Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế nên báo cáo này không thể tránh được những thiếu sót. Đây là kết quả của một quá trình làm việc và tìm hiểu mà em tiếp thu được em rất mong nhận được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các quý thầy, cô để em có điều kiện bổ sung, nâng cao ý thức của mình, phục vụ tốt hơn công tác thực tế sau này.
PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Phương án dùng xilanh khí nén
• 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 (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể tích chứa khí nén rất thuận lợi Vì vậy, có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén
• Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra môi trường
• Hệ thống khí nén sạch, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn do đó không bị ô nhiễm
• Chi phí cho hệ thống truyền động bằng khí nén thấp Hiện nay, hầu hết các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn hệ thống cấp khí nén
• Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn đảm bảo nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp
• Các phần tử trong hệ thống khí nén có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ
• Các van khí nén phù hợp với các chức năng điều khiển logic, do đó phù hợp sử dụng để điều khiển quá trình phức tạp và với mức độ phối hợp cơ cấu cao
• Khả năng thích ứng cao với môi trường, ít bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, nhiệt độ cao, ăn mòn…
• An toàn: hệ thống khí nén không gây cháy nổ Ngoài ra khi hệ thống khí nén bị quá tải thì nó chỉ tạm ngừng hoạt động
• Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp
• Khi tải trọng hệ thông thay đổi thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn (nên khó thực hiện được nhũng chuyển động thẳng quay đều)
• Tải thấp: vì khả năng nén khí ở áp suất cao khá khó khăn nên áp suất khí nén chỉ ở mức trung bình do đó lực của xylanh không lớn cho nên chỉ áp dụng cho các hệ thống có tải không quá lớn
• Cần được xử lý khí nén trước khi sử dụng
• Tiếng ồn: phát ra từ khí nén được giải phóng
Phương án dùng xilanh thủy lực
Điều khiển bằng bộ khả lập trình PLC
• Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn
• Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao
• Mạch điện gọn nhẹ, đẽ dàng trong việc bảo quản và sủa chữa
• Cấu trục PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào và ra, mở rộng các chức năng khác
• Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp
• Giao tiếp được với các nối mạng thông minh khác: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
• Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để có thể lập trình được
• Đòi hỏi người sử dụng phải có chuyên môn cao
Điều khiển bằng khí nén
• Không gây ô nhiễm môi trường
• Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa, do độ nhớt động học của khí nén thấp, tổn thất thấp
• Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo
• Sử dụng nhiều đường ống khí gây rối
• Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi
• Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn
• Các phần tử van khá là đắt tiền
Điều khiển bằng điện – khí nén
THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC
Với đề tài “ Thiết kế mô hình đóng dấu trên bìa carton “ sử dụng 3 xi lanh khí nén
1.2.1 Nguyên lý làm việc của máy
❖ Phôi được chứa trong khay chứa phôi, xi lanh A đẩy phôi ra và kẹp chặt ở vị trí gia công, Sau khi kẹp xong, xilanh B mang đầu đóng dấu đi xuống để đóng dấu chi tiết Sau khi đạt được chiều sâu đóng dấu thì xilanh B lùi về Sau đó xilanh A lùi về Khi xilanh A lùi về cuối hành trình thì xilanh C đẩy chi tiết ra, sau đó xilanh C lùi về và lặp lại chu trình
1.2.2 Các chuyển động cần thiết
❖ Chuyển động tịnh tiến của đầu piston xilanh A đẩy phôi vào vị trí đóng dấu và tiến hành kẹp chặt
❖ Chuyển động tính tiến của đầu piston xilanh B đưa con dấu đi xuống để tiến hành đóng dấu
❖ Chuyển động tịnh tiến của đầu xilanh C đẩy sản phẩm ra sau khi đóng dấu
1.2.3 Xây dựng bản vẽ nguyên lý
Hình 1.3: Bản vẽ sơ đồ nguyên lý
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ
TÍNH TOÁN CƠ CẤU CHÍNH
2.1.1 Tính chọn xilanh cấp sản phẩm [1]
❖ Khối lượng mà thùng carton 20*25*20 chứa được dao động từ 4 – 7 kG Lấy lực khi đẩy sản phẩm là P 0 = 50 (N)
❖ Tính diện tích A 1 của xilanh A
• Trong đó chọn áp suất làm việc p1=5(bar)=0,5 ( 𝑁 mm 2 ) và hiệu suất η=0,8
- A 1 =0,000125 (m 2 ) = 125 (mm 2 ) suy ra D ≈ 12,6 (mm) chọn theo tiêu chuẩn lấy D (mm)
- Tiết diện xilanh phía có cần A 2 = 1
- Đường kính cần piston d ≈ (0,5-0,7).D chọn d = 8 (mm)
- Chọn hành trình của xilanh là S 0 (mm)
=> Ta có thể chọn xilanh MAL 20*200
Kiểm tra tải trọng cho phép của cần piston
• E modun đàn hồi của vật liệu E=2,1 10 4 ( 𝑘𝐺
𝑚𝑚 2 )(cần piston làm bằng thép)
• l chiều dài hành trình piston l 0 (mm)
• n hệ số an toàn (3≤n≤5) chọn n=3
• c hệ số tính đến sự ghép nối của đầu xilanh và đầu cần pistonlấy c=1
Kiểm tra sức bền của xilanh
❖ Vật liệu chế tạo xilanh là hợp kim nhôm có giới hạn bền 𝜎 𝑏 = 40 ( 𝑘𝐺
❖ Chiều dày thành xylanh 𝑡 𝑚𝑖𝑛 ≥ m.D + c trong đó :
• m hệ số xác định theo giới hạn bền của vật liệu và áp suất làm việc, chọn m0,09
• c đại lượng bổ sung cho chiều dày tối thiểu của xilanh [5] chọn c = 0,5 theo bảng:
=> 𝑡 𝑚𝑖𝑛 ≥ 0,09.20+0,5=2,3 (mm) Bảng 2.1: Đại lượng bổ sung c
❖ Ứng suất cho phép trên thành xilanh là 𝛿 𝑐𝑓 = ( 𝜎 𝑏
• n hệ số an toàn chọn n = 3
• 𝜂 hệ số độ bền của mối hàn hợp kim nhôm cứng, hàn tay, một phía 𝜂 = 0,4
❖ Áp suất làm việc cho phép của xilanh
❖ Biến dạng hướng kính cho phép của xilanh
2.1.2 Tính chọn xilanh mang con dấu [1]
❖ Xilanh hoạt động cần một lực đóng dấu là 𝑃 0 = 50 (N)
❖ Tính diện tích 𝐴 1 của xilanh B
• Trong đó chọn áp suất làm việc p1=5 (bar)=0,5 ( 𝑁
- 𝐴 11 =0,000125 (𝑚 2 ) = 125 (𝑚𝑚 2 ) suy ra D ≈ 12,6 (mm) chọn theo tiêu chuẩn lấy D (mm)
- Tiết diện xilanh phía có cần 𝐴 21 = 1
- Đường kính cần piston d ≈ (0,5-0,7).D chọn d = 8 (mm)
- Chọn hành trình của xilanh là Su (mm)
=>Ta có thể chọn xilanh MAL 20*75
1) Kiểm tra tải trọng cho phép của cần piston
• E modun đàn hồi của vật liệu E=2,1 10 4 ( 𝑘𝐺
𝑚𝑚 2 )(cần piston làm bằng thép)
• l chiều dài hành trình piston lu (mm)
• n hệ số an toàn (3≤n≤5) chọn n=3
• c hệ số tính đến sự ghép nối của đầu xilanh và đầu cần piston
2) Kiểm tra sức bền của xilanh
❖ Vật liệu chế tạo xilanh là hợp kim nhôm có giới hạn bền 𝜎 𝑏 = 40 ( 𝑘𝐺
❖ Chiều dày thành xilanh 𝑡 𝑚𝑖𝑛 ≥ m.D + c trong đó :
• m hệ số xác định theo giới hạn bền của vật liệu và áp suất làm việc, chọn m 0,09
• c đại lượng bổ sung cho chiều dày tối thiểu của xy lanh chọn c = 0,5 theo bảng
• Ứng suất cho phép trên thành xilanh là 𝛿 𝑐𝑓 = ( 𝜎 𝑏
• n hệ số an toàn chọn n = 3
• 𝜂 hệ số độ bền của mối hàn hợp kim nhôm cứng, hàn tay, một phía 𝜂 = 0,4
❖ Áp suất làm việc cho phép của xilanh
❖ Biến dạng hướng kính cho phép của xylanh
2.1.3 Tính chọn xilanh đẩy sản phẩm [1]
❖ Khối lượng mà thùng carton 20*25*20 chứa được dao động từ 4 – 7 kG Lấy lực khi đẩy sản phẩm là P0P (N)
❖ Tính diện tích 𝐴 1 của xilanh C[1]
• Trong đó chọn áp suất làm việc p1=5 (bar)=0,5 ( 𝑁
- 𝐴 12 =0,000125 (𝑚 2 ) = 125 (𝑚𝑚 2 ) suy ra D ≈ 12,6 (mm) chọn theo tiêu chuẩn lấy D (mm)
- Tiết diện xilanh phía có cần 𝐴 22 = 1
- Đường kính cần piston d ≈ (0,5-0,7).D chọn d = 8 (mm)
- Chọn hành trình của xilanh là S%0 (mm)
=>Ta có thể chọn xilanh MAL 20*250
1) Kiểm tra tải trọng cho phép của cần piston
• E modun đàn hồi của vật liệu E=2,1 10 4 ( 𝑘𝐺
𝑚𝑚 2 )(cần piston làm bằng thép)
• l chiều dài hành trình piston l%0 (mm)
• n hệ số an toàn (3≤n≤5) chọn n=3
• c hệ số tính đến sự ghép nối của đầu xilanh và đầu cần piston
2) Kiểm tra sức bền của xilanh
❖ Vật liệu chế tạo xilanh là hợp kim nhôm có giới hạn bền 𝜎 𝑏 = 40 ( 𝑘𝐺
❖ Chiều dày thành xilanh 𝑡 𝑚𝑖𝑛 ≥ m.D + c trong đó :
• m hệ số xác định theo giới hạn bền của vật liệu và áp suất làm việc, chọn m 0,09
• c đại lượng bổ sung cho chiều dày tối thiểu của xilanh chọn c = 0,5 theo bảng 2.1
❖ Ứng suất cho phép trên thành xilanh là 𝛿 𝑐𝑓 = ( 𝜎 𝑏
• n hệ số an toàn chọn n = 3
• 𝜂 hệ số độ bền của mối hàn hợp kim nhôm cứng, hàn tay, một phía 𝜂 = 0,4
❖ Áp suất làm việc cho phép của xylanh
❖ Biến dạng hướng kính cho phép của xylanh
2.1.4 Tính toán lưu lượng làm việc [2]
❖ Lưu lượng khí cung cấp cho xilanh gắn con dấu là 𝑄 11 = 𝐴 11 𝑣 11
❖ Lưu lượng khí cung cấp cho xilanh cấp và đẩy sản phẩm là 𝑄 12 = 𝑄 13 = 𝐴 12 𝑣 12
2.1.5 Các tính toán cần thiết khác
❖ Tính toán sự tiêu thụ không khí: 𝛺 𝑡𝑡 = ɛ.V.n Trong đó:
- plv áp suất làm việc của hệ thống plv= 5 (bar) = 5.10 5 ( 𝑁
• Thể tích hình học của xilanh được tính: V = V 1 +V 2 + V kt [2]
- V1 thể tích khí ở khoang không có cần piston: V1 = 3,14.S.( 𝐷
- V2 thể tích khí ở khoang có cần piston: V2= 3,14.S.[ ( 𝐷
- Vkt nếu piston có giảm chấn cuối hành trình, tuỳ theo hãng sản xuất
Bảng 2.2: 𝑉 𝑘𝑡 theo hãng FESTO chế tạo
• Thể tích khí xilanh A cấp sản phẩm là :
- Ta có các thông số sau:
- Đường kính piston giữ sản phẩm: D = 20 (mm)
- Đường kính cần piston giữ sản phẩm: d=8(mm)
• Thể tích khí xilanh B mang con dấu là :
- Ta có các thông số sau:
- Đường kính piston mang con dấu : D = 20 (mm)
- Đường kính cần piston mang con dấu : d=8(mm)
• Thể tích khí xilanh C đẩy sản phẩm là :
- Ta có các thông số sau:
- Đường kính piston đẩy sản phẩm: D = 20 (mm)
- Đường kính cần piston đẩy sản phẩm: d=8(mm)
• Lượng khí tối thiểu cung cấp cho hệ thống làm việc :
• Không khí trước khi đến cung cấp cho các cơ cấu chấp hành phải qua các đường ống dẫn khí, van dẫn tới có tổn thất do đó ta tăng thêm khoảng 30% thể tích các cơ cấu chấp hành
❖ Sự tiêu thụ không khí trong một chu trình làm việc :
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Cơ sở lý thuyết điều khiển ứng dụng cho đề tài
❖ Hệ thống điều khiển trong đồ án này có thể dùng điện khí nén vì nó có giá thành rẻ nhưng có rất nhiều ưu điểm:
• Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn ít
• Do khả năng chịu nén lớn hơn không kí, nên có thể trích chứa khí nén thuật lợi
Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm trích chứa khí nén
• Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược lại bầu khí quyển
• Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ cũng không gây ra mối đe dọa bị nhiễm bẩn
• Chi phí để thiết lập một hệ thống truyền động khí nén khá thấp
• Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn được đảm bảo nên có độ an toàn
• Các thành phần vận hành trong hệ thống có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt
• Các van khí nén phù hợp đối với các chức năng vận hành logic và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các móc phức hợp
❖ Nguyên tắc tác động theo hành trình của công tắc hành trình
• Phần tử xử lý tín hiệu
Hình 3.1: Cách xử lí tín hiệu bằng công tắc hành trình
❖ Rơ le điện từ: nguyên lý hoạt động là khi có dòng điện vào cuộn dây cảm ứng, xuất hiện lực từ trường sẽ hút lõi sắt (trên đó có lắp các tiếp điểm thường mở và tiếp điểm thường đóng.
Hình 3.2 Cấu tạo và kí hiệu của role
Thiết lập biểu đồ trạng thái
Hình 3.3 Biểu đồ trạng thái
❖ Bước 1: Khi đóng điện, ấn nút S0, xilanh A đẩy phôi được cấp sẳn đến vị trí cần đóng dấu
❖ Bước 2: Sau khi xi lanh A đẩy hết hành trình chạm vào công tắc a1 và cố định sản phẩm, tiếp theo xi lanh B mang con dấu đi hết hành trình b1 và đóng dấu vào sản phẩm
❖ Bước 3: Sau khi xi lanh B đóng dấu lên sản phẩm và lùi về chạm vào công tắc hành trình b0 thì tiếp theo xi lanh A cũng lùi về chạm vào công tắc hành trình a0 và chuyển sang xilanh C
❖ Bước 4: Xilanh C được kích hoạt đẩy hết hành trình chạm vào công tắc hành trình c1 đồng thời đẩy phôi ra khỏi vị trí làm việc của hệ thống
❖ Bước 5: Sau khi xi lanh C đẩy phôi hết hành trình và lùi về chạm vào hành trình c0 và chu trình tiếp tục được lặp lại tự động
3.2.2 Thiết kế mạch điều khiển bằng biểu đồ Karnaugh
❖ Ta có phương trình logic :
Do trùng nên thêm một phần tử nhớ trung gian X với x và x̅ là tín hiệu ra
Tín hiệu điều khiển phần tử nhớ là : X + = a1.b1.c0.x̅
Hình 3.4 Sơ đồ mạch logic
❖ Rút gọn bằng phương pháp biểu đồ Karnaugh:
=>Biểu đồ karnaugh 4 biến được biểu diễn:
Hình 3.5 Biểu đồ Karnaugh với 4 biến
• Đơn giản hành trình xilanh A :
Hình 3.6 Biểu đồ Karnaugh đơn giản hành trình xilanh A
• Đơn giản hành trình xilanh B :
Hình 3.7 Biểu đồ Karnaugh đơn giản hành trình xilanh B
• Đơn giản hành trình Xylanh C :
Hình 3.8 Biểu đồ Karnaugh đơn giản hành trình xilanh C
• Đơn giản phần tử nhớ trung gian X
Hình 3.9 Biểu đồ Karnaugh đơn giản phần tử X
• Phương trình logic sau khi đơn giản :
• Sơ đồ mạch logic sau khi đơn giản :
Hình 3.10 Sơ đồ mạch logic sau đơn giản
❖ Phương án 1 : Mạch điều khiển khí nén
Hình 3.11 Mạch điều khiển khí nén theo Karnaugh
❖ Phương án 2: Mạch điều khiển điện - khí nén
Hình 3.12a Mạch điều khiển điện – khí nén theo Karnaugh
• Ứng dụng dùng van 1 đầu:
Hình 3.12b Mạch điều khiển điện – khí nén theo Karnaugh
3.2.3 Thiết kế mạch điều khiển theo tầng
Hình 3.13 Chia tầng trên bảng trạng thái
-Tầng II : Bước 3-6 -Tầng III : Bước 6-7
Hình 3.14 Sơ đồ mạch logic
❖ Phương án 1: Mạch điều khiển khí nén:
Hình 3.15 Mạch điều khiển khí nén theo tầng
❖ Phương án 2: Mạch điều khiển điện - khí nén:
Hình 3.16 Mạch điều khiển điện-khí nén theo tầng
3.2.4 Thiết kế mạch điện theo nhịp
Hình 3.3 Biểu đồ trạng thái
❖ Lập bảng hành trình bước
Bảng 3.17 Bảng hành trình bước
Hình 3.18 Mạch logic theo nhịp
❖ Phương án 1: Mạch điều khiển khí nén :
Hình 3.19 Mạch điều khiển khí nén theo nhịp
❖ Phương án 2: Mạch điều khiển điện - khí nén :
Hình 3.20 Mạch điều khiển điện - khí nén theo nhịp
Lựa chọn các phần tử điều khiển
❖ Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học Ở đây ta dùng các xilanh khí nén Mal
Hình 3.21 Xilanh khí nén MAL
❖ Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng năng lượng
Hình 3.22 Nguyên lí hoạt động van đảo chiều
❖ Một số van đảo chiều hay dùng :
Van 5/2 1 tác động Van 5/2 2 tác động
Hình 3.23 Van đảo chiều phổ biến hiện nay
3.3.3 Một số phần tử khác
❖ Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng khí thay đổi tốc độ cơ cấu chấp hành
Nút ấn khởi động Nút ấn thường mở/đóng
Công tắc hành trình Role điện từ
Hình 3.25 Một số phần tử điện
CHẾ TẠO MÔ HÌNH
Lựa chọn vật liệu làm khung mô hình
❖ Sử dụng tấm formex 5mm giá thành rẻ, nhưng cho độ bền chắc đảm bảo, dễ dàng cắt gọt và chế tạo
Quá trình chế tạo sản phẩm
4.2.1 Làm đế và cơ cấu cấp phôi
Hình 4.1 Đế và cơ cấu cấp phôi
4.2.2 Gá xilanh và lắp con dấu
Hình 4.2 Gá xilanh và con dấu
4.2.3 Lắp ráp hệ thống điều khiển và hoàn thiện sản phẩm
Hình 4.3 Lắp ráp hệ thống điều khiển