Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử. Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu…
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Bộ mơn Cơ điện tử ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Mã HP: ME4336Q Học kỳ: 20211 Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Sinh viên thực hiện: Hứa Văn Linh Lớp: Me-nut17 MSSV: 20187466 Mã lớp: 126612 Chữ kí sv: Ngày giao nhiệm vụ 7/11/2021 I II Ngày hoàn thành: / / Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống thay dao tự động Số liệu cho trước: 1- Tay đỡ hệ thống 2- Động kèm hộp giảm tốc 3- Thanh đỡ di trượt 4- Cơ cấu Man 5- Vỏ bao che phía ngồi 6- Chi gắn dao 7- Vỏ bao che phía 8- Tay gạt (cơ cấu Man) 9- Tấm đỡ (liền với cấu 4) 10- Tay kẹp gắn dao 11- Xy lanh khí nén trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang - Loại máy CNC: Phay - Loại thay dao: Không tay máy - Nguồn động lực di chuyển: Khí nén - Nguồn động lực quay ổ chứa: Động điện - Số lượng ổ chứa dao N= 16 - Loại côn gắn dao BT40 - Khối lượng dao tối đa M= 7kg - Đường kính lớn dao Dmax= 80mm - Thời gian thay dao gần T1= 3s - Thời gian thay dao xa T2= 7s III Nội dung Phân tích ngun lý thơng số kỹ thuật - Nguyên lý hoạt động - Xác định thành phần hệ thống thay dao Mơ hình hóa hệ thống điều khiển - Mơ hình hóa trục chuyển động - Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển cho thay dao Thiết kế hệ thống điều khiển - Chọn phần tử hệ thống điều khiển - Xác định hàm điều khiển - Xây dựng vẽ mạch - Xây dựng chương trình điều khiển Mơ - Mơ hoạt động trục điều khiển - Mô logic hoạt động hệ thống - Mô hoạt động phần mềm mô Hà Nội, ngày… tháng… Năm 2022 Giáo viên hướng dẫn trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang LỜI NÓI ĐẦU Hiện khoa học kĩ thuật phát triển nhanh, mang lại nhữg lợi ích cho người tất lĩnh vực vật chất tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân hòa nhập với phát triển chung giới, Đảng Nhà nước ta đề mục tiêu đưa đất nước lên thành nước cơng nghiệp hóa đại hóa Để thự điều ngành cần quan tâm phát triển ngành Cơ khí nói chung ngành Cơ điện tử nói riêng đóng vai trị quan trọng việc sản xuất thiết bị cơng cụ (máy móc, robot…) ngành kình tế quốc dân Muốn thực việc phát triển ngành khícần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán kĩ thuật có trình độ chun mơn đáp ứng yêu cầu công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất Tính tốn thiết kế hệ thống Cơ điện tử nội dung khơng thể thiếu chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử Đồ án môn học giúp cho sinh viên hệ thống hóa lại kiến thức môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu… Đồng thời giúp chúng em nắm bắt thêm số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế, mơ Catia,… ngồi cịn giúp chúng em làm quen với công việc thiết kế làm đồ án tốt nghiệp sau Dù có cố gắng hồn thành đồ án với cường độ làm việc cao, hướng dẫn nhiệt tình cụ thể thầy môn, hiểu biết hạn chế chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắn đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót bất cập Vì em mong góp ý sửa chữa thầy để em rút kinh nghiệm bổ sung thêm kiến thức cho Cuối em xin chân thành cảm ơn quan tâm bảo thầy cô Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nợi đặc biệt hướng dẫn tận tình PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang giúp em hoàn thành đồ án trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC 1.1, Tổng quát 1.2, Chức nhiệm vụ hệ thống thay giao 1.3, Ưu nhược điểm hệ thống thay dao tự động 1.4, Các yêu cầu hệ thống thay dao tự động 1.5, Cấu tạo hệ thống 1.5.1, Trục chính, loại đầu kẹp dao dao 1.5.2, Cụm giá 10 1.5.3, Cụm tang chứa dao: 10 1.5.4 Các thành phần khác 11 1.6 Chu trình làm việc hệ thống thay dao tự đợng 12 KẾT LUẬN CHƯƠNG 15 CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 16 2.2 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động 16 2.2.1 Khái niệm sơ đồ động 16 2.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao 19 2.3.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự đợng 19 2.4 Phân tích lựa chọn phương pháp điều khiển 20 2.4.1 Nối dây sử dụng rơle 20 2.4.2 Điều khiển vi xử lý 21 2.4.3 Điều khiển PLC 21 2.5 Thiết kế mạch điều khiển 22 2.5.1 Tổng quan cảm biến sử dụng hệ thống 22 2.5.2, Vị Trí chức cảm biến dùng hệ thống thay dao tự động 26 2.5.3, Các cấu chấp hành hệ thống thay dao tự đợng 28 2.5.4, Phân tích lựa chọn bộ điều khiển PLC 34 2.5.5, Phân tích lựa chọn biến tần 36 KẾT LUẬN CHƯƠNG 39 trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 40 3.1, Sơ đồ kết nối PLC biến tần 40 3.2, Sơ đồ đấu nối PLC với cảm biến 41 3.3, Sơ đồ PLC với van khí nén 41 3.4, Sơ đồ tổng mạch điều khiển 43 KẾT LUẬN CHƯƠNG 44 CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH PLC CHO HỆ THỐNG 45 4.1 Tổng quan PLC 45 4.2 Bảng tín hiệu sử dụng PLC 48 4.3 Phương án phân chia toán điều khiển logic hệ thống thay dao 51 A.Chương trình 51 B Các chương trình con: 52 4.4 Lập trình PLC 57 A, Chương trình trục đến vị trí thay dao (M0.1) 57 B, Chương trình trục vị trí chờ (M0.20) 58 C, Chương trình đài dao vị trí thay dao (M0.3) 60 D, Chương trình dài dao vị trí chờ (M0.4) 60 E, Chương trình trục nhả kẹp dao (M0.5) 61 F, Chương trình trục nhả kẹp dao (M0.6) 61 G, Chương trình xoay đài dao (M0.6) 62 H, Chương trình 66 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS 76 Kết luận chương 5: 82 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC 1.1, Tổng quát Trong trình hoạt động sản xuất khí có nhiều loại máy móc tân tiến đời làm tăng suất chất lượng Trong có máy CNC CNC lập trình tự động bán tự động để gia công, chế tạo sản phẩm, sản phẩm máy tạo có độ xác cao, đạt suât cao gấp nhiều lần so với gia công thủ cơng giảm nhiều nhân cơng chi phí thời gian sản xuất 1.2, Chức nhiệm vụ hệ thống thay giao Trước hết hệ thống thay dao có nhiệm vụ cất giữ lưu trữ số lượng dao định để phục vụ cho trình gia công sản phẩm máy CNC Số lượng dao tối đa tích trữ hệ thống phụ thuộc vào yêu cầu số dao/ số nguyên công mà chương trình gia cơng cần gọi đến Sản phẩm phức tạp số lượng dao cần đến lớn Kích thước hệ thống thay dao tự động lớn theo để đảm bảo mang dc số dao cần thiết Tiếp theo hệ thống phải có nhiệm vụ lấy dao cũ từ trục đưa dao gọi vào vị trí thay dao có lệnh thay dao từ chương trình gia cơng 1.3, Ưu nhược điểm hệ thống thay dao tự động a, Ưu điểm Quá trình thay dao thực nhanh chuẩn xác công đoạn thay tính tốn cụ thể lập trình chạy máy Điều giúp đảm bảo độ an tồn cao, khơng phụ thuộc vào yếu tố người giúp tăng suất chất lượng sản phẩm Ngoài cịn đảm bảo tính chun nghiệp, mang tính tự động hóa cao thích hợp với thời kì cơng nghệ Hơn cịn tiết kiệm nhân lực, thời gian chi phí sản xuất trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang b, Nhược điểm Đi với ưu điểm kể hệ thống thay dao tự động có số nhược điểm cụ thể chi phí đầu tư lớn cấu tạo tương đối phức tạp phải đảm bảo tính đồng lắp ráp với máy gia cơng chỉnh Ngồi phải đảm bảo yêu cầu bảo dưỡng định kì, mơi trường làm việc đơi có cố hỏng hóc máy móc cần chi phí sửa chữa lớn 1.4, Các yêu cầu hệ thống thay dao tự động - Số ổ chứa phải có dung lượng lớn - Dụng cụ phải kẹp chặt ổ tích dao - Chi dao đài gá dao phải định vị xác vào vị trí gia cơng - Khoảng cách ổ tích dao tới vị trí gia cơng ngắn - Hệ thống cấp phát tự động phải có độ tin cậy xác cao - Khơng làm bẩn bề mặt với bề mặt ăn khớp trục - Bảo dưỡng tiện lợi, an toàn - Thay dao nhanh 1.5, Cấu tạo hệ thống Hình Hệ thống thay dao kiểu tang trống trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang 1.5.1, Trục chính, loại đầu kẹp dao dao Trong máy CNC, trục trục quay máy, thường thuật ngữ để xác định khả máy Một số máy CNC chuyên sản xuất cho sản phẩm hàng loạt lớn có nhóm gồm 4,6 nhiều đầu dao Chính gọi máy nhiều đầu Trục khơng khác trục xoay, động cho phép dao gắn vào lấy ra; bàn di chuyển, hệ thống điều khiển chuyển động trục, phần mềm tính tốn phần cịn lại Các thơng số kỹ thuật trục trung tâm gia cơng CNC là: tốc độ trục tối đa, cơng suốt động trục mơ-men xoắn tối đa động trục Hình Hình ảnh cụm trục trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang +dao trục lấy dao từ đài dao Nguồn lực dẫn động: Dùng xi lanh khí nén - Nguyên lý: + Khi trục cần trả dao: khí nén vào buồng xi lanh đẩy pistong chuyển động xuống, thơng qua trục kẹp ép đĩa lị xo làm mỏ kẹp mở đấm dao đẩy dao khỏi trục + Khi trục kẹp chặt dao: dao sau đặt vị trí trục chính, khí nén đưa vào buồng xi lanh đẩy pistong lên, hệ thống lò xo đĩa đẩy trục kẹp lên, kéo hệ thống mỏ kẹp chuyển động theo lên trên, gặp cữ chặn mỏ kẹp bị thu hẹp góc kẹp lại kẹp chặt chi dao kéo lên Đài dao: Phần lớn sử dụng cho máy tiện mâm dao cho máy phay Nếu chương trình NC gọi dao mới, đài dao quay tới vị trí dao cần thiết lấy để gia cơng Mâm dao: Có ổ dao chuỗi, ổ dao vòng, ổ dao dạng nấm ổ dao phẳng Tùy thuộc vào loại kích thước, đài dao máy CNC có đến 16 vị trí dao Trong trung tâm gia cơng lớn sử dụng đồng thời đài dao Nếu nhiều 48 dao sử dụng mâm dao thuộc loại khác sử dụng trung tâm gia công cho phép chưa tới 100 chí nhiều dao Mâm dao dạng xích: - Bộ kẹp có độ bền cao, hư hỏng chống ăn mịn - Chuỗi hỗ trợ hai bên, hoạt động ổn định - Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược dao trơn tru - Kết cấu mâm dao cứng vững, giúp thay dao tốc độ cao dao nặng trang ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang - Chuyển động khay dao sử dụng thiết kế cam thùng, chuyển động trơn tru, yên tĩnh xác Mâm dao dạng nấm: - Độ bền kẹp ổn định tiếp xúc tuyệt vời với dao, bảo vệ trục khay dao thay dao khơng phù hợp - Mâm dao gắn cố định di động, điều khiển động xác thay dao xác, chuyển động trơn tru, yên tĩnh xác - Nguồn điều khiển mâm dao động servo động điện Mâm dao phẳng: - Độ bền kẹp ổn định tiếp xúc tuyệt với với dao, bảo vệ trục khay dao q trình thay dao khơng phù hợp - Xích dẫn hướng kèm ray hỗ trợ cho hai bên, chuyển động trơn tru định vị xác - Thiết kế kẹp dao đặc biệt cho phép mâm dao sử dụng thay dao ngang - Giá đỡ dao sử dụng với hệ thống lựa chọn dao khí nén, hệ thống quay thủy lực nhiều cụm thay dao có sẵn thị trường - Nguồn điều khiển mâm dao động servo động điện 1.5.2, Cụm giá Cụm gá hệ nhôm, thép nối với theo kiểu khung, có tác dụng nâng đỡ tồn trọng lượng hệ thống, gắn cố định thân máy vị trí thích hợp để thay dao với hành trình di chuyển thay dao nhỏ 1.5.3, Cụm tang chứa dao: trang 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 70 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 71 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 72 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 73 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 74 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang trang 75 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS Dưới trình bày quy trình mơ q trình thay dao Motion Study phần mềm solidworks, quy trình lấy dao trả dao làm theo bước sau: Bước 1: Chuẩn bị file lắp ghép, chuyển trục Home -> chọn New Motion Study Bước 2: Tạo chuyển động quay đài dao tới vị trí dao cần lấy: - Một cửa sổ tạo -> cuối hình thuộc tính chuyển động, kéo thời gian chọn 6s đài dao chuyển động quay tìm vị trí dao cần lấy trang 76 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang - Chọn đĩa man, giữ chuột trái, kéo cho đĩa man quay đến dao cần lấy có trục song song với hốc trục (nhìn theo hướng song song với trục chính), sau thả chuột Bước 3: Tạo chuyển động tịnh tiến trục chính: - Chọn trục sau ẩn liên kết với bàn máy cố định - Thực kéo chuyển động tịnh tiến bước đến dao trục có vị trí đồng phẳng với hốc chứa dao (hình vẽ): trang 77 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Bước 4: Tạo chuyển động tịnh tiến cụm dao đài dao: - Chọn giá đỡ động dài dao sau ẩn liên kết với giá đỡ cố định - Thực kéo chuyển động tịnh tiến bước tới hốc chứa dao có trục trùng với dao cần thay trục Bước 5: Tạo chuyển động trục vị trí home - Ẩn liên kết dao trục - Tương tự thực chuyển động tịnh tiến trục bước 2: trang 78 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Bước 6: Lấy dao cần quay: - Quay đài dao vị trí dao cần lấy tương tự bước - Hạ trục xuống để lấy dao: - Ẩn liên kết dao cần lấy tay kẹp, tạo liên kết dao cần lấy trục chính: - Kẹp dao nhả dao đồng thời chuyển động tịnh tiến đài dao sang trái: trang 79 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Bước 7: Trục mang dao chuyển động Home: trang 80 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Bước 8: Xuất video: trang 81 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang Kết luận chương 5: - Mô hoạt động hệ thống thay dao tự động phần mềm solidworks trang 82 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang KẾT LUẬN Trên toàn kết đồ án Thơng qua đó, đồ án cung cấp nguyên lý hoạt động hệ thống thay dao tự động sử dụng máy phay đứng CNC, lựa chọn thiết bị cảm biến, cấu chấp hành điều khiển Đồ án lần giúp nắm vững vấn đề sau: Thành thạo trọng việc sử dụng công cụ thiết kế 2D, đặc biệt AutoCAD AutoCAD Electrical Sử dụng phần mềm TIA Portal V15 để lập trình chương trình PLC S7-1200 Siemen Biết sử dụng phần mềm Automation Studio để thiết kế, mô hệ thống khí nén hệ thống thay dao tự động cho máy phay đứng CNC Lựa chọn thiết bị cảm biến, cấu chấp hành hệ thống thay dao tự động Có thêm kinh nghiệm thiết kế mô hệ điện tử để phục vụ cho công việc sau Xin chân thành cảm ơn cô hướng dẫn bảo tận tình để hồn thành đồ án trang 83 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyến Ngọc Phương, “Hệ thống điều khiển khí nén”, Nhà xuất Giáo dục, 1999 [2] Nguyễn Thành Trí, “Điều khiển khí nén tự động hóa kỹ nghệ”, Nhà xuất Đà Nẵng [3] Tài liệu PLC S7-1200, Trung tâm Đào tạo tự động hóa cơng nghiệp IATC [4] PLC S7-1200 CPU 1214C 6ES7214-1AG40-0XB0, https://mall.industry.siemens.com/mall/en/WW/Catalog/Product/6ES72141AG40- 0XB0 [5] SM 1232 analog output modules 6ES7232-4HB32-0XB0, https://mall.industry.siemens.com/mall/en/se/Catalog/Product/6ES7232-4HB320XB0 [6] Khóa học lập trình PLC Youtube https://www.youtube.com/playlist?list=PLbOMO9XSIe_Chpc0T8fM6Z9ag 1nWhXWX4 https://plctab.com/hoc-plc-hmi-tia-portal-cac-tap-lenh-plc/ trang 84