng điều khiển phùhợp Nhiều ứng dụng chỉ dùng mạch vòng dòng và tốc độ dùng cho điều khiển vậntốc Tuy nhiên nhiều ứng dụng cần cả ba mạch vòng điều khiển để điều khiển chính

xác vị trí

- Điều khiển vị trí (position Loop)

Vị trí ở đây được hiểu là vị trí góc tuyệt đối của trục động cơ servohoặc trong vài trường hợp là vị trí của thiết bị truyền động được nối với

trục động cơ servo

Khi động cơ servo quay từ đó sẽ thay đổi vị trí, bộ mã hóa xung quanhvòng quay của động cơ servo sẽ phản hồi vị trí thực tế của trục động cơtới bộ điều khiển động cơ servo hoặc có thể gửi tín hiệu trực tiếp tới bộ

điều khiển chuyển động

- Điều khiển tốc độ (Velocity Loop)Tốc độ ở đây được hiểu là vận tốc quay và chiều quay của trục động

cơ servo

Khi động cơ servo tăng hay giảm tốc, bộ mã hóa xung quanh vòngquay sẽ gửi vận tốc và chiều quay của động cơ tới bộ điều khiển động cơ

servo hoặc gửi trực tiếp tới bộ điều khiển chuyển động

Mạch vòng tốc độ sẽ so sánh tốc độ cài đặt ban đầu với tốc độ hiệntại; dựa vào sai số tốc độ và các thông số căn chỉnh của mạch vòng, bộđiều khiển động cơ sẽ tự động điều chỉnh vận tốc dao động quay giá trị

đặt

- Điều khiển Mômen xoắn (Current Loop)Mômen xoắn của động cơ Servo là lực được tạo ra từ chuyển động

quay của rotor động cơ

Mô men tạo ra tỷ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạy trong cuộndây stator cả dộng cơ Dòng hiệu dụng càng cao, mô men sinh càng lớn

Bộ điều khiển động cơ servo đo trị số dòng điện hiệu dụng chạy trongcuộn dây stator và dùng phản hồi này để tự động điều chỉnh dòng điệntrong động cơ theo thời gian thực sao cho có thể nhằm đáp ứng được yêu

cầu momen xoắn của ứng dụng

Điều khiển dòng điện đôi khi được hiểu là điều khiển momen xoắn

2.3 PLC (Programmable logic controller)

Hình 2-7 : PLC Siemens S7-1200 1214 DC/DC/DC

2.3.1 Định nghĩa PLC là gì?

PLC là từ viết tắt của từ Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển Logic

có thể lập trình được) Khác với những bộ điều khiển thông thường chỉ có một thuậttoán điều khiển duy nhất và cố đinh PLC có thể thay đổi thuật toán điều khiển tùybiến do người sử dụng viết thông qua một ngôn ngữ lập trình khác Do vậy, linh

hoạt trong việc giải quyết tất cả các bài toán điều khiển

Hiện nay có rất nhiều hãng PLC như Mitsubishi (Nhật Bản), Siemens (Đức),

Delta (Đài Loan), Omron (Nhật Bản), AB của Mỹ

Ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất của PLC là LAD (Ladder logic - Dạng hìnhthang), FBD (Function Block Diagram - Khối chức năng), STL (Statement List -Liệt kê lệnh) Trong đó LAD là ngôn ngữ lập trình PLC đang được ưa chuộng nhất

2.3.2 Cấu trúc của PLC

Những thành phần chính trong hầu hết các PLC hiện nay:

- Bộ nhớ chương trình ROM,RAM

- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán

- Các modul vào ra tín hiệu, tín hiệu analog, truyền thông

Hình 2-8 : Sơ đồ khối của PLC

2.3.4 Chuẩn truyền thông

Hỗ trợ nhiềuchuẩn truyền thông: PROFINET, PROFIBUS, MODBUS,

số

Input/Outpu

True Cho phép điều khiển động cơ

1 Cho phép điều khiển vị trí

0 Dừng khẩn cấp( Tốc độ giảm

dần cho đến khi dừng hẳn)

2 Dừng với chế động jerk

True Động cơ servo hoạt động

False Động cơ servo không hoạt

động

Bảng 2-1 Thông số của hàm MC_Power

b. Khối Hàm MC_MoveRelativeHàm MC_MoveRelative điều khiển servo chạy chuyển động tương

đối so với vị trí bắt đầu

Hình 2-10 Khối hàm MC_MoveRelative

Thông

số

Input/Outpu

Axis Input TO_PositioningAxis Servo cần điều khiển

Excute Input Bool Cho phép động cơ servo chạy

Done Ouput Bool Đã đạt được khoảng cách yêu cầu

Busy Output Bool Hàm MC_Excute đang hoạt động

Error Output Bool Hàm MC_MoveRelative đang lỗi

Bảng 2-2 Thông số khối hàm MC_MoveRelative

c. Khối hàm MC_MoveJogKhối hàm MC_MoveJog dùng để điều khiển động cơ servo chạy theo chế độ

Jog

Hình 2-11 Khối hàm MC_MoveJog Bảng 2-3 Thông số khối hàm MC_MoveJog

Thông

số

Input/Outpu

Axis Input TO_PositioningAxis Servo cần điều khiển

JogForwad Input Bool Cho phép động cơ servo chạy theo

InVelocity Ouput Bool Đã đạt được khoảng cách yêu cầu

bị càng giảm đi Khi biên độ của trường điện từ đó giảm đến mức độ nào đó, cảmbiến sẽ kích hoạt và hiển thị nó đã phát hiện được mục tiêu Trường điện từ củacảm biến từ khác nhau theo biên dạng và kích thước, phụ thuộc vào đường kính và

cảm biến đó có được bọc giáp hay không được bọc

Hình 2-12 Cấu tạo của cảm biến từ

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ MÔ HÌNH UỐN THÉP TỰ ĐỘNG

3.1 Phân tích và lựa chọn các phương án thiết kế

3.1.1 Chọn lựa động cơ

3.1.1.1 Những yêu cầu trong mô hình máy uốn thép tự động

- Động cơ sử dụng phải đủ công suất, moment xoắn để truyền và uốn kẽm

- Kẽm được truyền vào phải chính xác về độ dài, góc uốn phải chính xác

3.1.1.2 Phân tích các loại động cơ hiện nay

Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có nhiều loại động cơ, mỗi loại động cơđều có đặc điểm và tính chất riêng của, nhưng ta có thể chia thành 3 loại chính sau

đây:

a) Động cơ thường

Hình 3-13 Động cơ thường

Động cơ thường có ưu nhược điểm sau đây

- Ưu điểm: Công suất cao, moment xoắn lớn

- Nhược điểm:

+ Nếu muốn điều khiển được vận tốc quay phải sự dụng thêm biến tầng vì

vậy chi phí tăng

+ Muốn đo được chính xác vị trí quay được phải sự dụng thêm encoder

b) Động cơ bước

bước gây sai lệch trong điều khiển.

+Đông cơ bước sẽ gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo.+ Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao

+ Điều khiển vòng hở (không có encoder)

c) Động cơ servo

cơ bước+ Khi dừng lại, động cơ servo sẽ có hiện tượng là thường dao động tại vị trí

Động cơ Servo là cơ bắp chính của một hệ thống điều khiển chuyển động.Chúng sẽ cung cấp đủ lực cần thiết để di chuyển các thiết bị theo yêu cầu củaứng dụng Động cơ Servo hay còn được gọi là Bộ điều khiển Servo (ServoDrive + Servo Motor) được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín –

có encoder, động cơ Servo có nhiều tính năng điều khiển chính xác vị trí, tốc

độ, lực căng mang lại hiệu suất làm việc cao, khả năng vận hành mạnh mẽ,

hoạt động ổn định

Dựa vào những yêu cầu trên và đặc tính của động cơ servo ta chọn động cơservo công suất 100W có gắn thêm hộp số để gia tăng moment Lý do chọnđộng cơ có công suất trên là vì do chi phí thấp và mô hình nhỏ

Vật liệu uốn là kẽm từ 3mm-5mm

3.2 Lựa chọn bộ điều khiển

Trong mô hình này sự dụng bộ điều khiển là PLC S7-1200 do hãng Siemenscủa Đức sản xuất Tín hiệu của cảm biến từ sẽ được đưa vào ngõ vào của PLC và tínhiệu xử lý sẽ đưa ra là các tín hiệu xung để điều khiển vị trí servo và các tín hiệu

ngõ ra để cung cấp điện cho cơ cấu chấp hành như van điện

Ngoài ra mô hình này còn được điều khiển bằng hệ thống SCADA(HMI)

Hình 3-16 Sơ đồ điều khiển qua PLC và SCADA

3.3 Các chế độ điều khiển

Qua phân tích các đặc tính của servo, phương án thiết kế và nguyên lí hoạt

động của mô hình thì mô hình có 2 chế đọ điều khiển

+ Chế độ điều khiển tự động+ Chế độ điều khiển bằng tay

3.3.1 Chế độ điều khiển tự động

Mô hình được điều khiển thông qua SCADA(HMI), từ SCADA(HMI) tachọn các thông số của hình muốn uốn rồi nhấn START để bắt đầu qui trình uốn

Servo truyền Done Cảm biến Home Servo Uốn Done Servo truyền Done

Start Chọn thông số

N1=30 Servo truyền

đi tới +

=α1 Servo uốn quay thuận + Servo truyền

đi tới

-Servo uốn quay thuận - Servo uốn quay ngược +

N2=N Servo truyền

đi tới + Servo uốn quay ngược -

=-180 Servo uốn quay thuận + Servo truyền

đi tới M=2

-Ví dụ: Uốn thành hình vuông

Hình 3-17 Lưu đồ giải thuật Grafet uốn hình vuông

3.3.2 Chế độ điều khiển bằng tay

Được thực hiện thông qua các nút nhấn trên SCADA, HMI như là đi tới, đi

lùi, quay thuận chiều kim quay ngược chiều kim

3.4 Công việc tính toán thiết kế

3.4.1 Thiết kế mô hình

3.4.1.1 Tông quan mô hình

Mô hình máy uốn thép gồm thành phần chính như sau:

Æ Một miếng bass để giữ bạc đạn bạc đạn

Æ Hai miếng bass để cố định bạc đạn với khung

Æ Một bạc đạn đỡ chặna) Nguyên lí hoạt động của bộ truyền

Bộ truyền có chức năng truyền kẽm đi vào và làm thẳng kẽm lạimột phần Động cơ servo quay sẽ làm quay con lăn gắn với động cơđồng thời làm con lăn ở trên quay theo sẽ làm kẽm được truyền vào.Ngoài ra có thể tăng đưa con lăn ở trên để giảm hoặc tăng độ ép chặn

của hai con lăn đối với kẽmb) Kích thước chi tiết từng thiết bị

• Con lăn

Hình 3-20 Kích thước chi tiết con lăn cho bộ truyền

• Trục để nối con lăn với bạc đạn

Hình 3-21 Kích thước chi tiết trục nối

• Bass 1

Hình 3-22 Kích thước chi tiết bass 1

• Bass 2

Hình 3-23 Kích thước chi tiết bass2

• Thông số bạc đạn

Hình 3-24 Kích thước bạc đạn

T=8 mmOD=26mmId=10mm

3.4.1.3 Bộ định hướng

Bộ định hướng bao gồm

Æ Sáu con lăn

Æ Sáu trục con lăn

Æ Sáu miếng bass để giữ bạc đạn

Æ Chín miếng bass để cố định bạc đạn với khung

Æ 6 bạc đạn đỡ chặn

a) Nguyên lí hoạt động

Khi kẽm được truyền vào trong bộ định hướng sẽ định hướng kẽm đitheo 1 đường thẳng để tránh trường hợp kẽm đi lệch sẽ gây ra hiện tượng

Æ Một trục để nối bánh răng lớn với bạc đạn

Æ Một miếng bass để giữ bạc đạn bạc đạn

Æ Một miếng bass để cố định bạc đạn với khunga) Nguyên lí hoạt động của bộ uốn

Khi kẽm được truyền vào được một chiều dài theo yêu cầu thì bộ uốn sẽquay một góc được lập trình để uốn kẽm khi đã quay xong thì quay

ngược trở lại vị trí được lập trình là gốc

Hình 3-26 Kích thước bánh răng lớn

• Bánh răng bé

Hình 3-27 Kích thước bánh răng

• Trục nối bánh răng lớn

Hình 3-28 Kích thước trục nối bánh răng lớn

• Bass 1

Hình 3-29 Kích thước bass cho bộ uốn

• Bass 2

Hình 3-30 Kích thước bass 2 cho bộ uốn

3.4.2 Tính toán moment cho động cơ

Do động cơ servo sự dụng trong đề tài này có moment nhỏ không đủ để cóthể truyền kẽm hay uốn kẽm cho nên phải sự dụng thêm hộp số để gia tăng moment.Đối với việc uốn kẽm ngoài việc sự dụng hộp số còn phải sự dụng thêm một bánhrăng lớn nối với bánh nhỏ để tăng thêm tỉ lệ truyền từ đó tăng moment xoắn

Æ Hộp số là:

Hình 3-31 Hộp s

3.5 Thiết kế mạch điện

3.5.1 Thiết bị sử dụng Bảng 3-4 Cảm biến sử dụng

4 Q0.3 Điều khiển hướng động cơ servo truyền

Cảm biến từ 0VDC

Ngõ vào PLC

Ngõ ra

24VDC

24VDC

Servo 1 Pin 5Servo 1 Pin 3 Servo 2 Pin 5Servo 2

c) Sơ đồ đấu nối PLC

Hình 3-32 Sơ đồ đầu dây PLC

3.5.3 Thiết kế mạch động lực

Mạch động lực động lực của động cơ ta đầu như hình sau

Hình 3-33 Sơ đồ cung cấp điện cho driver và động cơ servo

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO LẮP RẮP CÀI ĐẶT, CHẠY THỬ NGHIỆM, KIỂM TRA ĐÁNH GIÁ VÀ ĐIỀU CHỈNH HỆ

THỐNG4.1 Chế tạo các bộ phận

4.1.1 Thiết kế thi công phần điện

4.1.1.1 Động cơ servo uốn và truyền kẽm

4.1.1.2 Cảm biến từ

Hình 4-34 Cảm biến từ autonic

Cảm biến từ trường dùng để xác định vị trí gốc của bộ uốn

Hình 4-35 Vị trí gắn cảm biến từ

4.1.1.3 Driver cho động cơ servo

Hình 4-36 Driver động cơ servo

Sơ đồ dây điều khiển

Hình 4-37 Sơ đồ dấu dây điều khiển

Những chân được dùng để điều khiển vị trí trong động cơ servo

Chân1 3,4,5,6,7,10,41,42,33,8,9,29Chân 3,4 : chân nhận xung phát ra

Chân 5.6 : nhận tín hiệu điều khiển hướng quay động cơ servo

Chân 7: Nguồn dương ( 24VDC)Chân 41 : Nguồn âm (0VDC)Chân 29 : Servo onChân 8,9 : cho phép động cơ servo quay thuận quay nghịch

Chân 33 : cho phép nhận tín hiệu phát xung ra

Thiết lập cho driver servo Panasonic

Để điều khiển vị trí của servo ta cần thiết lập các thông số sau đây như sau

=> Nhấn nút Set => sau đó giữ nút tầm 5s => màn hình sẽ

hiện thi như sau đây , có hai truyền hợp

4.1.2 Cách cấu hình động cơ servo trên TIA Portal

B1 Ta thêm 1 object ở phần “Technology objects”

B2 Chọn Motion control => chọn TO_PositioningAxis => Đặt tên ta muốn => bấm

OK