ĐỒ ÁN MÔN TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ: MÁY CẮT PHÔI TỰ ĐỘNG

ĐỒ ÁN MÔN TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ: MÁY CẮT PHÔI TỰ ĐỘNG

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

……

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

TRUYỀN ĐỘNG THỦY KHÍ

ĐỀ TÀI:

MÁY CẮT PHÔI TỰ ĐỘNG

GVHD: Dương Thế Phong

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

Lời nói đầu

Ngày nay, nghành công nghiệp phát triển mạnh đòi hỏi qui trinh làm việc nhanh và hiêu quả

Quy trinh công nghệ cắt phôi tự dộng mà chúng tôi thục hiện chỉ là một phần rất nhỏ trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay Có nhiêu cách dể thiết kế một mô hình cắt phôi tự dộng khác nhau, ở đây chúng tôi thiết

kế mô hình cắt phôi tự động điều khiển bằng điện khí nén kết hợp PLC

Trong quá trình thực hiên đồ án mặc dù chúng tôi đã cố gắng hết sức chắc chắn sẽ không thiếu nhứng sai xót Vì vậy, chúng tôi-những người làm đồ án này 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 Tưởng Phước Thọ cùng các bạn đã giúp chúng tôi hoàn thành đồ án này

Xin chân thành cảm ơn!

Hiện nay để sử dụng hệ thống cắt phôi trong các phân xưởng cơkhí người ta cần ít nhất hai công nhân Vì vậy yêu cầu tự động hóa hệthống này là cần thiết để tiết kiệm nhân công và nâng cao năng suấtcủa hệ thống.

2 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 Côngnguyên Tuy nhiên sự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rấthạn chế do chưa 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, cũngnhư nhà vật lý người Pháp Denis Papin đã xây dựng nên nền tảng cơbản ứng dụng khí nén

Trong thế kỉ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí

nén lần lượt được phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí

nén (1835) của Josef Ritter, phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinhbằng khí nén (1861)…Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện,vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần Tuy nhiên việcsử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu trong

dụng năng lượng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền độngvới vận tốc lớn; sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búahơi, dụng cụ dập, phun sơn, giá kẹp 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 nay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển bằng thủy lực – khí nénsử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực côngnghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập,máy uốn, máy ép phun, dây chuyền chế biến thực phẩm,… do nhữngthiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xáccao, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở nhữngkhông gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điều khiểnbằng cơ khí hay điện

 Ưu – nhược điểm của khí nén:

Ưu điểm:

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

• Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độnhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp xuất trên đườngdẫn ít

• Không gay ô nhiễm môi trường

• Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền độngbằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thốngđường dẫn khí nén đã có sẵn

• Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đượcđảm bảo

• Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thườngkết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện,điện tử Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng

ưu, nhược điểm của từng hệ thống điều khiển

3 Yêu cầu và giới hạn đề tài:

Thiết kế mô hình hệ thống cắt phôi tự động dùng năng lượng khínén (xylanh khí nén) kết hợp điều khiển bằng PLC (Siemens)

Tính toán cơ cấu trong thực tế để chọn xy lanh và công suất máynén khí phù hợp

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng

cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyểnđổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

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 khíkiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểuroot, máy nén khí kiểu trục vít

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

 Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lýnhư đại lượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển Vídụ: van đảo chiều, rơle áp suất

 Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắclogic nhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển

Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND

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

Van đảo chiều cĩ nhiệm vụ điều khiển dịng năng lượng bằng cách đĩng,

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

Nguyên lý hoạt động:

Khi chưa cĩ tín hiệu điện tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3) Khi cĩ tín hiệu điện tác động vào cửa (12), nịng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tác động của lị xo, nịng van trở về

vị trí ban đầu

Ký hiệu:

Van đảo chiều 3/2

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 đithì dưới tác động của lò xo nòng van trở về vị trí ban đầu

Ký hiệu:

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 làmviệc 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

3 Công tắc hành trình điện - cơ:

Xylanh tác dụng hai chiều, không có bộ phận giảm chấn

Xylanh tác dụng hai chiều, có có bộ phận giảm chấn ở cuối khoang chạy

Xylanh tác dụng hai chiều, dùng công tắc từ

C PLC S7 – 200 CPU 214 (SIEMENS)

Đây là công cụ điều khiển hiệu quả nhất và được ưa chuộng cũng như ứng dụng rộng rãi nhất trong thực tế Nó điều khiển chính xác đơn giản, dễ thay đổi chu trình làm việc bằng cách thay đổi phần mềm Hệ thống điều khiển bằng PLC tương đối tốn kém nhưng ổn định rất cao

PLC (programmable logic control): chương trình điều khiển logic PLC là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển số thơng qua một ngơn ngữ lập trình, thay cho việc thể hiện thuật tốn đĩ bằng mạch số

 Ưu điểm của PLC:

- Lập trình với PLC cĩ thể thay đổi thuật tốn, chương trình viết 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 vịng quét

- Khơng dùng đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic dùng rơle

- Tốc độ cao

- Cơng suất tiêu thụ nhỏ

 Nhược điểm:

- Giá thành rat cao

1 Gi ới thiệu chung về PLC S7 – 200 (Siemens)

- Cĩ nhiều loại PLC của các hãng khác nhau nhưng ta xét ở đây là PLC S7-200 của hãng Simens

- Gồm một số loại như các loại 214,216,212,224,226…

- Hệ thống điều khiển với PLC gồm cĩ:

 Bộ nguồn để cung cấp cho PLC cĩ các dạng sau:

 ACV power supply, 24VDC input, 24VDC poutput

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

 Analog input/ output: 3 analog input, 1 analog output 12bit

 Khối constact LSW 16

a) Các tính năng:

 Hệ thống điều khiển kiểu Moudle nhỏ gọn cho các ứng dụng trong phạm

vi hẹp

 Cĩ nhiều loại CPU, nhiều loại Mouldun mở rộng

 Cĩ thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profius

 Máy tính trung tâm cĩ thể truy cập đến các Moudle

 Khơng 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

•

 Vùng đối tượng.

Trong đó hai vùng nhớ dữ liệu và đối tượng có vai trò quan trọng trong việc thực 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 double word

 Vùng đối tượng: Được phân chia như sau:

o Timer: từ T0 đến T127

o Bộ đếm: từ C0 đến C127

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

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

o Thanh ghi Acumulator: từ AC0 đến AC3, trong đó thanh ghi AC) không có khả năng làm con trỏ

o Bộ đếm tốc độ : từ HSC0 đến HSC2

 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 đây chúng ta dùng tập lệnh này

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 Mơ tả PLC S7 - 200 CPU 214

 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

Ngoài ra, khi có yêu cầu giao tiếp lớn, S7-200 cho phép ta kết nối thêm các modul mở rộng Số modul mở rộng tối đa là 7, tương ứng với số ngõvào cực đại là 64, số ngõ ra cực đại là:

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

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.

Tính năng của CPU-214 DC/DC/DC:

Tải ngõ ra phải làm việc ở 24VDC và dòng tối đa là 50mA

- Có 2048 từ nhớ chương trình chứa trong ROM

- Có 2048 từ nhớ dữ liệu, trong đó 512 từ đầu tiên thuộc ROM

- Có 128 timer, tùy theo độ phân giải mà chia làm 3 loại:

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7

I1.0 I1.1 I1.2 I1.3 I1.4 I1.5

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5 Q0.6 Q0.7

Q1.0 Q1.1

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 cưa

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

Rộng a = 30 mm = 0,3 dmCao b = 2 mm = 0,02 dmChất liệu thép CT45: D = 7,8 kg/dm3

Vphôi = a.b.L = 0,3 0,02 20 = 0.12 dm3

Suy ra: Mphôi = Vphôi D = 0.12 7,8 = 0,936 kg

 Đường kính xylanh B:

Phản lực tác dụng lên bàn trượt:

Nbàn trượt = Pbàn trượt

Pbàn trượt = (Mphôi + Mbàn trượt + Mcơ cấu) 10

Trong đó: Mphôi = 0,936 kg;

Mbàn trượt = 15 kg; Mcơ cấu = 5 kg

Nên Pbàn trượt = 209,36 N

Suy ra: Fms = K.Nbàn trượt

Với K = 0,2 là hệ số ma sát của bàn trượt

Điều kiện để pitton B có thể đẩy được bàn trượt là:

FB ≥ Fms

FB ≥ K Nbàn trượt

FB ≥ 0,2 209.36 = 41,872 NMà FB = P AB

Chọn máy nén khí có áp suất P = 5 bar = 5.10 5 N/m 2 là áp suất thỏa yêu cầu

 Đường kính xylanh A:

Lực ma sát giữa phôi và bàn trượt (K = 0,5):

Fms phôi = K.NPhản lực của bàn trượt lên phôi:

N = Pphôi + Fép

Suy ra: Fms phôi = K.(Pphôi + Fép)

Để phôi nằm trên bàn trượt và khi pitton B đẩy bàn trượt thì phôi cũng đi theo bàn trượt thì phải có:

Fms phôi ≥ Fđẩy

Mà Fđẩy = FB = P.AB = 60,5 N

Nên K.(Pphôi + Fép) ≥ FB

Vậy chọn đường kính xylanh A: d A = 12 mm

 Đường kính xylanh C và D:

Fgiữ phôi =500 N = F1 =F

Fcắt = 500 N = F2 =FTừ đó:

A = F = 0,001 m2

B PHẦN ĐIỆN – KHÍ NÉN

1 Sơ đồ hành trình bước:

2 Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng Rơle:

3 Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng PLC:

4 Chương trình PLC:

Bảng I/O

C QUY TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

1 Quy trình thực hiện:

Hệ thống gồm 4 xylanh được bố trí theo 2 phương Phôi dạng thanh được nạp tự động nhờ xylanh A,B Xylanh C kẹp phôi và xylanh D đi xuốnglàm nhiệm vụ cắt

Mô hình cơ cấu chấp hành

Trình tự cắt được thực hiện như sau:

⇒ Xylanh A đi xuống kẹp phôi

⇒ Xylanh B đi ra đẩy cơ cấu mang xylanh A đã kẹp phôi, đưa phôi vào vị trí cắt

⇒ Xylanh C đi xuống kẹp phôi

⇒ Xylanh A rút về đồng thời xylanh D đi xuống để cưa cắt phôi và tự động rút về khi cắt xong

⇒ Sau khi xylanh D rút về, xylanh B đi về mang theo xy lanh A trong khi xylanh C vẫn kẹp giữ phôi

⇒ Sau cùng xylanh C đi về kết thúc việc kẹp phôi

⇒ Xylanh A đi xuống kẹp phôi và xylanh B tới nạp phôi chuẩn bị cho lần cắt kế tiếp

2 Chế độ làm việc:

Trước khi hoạt động hệ thống tự Reset về trạng thái ban đầu, hoặc trong quá trình hoạt động có thể Reset hệ thống bằng cách nhấn nút Reset trên bảng điều khiển.

Nhấn nút Start hệ thống bắt đầu hoạt động và lặp lại chu kỳ hoạt động

CHƯƠNG IV

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ

A KẾT QUẢ THỰC HIỆN

Sau quá trình thực hiện với nhiều cố gắng và nỗ lực của bản thân cùng

với sự tận tình hướng dẫn của thầy Tưởng Phước Thọ, tập đồ án này đã được hoàn thành đúng thời gian quy định theo yêu cầu đặt ra là Thiết kế mô hình

cắt phôi tự động.

Để thực hiện được yêu cầu trên chúng em đã nghiên cứu, tìm hiểu những vấn đề về:

 Thiết kế mạch điều khiển bằng điện – khí nén

 Mô phỏng mạch điều khiển bằng điện – khí nén bằng phần mềmchuyên dụng Festo Fluidsim

 Mô phỏng đồ họa bằng Autocad

 Lập trình ứng dụng PLC

 Tính toán lực, tải trọng cũng như chọn lựa thiết bị phù hợp cho

cơ cấu

 Và các vấn đề khác có liên quan đến đề tài

B HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

Do giới hạn của thời gian thực hiện đồ án cũng như điều kiện thiết bị không cho phép nên nhóm nghiên cứu chưa thể phát triển đồ án của mình lên mức cao hơn Một số hạn chế và hướng phát triển đề tài:

• Hoàn thiện hệ cắt phôi tự động