Xây dựng mô hình hệ thống tự Động tách sản phẩm khỏi khuôn Đúc Đi sâu thiết kế kĩ thuật cho hệ thống
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÁCH SẢN PHẨM KHỎI KHUÔN ĐÚC
Gới thiệu về hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc
Tổ chức sản xuất theo dây chuyền mang lại hiệu quả nhất đối với những loại hình sản xuất lặp lại Mỗi đơn vị đầu ra cần phải có một trình tự các thao tác từ đầu đến cuối một cách logic, chính xác Tổ chức sản xuất phải được bố trí phân theo cấp nhằm thực nhiện đúng trình tự các bước của công việc đã được chuyên môn hóa và tiêu chuẩn và có khả năng sắp xếp quá trình tương ứng với những đòi hỏi về công nghệ chế biến sản phẩm.
Trong công nghiệp, một số lĩnh vực sản xuất như đúc, ép, luyện kim, sản xuất kính …các sản phẩm sau khi gia công phải được tách khỏi khuôn để chuyển tới các công đoạn tiếp theo như kiểm tra, đóng gói hoàn thiệ sản phẩm Đây là các công việc độc hại, nguy hiểm cho con người do phải chịu các tác động có hại như tiếng ồn, nhiệt độ, hóa chất cũng như tiềm ẩn nguy hiểm về tai nạn lao động Vì vậy nhu cầu phải có một hệ thống tự động thay thế cho con người trong công đoạn tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo là rất cần thiết Trên hệ thống này, sản phẩm và khuôn được băng tải vận chuyển đưa vào hệ thống, hệ thống sẽ tự động tách sản phẩm và khuôn sau đó đưa tới hai băng tải vận chuyển riêng biệt Sản phẩm sẽ được đưa tới các công đoạn tiếp theo, khuôn sẽ được đưa trở lại để tiếp tục chế tạo các loạt sản phẩm tiếp theo.
Các yêu cầu của hệ thống tách sản phẩm
-Bảo đảm an toàn cho con người.
-Việc vận hành dây chuyền thuận tiện, đơn giản.
-Đảm bảo yêu cầu chung nhất về tự động hóa.
-Đảm bảo yêu cầu về công tác quản lý giám sát và điều khiển các hệ thống tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tránh rủi ro, tiết kiệm chi phí, hạn chế nhân công.
-Làm việc tin cậy, ổn định, xác suất hỏng hóc, chi phí sản xuất ở mức tối thiểu.
-Có khả năng thích ứng cao với những sự thay đổi mang tính quá trình, nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng hóa sản xuất.
-Đảm bảo các yêu cầu chung về vấn đề môi trường.
Đặc điểm của hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc
1.4.1 Bài toán tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo
Trong công nghiệp đúc, ép, dập…một trong những nguyên công cơ bản của qui trình sản xuất là tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo sau khi sản phẩm đã được gia công Thông thường, sản phẩm sẽ được gia công trong khuôn có hai nửa, sau khi tách khuôn làm hai phần thì sản phẩm và phần khuôn còn lại sẽ được tách riêng Phần còn lại của khuôn sẽ được trả về để thực hiện sản xuất loạt sản phẩm mới còn sản phẩm sẽ được đưa tới công đoạn tiếp theo như gia công, kiểm tra, đóng gói
Trong sản xuất thủ công quy mô nhỏ lẻ, việc tách sản phẩm khỏi khuôn thường được thực hiện thủ công, dẫn đến năng suất thấp Lao động trực tiếp thực hiện phải đối mặt với nguy cơ an toàn và sức khỏe do tiếng ồn, nhiệt độ cao và hóa chất Hơn nữa, công việc đơn điệu và nhàm chán này gây ra cảm giác ức chế và mệt mỏi Việc tách sản phẩm khỏi khuôn là một khâu trung gian quan trọng, giải quyết tốt sẽ tăng năng suất và giải phóng người lao động khỏi các phần việc nặng nhọc, độc hại, tiềm ẩn nhiều rủi ro tai nạn lao động.
Do đó, ta đưa phương án giải bài toán tách sản phẩm khỏi khuôn đúc bằng một hệ thống tự động có thể giải quyết triệt để được các vấn đề đã đặt ra ở trên.Trong sản xuất ngày nay, rất nhiều các lĩnh vực sản xuất đã đưa hệ thống tự động này vào sản xuất như dây chuyền sản xuất tôn, dây chuyền sản xuất kính tấm, sản xuất chất dẻo Hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo trong công nghiệp hiện nay được kết hợp với hệ thống phân loại, kiểm tra góp phần đáng kể vào đảm bảo chất lượng sản phẩm, giảm giá thành, nâng cao năng suất và hiệu quả kinh tế.
1.4.2 Một số hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn tiêu biểu a Máy gắp tôn tự động
Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống gắp tôn
- Hệ thống được xây dựng bởi kết cấu thép dầm cứng vững chịu được rung lắc tốt khi hệ thống hoạt động
- Hệ thống có một xe con di chuyển trái, phải được tác động bởi động cơ kéo xích, trong đó tốc độ có thể thay đổi được
- Hệ thống có thêm hai cơ cấu nâng, hạ gắp tôn và khuôn được tác động bởi hai động cơ nâng, hạ.
- Ngoài ra còn có rất nhiều sensor hành trình, van khí nén, ống dẫn khí… phục vụ cho hoạt động của hệ thống
Nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống:
-Hệ thống đang ở vị trí OFF.
-Chuyển công tắc sang vị trí Manual.
-Bấm nút ON trên tủ điều khiển cho phép hệ thống hoạt động ở chế độ bằng tay.
-Bấm các nút hành trình.
+ Hành trình chạy trái: Động cơ tác động làm cho xe chạy sang trái, khi xe đến giới hạn tự động dừng kết thúc hành trình
+ Hành trình chạy phải: Động cơ tác động làm cho xe chạy sang phải, khi xe đến giới hạn tự động dừng kết thúc hành trình
+ Hạ các bàn hút: cho phép bàn hút khuôn và tấm hạ xuống bàn hút khuôn và tấm chỉ dùng lại khi có nút bấm hoặc dùng lại bởi các cảm biến.
+ Nâng các bàn hút: cho phép bàn hút khuôn và tấm nâng xuống bàn hút khuôn và tấm chỉ dừng lại khi có nút bấm hoặc dừng lại bởi các cảm biến.
+ Hút khuôn, nhả tấm: tác động để chuyển vị trí van khí sang vị trí hút khuôn nhả tấm.
+ Hút tấm, nhả khuôn: tá động để chuyển vị trí van khí sang vị trí hút tấm nhả khuôn.
-Bấm nút OFF hệ thống dùng hoạt động.
-Hệ thống đang ở trạng thái OFF.
-Chuyển công tắc sang chế độ Auto.
- Bấm nút ON trên tủ điều khiển, xe chạy tiến hành trình khởi động để lấy khuôn và đứng đợi tại vị trí trái cùng Lúc này, bàn hút tấm và bàn hút khuôn đang ở vị trí trên cùng Tuy nhiên, bàn hút khuôn vẫn chưa bắt đầu hút tấm.
-Khi có tấm, bấm nút hành trình chạy phải Khi đó xe sẽ chạy hoàn thành
1 chu kì rồi dừng lại ở vị trí hạn vị phải Lúc này bàn hút khuôn nhả khuôn, bàn hút tấm hút tấm. b Máy gắp kính tấm
Ngày nay, kính là vật liệu đóng vai trò thiết yếu trong xây dựng Sau khi nghiên cứu quy trình chế biến, chúng ta thấy việc cắt kính đúng kích thước là bước đầu tiên Tiếp đến, kính tấm được đưa vào máy cắt CNC để gia công Cuối cùng, kính được gắp ra khỏi khuôn gá và xếp theo yêu cầu Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, kích thước và chất lượng của kính cũng khác nhau.
Qua tìm hiều thực tế ta thấy cấu trúc chung của hệ thống tự động gắp kính thường có các bộ phận chính sau:
- Động cơ truyền chuyển động: có thể là động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc hoặc động cơ bước.
- Hệ thống tay gắp: thường là các tay gắp hút chân không hoặc các tấm dính với độ dính cao Tùy theo kích thước và trọng lượng của tấm kính mà các tay gắp là khác nhau.
- Hệ thống vận chuyển kính: sau khi tay gắp gắp sản phẩm kính thì các động cơ truyền chuyển động di chuyển tay gắp đến những để kính quy định rồi thực hiện các thao tắc nhả kính hoặc cũng có thể đưa kính tới các băng tải vận chuyển để đưa các tấm kính đến các giá kính.
- Hệ thống các cảm biến phục vụ cho việc ngắt hoặc đóng cho các chu trình làm việc.
- Hệ thống piston khí nén.
- Hệ thống nút nhấn, đèn báo khi hoạt động bằng tay hoặc tự động.
- Hệ thống các thiết bị bảo vệ…
Khả năng ứng dụng của hệ thống trong công nghiệp
Cùng với sự tiến bộ của khoa học, danh mục các sản phẩm do công nghiệp tạo ra ngày càng nhiều, đòi hỏi chất lượng ngày càng cao Thực hiện được điều đó, sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải phân ra nhiều ngành, nhiều công đoạn Sự phân công này phải có sự phối hợp chặt chẽ với nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng đạt tiêu chuẩn chất lượng Điều đó phụ thuộc vào việc các nhà sản xuất có biết ứng dụng tối đa khả năng hoạt động của các dây chuyền trong sản xuất hay không.
Nói đến ngành công nghiệp lớn là nói đến vấn đề ứng dụng hệ thống tự động hóa băng chuyền Với việc sử dụng các thiết bị khoa học kỹ thuật hiện đại, các dây chuyền sản xuất có nhiệm vụ thay thế lao động công nhân trực tiếp sản xuất ra sản phẩm với mức độ nhanh hơn, chính xác hơn, năng suất cao. Điều đó càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các ngành sản xuất có các hoạt động trong môi trường độc hại, không an toàn như công nghiệp đúc Con người từ việc trực tiếp sản xuất tạo ra sản phẩm trong môi trường lao động độc hại chuyển sang việc điều khiển, giám sát các hoạt động sản xuất trong một môi trường an toàn nhờ lợi ích của việc tập trung hóa, tự động hóa.
Cùng với việc đổi mới công nghệ sản xuất, các dây chuyền sản xuất được xây dựng theo chiến lược phát triển phù hợp với khả năng ứng dụng của nó với trình độ phát triển của khoa học - kỹ thuật trong tương lai ngày càng nhiều Một chứng minh cụ thể như các dây chuyền tách sản phẩm khỏi khuôn như trong các dây chuyển sản xuất công nghiệp đúc, ép, dập khuôn Ban đầu là nền sản xuất quy mô nhỏ lẻ với số lượng sản phẩm ít, người lao động phải tách sản phẩm bằng tay, quan sát và nhận dạng bằng mắt ở ngay tại nơi sản xuất vì thế mà năng suất, chất lượng phụ thuộc nhiều vào tay nghề, kinh nghiệm của người công nhân Khi xã hội phát triển, nhu cầu về số lượng, chất lượng sản phẩm ngày càng được chú trọng buộc các nhà sản xuất phải ứng dụng khoa học kỹ thuật và hệ thống của mình để nâng cao năng suất, cho ra nhiều dòng sản phẩm với nhiều kích thước, kiểu dáng, chủng loại đáp ứng nhu cầu của thực tế Vì thế khả năng ứng dụng khoa học kỹ thuật trong sản xuất hàng loạt và đặc biệt là trong công nghiệp đúc là rất cần thiết.
Mô hình thiết kế
Cấu trúc chung hệ thống được mô tả như hình 1.2.
Các thiết bị chính sử dụng trong mô hình:
- 04 động cơ điện một chiều; trong đó:
Động cơ DC1 thuộc loại động cơ một chiều, chịu trách nhiệm di chuyển bàn máy gắp sản phẩm đúc và khuôn đúc theo chiều thuận và ngược trên thanh ray cơ học.
+ Động cơ một chiều DC2 có chức năng truyền chuyển động cho băng tải chính (băng tải gồm sản phẩm đúc và khuôn đúc).
+ Động cơ một chiều DC3 là động cơ quay băng tải vận chuyển sản phẩm đúc vào kho chứa.
+ Động cơ một chiều DC4 là động cơ quay băng tải vận chuyển khuôn đúc về kho chứa khuôn đúc.
- Modul điều khiển PLC S7-1200 hãng Siemens.
- 03 băng tải: các băng tải được chế tạo từ nhôm định hình, và nhựa PVC, rulo được kết nối dồng trục với các động cơ để truyền chuyển động.
Hệ thống băng tải là một thành phần quan trọng trong quy trình sản xuất đúc giúp vận chuyển các bộ phận khác nhau trong quá trình hoạt động Hệ thống này bao gồm: băng tải chính để vận chuyển cả khuôn đúc và sản phẩm đã đúc, băng tải khuôn đúc để vận chuyển khuôn đúc riêng biệt và băng tải sản phẩm để vận chuyển riêng sản phẩm đã đúc.
- 01 máy nén khí để đóng mở các các piston.
- 01 Áp tô mát, 01 Cầu chì.
- Nút nhấn và đèn báo.
- Thanh ray và các cấu trúc khung đỡ bằng nhôm định hình.
- Ngoài ra còn một số các thiết bị phụ trợ đi kèm khác
Hình 1.2 Đề xuất cấu trúc hệ thống tác sản phẩm khỏi khuôn đúc
1.6.2 Nguyên lý hoạt động chung
- Hệ thống băng tải gồm ba băng tải riêng biệt, một băng tải đưa khuôn và sản phẩm đã gia công tới vị trí thao tác, một băng tải đưa khuôn trở lại khu vực sản xuất, băng tải còn lại đưa sản phẩm tới công đoạn tiếp theo Trong đó băng tải thứ nhất được điều khiển sao cho khi có đối tượng đến đúng vị trí thì dừng, sau khi khuôn và sản phẩm được tách ra và giải phòng khỏi vị trí đã đặt thì băng tiếp tục hoạt động Băng tải vận chuyển sản phẩm đúc và băng tải vận chuyển khuôn đúc hoạt động liên tục.
- Cơ cấu trục vitme có thể di chuyển được hai phía sang trái và sang phải, có nhiệm vụ di chuyển tay gắp tới đúng vị trí cần thiết Cơ cấu trục vitme được dẫn động bởi động cơ kéo trục vít được điều khiển bằng tay qua các nút nhấn và bằng chương trình điều khiển PLC tùy theo lựa chọn chế độ của người vận hành.
- Hệ thống khung nhôm đỡ toàn bộ trục vitme, phía trên được bố trí thành hai khu vực, một khu vực là khoang chứa các van khí nén, khu vực còn lại được đặt trục để di chuyển thuận nghịch Toàn bộ khung và hệ thống được bố trí trên mặt bàn gỗ.
Hệ thống tay máy được cấu thành từ cơ cấu trục vitme với ba xi lanh khí nén: một xi lanh nâng hạ và hai xi lanh gắp nhả khuôn và sản phẩm Ngoài ra, hệ thống còn sử dụng cảm biến và công tắc hành trình ở các vị trí dừng trái, phải của bàn gắp, các vị trí nâng hạ, gắp nhả sản phẩm và khuôn, cũng như vị trí dừng của băng tải.
Sau khi hoàn thiện, sản phẩm và khuôn được đưa lên băng tải chính (DC2) Khi sản phẩm chạm vào cảm biến HT3, băng tải chính dừng lại và động cơ DC1 đẩy thanh ray tới cảm biến HT1 đúng lúc tay gắp MV2 trùng tâm sản phẩm MV2 mở van điện từ, piston đẩy tay gắp kẹp sản phẩm Khi DC1 hoạt động, thanh ray trượt đến HT2 thì ngắt điện Tại HT2, tay gắp MV2 hạ xuống, nhả sản phẩm vào băng tải (DC3) Đồng thời, tay gắp khuôn đúc trùng tâm khuôn trên băng tải Van MV3 mở, tay gắp khuôn đúc hạ xuống, gắp khuôn đúc Sau khi gắp được khuôn, DC1 kéo khớp nối cơ khí từ HT2 về HT1 Lúc này, MV3 tác động, tay gắp khuôn đúc hạ xuống, nhả khuôn vào băng tải khuôn đúc Băng tải khuôn đúc vận chuyển khuôn đúc đến vị trí quy định, chu trình hoạt động lặp lại cho đến khi lệnh dừng được đưa ra.
BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 – 1200
Giới thiệu về PLC S7 - 1200
S7-1200 là một bộ điều khiển PLC cỡ nhỏ, là sản phẩm của tập đoàn Siemens ra mắt vào năm 2009 tiếp nối phát triển của dòng PLC S7-200 trước đó.
PLC S7-1200 được thiết kế theo dạng module, thích hợp để phát triển các dự án từ cấp độ nhỏ tới trung bình PLC S7-1200 tích hợp cổng truyền thông Ethernet Các module của S7-1200 như : module truyền thông Profibus, 3G; module mở rộng I/O Digital, Analog…
PLC S7-1200 được lập trình bằng phần mềm Step 7 và được tích hợp trong TIA Portal của Siemens.
Dòng S7-1200 có các họ CPU là 1211c, 1212c, 1214c, 1215c, 1217c Mỗi loại CPU có đặc điểm khác nhau phù hợp với từng kích thước, nhu cầu dự án khác nhau.
Hình 2.1 Các họ CPU dòng S7 – 1200 Đồ án này sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214c DC/DC/DC với các thông số chính:
-Mã sản phẩm: 6ES7214-1BG40-0XB0
-Điện áp cung cấp CPU hoạt động :
+ 120VAC, giới hạn thấp 85VAC.
+ 230VAC, giới hạn cao 264VAC.
+ Tần số hoạt động 47-63 Hz.
- Số lượng khối (block): Bao gồm các khối DB, FC, FB, Counter, Timer
- Số lượng địa chỉ tối đa nằm trong khoảng từ 1 đến 65535.
- Đồng hồ thời gian thực tích hợp trên phần cứng: Có.
- Số lượng ngõ vào số (digital): 14
+ 6 cổng Đếm xung tốc độ cao HSC với tốc độ cao nhất 100 kHz.
+ Điện áp tín hiệu ngõ vào (input voltage): 24 VDC.
Tác động mức logic “0”: 5 VDC tại 1mA.
Tác động mức logic “1”: 15 VDC tại 2.5mA.
- Số lượng ngõ ra số (digital): 10
- Số lượng ngõ vào analog: 2
+ Dải điện áp vào : 0 – 10VDC
- Chuẩn kết nối tích hợp: PROFINET
+ Website người dùng tạo : Có
+ Đặt mật khẩu cho CPU.
+ Đặt mật khẩu cho chương trình, khối dữ liệu cụ thể.
- Ngõ ra phát xung PWM/PTO: 4.
+ Tần số xung lên tới 100kHz.
+ Ứng dụng điều khiển động cơ servo và động cơ bước.
+ Hỗ trợ sao lưu (backup) dữ liệu.
- Hỗ trợ 1 khe cắm thẻ nhớ (Memory Card Siemens).
Giới thiệu về TIA PORTAL
Phần mềm TIA Portal (Totally Intergrated Automation Portal) là phần mềm tự động hóa tích hợp của hãng Siemens Phần mềm có thể lập trình cho các dòng PLC của hãng như S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400, thiết kế màn hình HMI, WinCC Runtime.
TIA Portal tích hợp công cụ mô phỏng như S7-PLCSIM, S7-PLCSIM Advanced giúp người lập trình có thể chạy thử chương trình và chẩn đoán lỗi mà không cần phải có thiết bị thực tế.
Tia Portal cho phép tích hợp tất cả các thành phần chính trong dự án tự động hóa Với phiên bản hiện tại là TIA Portal V15 được giới thiệu vào cuối năm
2017 với nhiều công cụ tùy chọn nổi bật như Multiuser Engineering, Teamcenter Gateway, Cloud Connector.
Hình 2.2 Phần mền TIA PORTAL V15
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số Vòng quét kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.
Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tụ nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm.
Hình 2.3 Cấu trúc vòng quét PLC chương trình
2.2.2 Lập trình trên TIA PORTAL
Sau khi khởi động phần mềm TIA Portal và tạo Project, tiến hành thêmPLC mới với mã và thông số đúng với thiết bị thực tế TIA Portal hỗ trợ lập trình bằng 3 ngôn ngữ: LAD, SCL, FBD
Hình 2.4 Lựa chọn CPU trong PLC 2.2.3 Khối tổ chức OB
Organization blocks (Obs): là giao diện giữa hoạt động hệ thống và chương trình người dùng Chúng được gọi ra bởi hệ thống hoạt động, và điều khiển theo quá trình:
-Xử lý chương trình theo quá trình.
-Báo động – kiểm soát chương trình.
-Program cycle Obs thực hiện theo chu kỳ trong CPU ở chế độ Run Khối chính của chương trình là một chu kì chương tình OB Đây là nơi đặt cấu trúc chương trình điều khiển và là nơi gọi các khối bổ sung để sử dụng.
Khối OB phải bằng 200 hoặc lớn hơn.
Startup Obs: thực hiện một lần khi chế độ của CPU chuyển từ STOP sang RUN, bao gồm cung cấp năng lượng chế độ RUN và lệnh chuyển STOP sang RUN. Sau khi hoàn thành, chương trình chính “program cyle” OB bắt đầu hoạt động.
Cycle interrupt OBs: thực hiện tại một khoản thời gian nhất định Một cycle interrupt OB sẽ làm gián đoạn chương trình theo chu kỳ khoản thời gian xác định của người dùng Với mỗi một Obs cho phép với mỗi cấu hình thời gian trễ và chu kì hoạt động.
Hardware interrup OB: thực hiện khi hoạt động xảy ra có liên quan có phần cứng Khi có một vấn đề từ phần cứng, một hardware OB sẽ làm gián đoạn chương trình đang thực hiện.
Khi thời gian chu kỳ tối đa bị vượt quá hoặc có sự cố xảy ra trong quá trình vận hành, lỗi thời gian (Time Error) sẽ được kích hoạt Khối xử lý lỗi thời gian gián đoạn chịu trách nhiệm xử lý tình trạng này là OB80.
Time delay interrup OB: OB ngắt thời gian trễ có thể được đưa vào dự án và lập trình Ngoài ra, chúng phải được gọi trong chương trình với lệnh SRT_DINT, tham số là không cần thiết.
Funtions (FCs) là các khối mã không cần bộ nhớ Dữ liệu của các biến tạm thời bị mất sau khi FC được sử lý Funtion có thể được sử dụng với mục đích:
-Trả lại giá trị cho hàm chức năng được gọi.
-Thực hiện công nghệ chức năng Ví dụ: điều khiển riêng với các hoạt đông nhị phân.
-Ngoài ra FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Điều này tạo điều kiện cho lập trình chức năng lặp đi lặp lại phức tạp.
LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Lựa chọn thiết bị cho mô hình
3.1.1 Cơ cấu thủy lực a Piston khí nén
Hệ thống khí nén muốn hoạt động được cần có nguồn cung cấp khí nén, nguồn khí nén được tạo ra bởi các máy nén khí có công suất tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế Nguồn khí nén được gọi là đáp ứng đúng yêu cầu là khi nguồn khí nén được sản xuất và cung cấp đầy đủ về với một áp suất nhất định thích hợp hệ thống hoạt động được Khí nén từ máy nén khí thông qua các van có thể là van điện từ, van tiết lưu… được đưa đến các piston để điều khiển đóng, mở một hoặc nhiều cơ cấu tùy thuộc theo ý tưởng thiết kế.
Trong mô hình hệ thống sử dụng ba piston khí nén, trong đó một piston có nhiệm vụ nâng và hạ bàn máy, hai piston còn lại có nhiệm vụ gắp và nhả khuôn và sản phẩm.
Kích thước piston được xác định dựa trên tải trọng cần nâng và áp suất của máy nén cung cấp khí nén Piston sử dụng trong mô hình được chọn là piston khí nén hình vuông, có kích thước 50x150mm để nâng/hạ bàn máy Piston gắp nhả sản phẩm và gắp nhả khuôn có kích thước 22x45mm.
Hình 3.1 Piston nâng hạ sử dụng trong mô hình
Hình 3.2 Piston khí nén dạng tay gắp sử dụng trong mô hình b Máy nén khí
Trạm máy nén khí là thiết bị cung cấp khí nén trong các hoạt động sản xuất kinh doanh, lắp ráp và chế biến công nghiệp tự động, đặc biệt phù hợp với những lĩnh vực đòi hỏi vệ sinh nghiêm ngặt, chống cháy nổ hoặc môi trường làm việc độc hại.
*Ưu điểm của máy nén khí:
-Có khả năng truyền đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất rất nhỏ.
-Tốc độ truyền động cao, linh hoạt.
-Dễ dàng trong việc điều khiển với độ tin cậy và chính xác.
-Có nhiều giải pháp và thiết bị để bảo vệ trong trường hợp hệ thống bị quá tải, quá áp suất thấp.
-Tuổi thọ sử dụng lớn.
-Không yêu cầu cao các đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng cung cấp.
-Công suất truyền động không lớn.
-Dòng khí nén thoát ra môi trường có thể gây tiếng ồn lớn.
-Thời gian tác động chậm so với điện tử.
Lựa chọn máy nén khí cho mô hình chế tạo:
-Trong mô hình sử dụng hệ thống khí nén để điều khiển các tay gắp thống qua van điện từ để gắp sản phẩm đúc và gắp khuôn đúc.
-Do đề tài chỉ dừng lại ở việc thiết kế mô hình vì vậy để tính lực cần thiết để gắp được sản phẩm đúc và khuôn đúc tác giải đã lựa chọn khối lượng cho sản phẩm đúc và khuôn đúc như sau:
+ Trọng lượng của sản phẩm đúc bằng 0,06kg.
+ Trọng lượng của khuôn đúc bằng 0,08kg.
=> Lực tác dụng nên sản phẩm và khuôn đúc được tính:
Trong đó: m: là trọng lượng của vật (kg). g = 9,8m/s 2 là gia tốc trọng trường.
+ Lực tác dụng lên sản phẩm đúc là:
+ Lực tác dụng lên khuôn đúc là:
-Áp suất cần thiết mà máy nén cần thiết để hệ thống nâng được sản phẩm đúc và khuôn đúc được tính theo công thức:
F: là lực tác dụng nên vật (N). s: là tiết diện của pisttong (m 2 ). Để phục vụ chế tạo mô hình tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc, tác giả lựa chọn máy nén khí ký hiệu Parmer - Vernon Hills - Illinois 60061 ( máy nén khí trong phòng thì nghiệm Điện trường Đại học Hải Phòng ) Là loại máy nén kiểu pisttong và có áp suất nén 11kg/ms 2 (= 11N/m 2 ) Khí nén từ máy nén khí được đưa qua hệ thống van, pisttong để điều khiển các bàn máy để gắp, nhả sản phẩm đúc và gắp khuôn đúc theo yêu cầu của thiết kế.
Hình 3.3 Máy nén khí sử dụng trong mô hình c Van điện từ điều khiển khí piston khí nén
Trên thị trường có nhiều loại van để điều khiển khí nén hoặc chất lỏng như:
-Safety valve (van an toàn).
-Pressure valve (van giảm áp).
-Solenoid valve (van điện từ)…
Do trong mô hình chỉ sử dụng van với yêu cầu điều khiển được để điều khiển đóng mở các piston và yêu cầu điều khiển được nên ta chọn sử dụng van điện từ.
Lựa chọn van sử dụng trong mô hình là loại van 2 trạng thái, điện áp hoạt động là 24VDC, mỗi van điều khiển 1 piston.
Hình 3.4 Van điện từ sử dụng trong mô hình
3.1.2 Tính toán trang bị điện – điện tử a Động cơ truyền động cho băng tải
Hiện nay, có hai loại động cơ là động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều được sử dụng để truyền động cho dây chuyền sản xuất trong các xí nghiệp công nghiệp
* Động cơ xoay chiều: Để thuận tiện, phù hợp với lưới điện hiện nay trong các xí nghiệp công nghiệp thường sử dụng động cơ điện xoay chiều Trong số các loại động cơ điện xoay chiều thường chọn loại động cơ ba pha không đồng bộ rô to lồng sóc.
Trong nền sản xuất hiện đại, động cơ một chiều vẫn được coi là một loại máy quan trọng mặc dù ngày nay có rất nhiều loại máy móc hiện đại sử dụng nguồn điện xoay chiều thông dụng Do động cơ điện một chiều có nhiều ưu điểm như: có khả năng điều chỉnh tốc độ rất tốt, khả năng mở máy lớn và đặc biệt là khả năng quá tải Chính vì vậy mà động cơ một chiều được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, hầm mỏ, giao thông vận tải…mà điều quan trọng là các ngành công nghiệp này đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều.
Bên cạnh đó, động cơ điện một chiều cũng có những nhược điểm nhất định như so với máy điện xoay chiều thì giá thành đắt hơn, cần có hệ thống cổ góp chổi than…nhưng do những ưu điểm nổi bật nên động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan trọng nhất định trong sản xuất.
Trong mô hình nhóm đề tài đã lựa chọn sử dụng loại động cơ một chiều trong mô hình chế tạo.
Hình 3.5 Động cơ 1 chiều sử dụng trong mô hình
Thông số của 04 động cơ điện một chiều sử dụng trong mô hình:
-Tốc độ đầu hộp số là 75v/p.
-Công suất động cơ băng tải chính (băng tải vận chuyển cả khuôn và sản phẩm đúc) là: 20W.
-Công suất của 03 động cơ còn lại là 15W.
=> Tổng công suất trong mạch là:
Băng tải vận chuyển là hệ thống băng tải sử dụng trong vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong các dây chuyển sản xuất tự động hóa của các xí nghiệp công nghiệp Đây là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy trong cả nước Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao Sản phẩm băng tải vận chuyển của được sản xuất cần đáp ứng được các yêu cầu như: với độ bền cao, khả năng ứng dụng hiệu quả, đáp ứng những đòi hỏi khắt khe nhất của các doanh nghiệp.
Trong mô hình tác giả tự chế tạo 03 băng tải: 01 băng tải chính; 01 băng tải sản phẩm; 01 băng tải khuôn.
Trong mô hình tác giả tự chế tạo 03 băng tải: 01 băng tải chính; 01 băng tải sản phẩm; 01 băng tải khuôn.
-Làm bằng nhựa PVC dày 0.2mm, có độ bám ma sát và độ bền cao.
-Băng tải có chiều rộng 60 mm, Chiều dài của băng chính là 420 mm, hai băng tải sản phẩm và khuôn dài 410mm. a Băng tải chính b Băng tải sản phẩm c Băng tải khuôn
Hình 3.6 Hệ thống băng tải trong mô hình
Rulo: Được chế tạo bằng gỗ, được tiện nhẵn hai đầu và nối đồng trục với động cơ Truyền chuyển động giữa động cơ tới để quay băng tải phục vụ cho việc vận chuyển sản phẩm đúc và khuôn đúc theo yêu cầu. c Lựa chọn Bộ nguồn
Bộ nguồn được sử dụng trong mô hình có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện 24VDC cho mạch điều khiển, mạch động lực và cấp nguồn cho PLC.
Lựa chọn Bo nguồn ký hiệu S-250-24 đầu vào có thể cấp từ 2 cấp điện áp: điện áp 220VAC và điện áp 110VAC; điện áp đầu ra là điện áp 24VDC - 10A.
Trong mô hình tác giả sử dụng cấp điện áp đưa vào đầu vào của Bo nguồn là cấp điện áp xoay chiều 220V.
Hình 3.7 Bộ nguồn 24VDC – 10A d Lựa chọn Cầu chì, Aptomat
Xây dựng mô hình vật lý
Bước 1 Xây dựng phần khung cơ khí
Bước 2 Bố trí thiết bị thủy lực: máy nén khí, van và các piston trên mô hình hệ thống.
Bước 3 Bố trí vị trí đặt các băng tải vận chuyển.
Bước 4 Thiết kế kỹ thuật hệ thống điện.
Bước 5 Đấu nối, thi công theo các bản vẽ đã thiết kế (các bản vẽ được trình bày trong các hình) ở bước 3.
Bước 6 Chạy thử, sửa lỗi và nghiệm thu sản phẩm.
Phần thiết kế phần cứng và bố trí thiết bị của hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc được thể hiện trên hình vẽ 3.16, 3.17 và 3.18.
Mô hình có khung đỡ cơ khí, các mạch van được gắn cố định và được điều khiển đóng mở bằng khí thông qua các van điện từ; 03 băng chuyền được đặt trên một mặt bàn bằng gỗ; các động cơ truyền động các băng tải được gắn trên các trục; các công tắc hành trình được gắn để đáp ứng khoảng cách dừng để thực hiện đúng công việc gắp sản phảm đúc, gắp khuôn chế tạo, nhả sản phẩm đúc và nhả khuôn chế tạo xuống các băng tải quy định.
Hình 3.16 Thiết kế cấu trúc mô hình vật lý
Hình 3.17 Bố trí thiết bị bên ngoài cánh tủ điều khiển
Hình 3.18 Bố trí thiết bị bên trong tủ điều khiển
Sơ đồ ghép nối phần cứng và nguyên lý hoạt động của mô hình
3.3.1 Sơ đồ ghép nối phần cứng
Sơ đồ ghép nối phần cứng của mô hình được thể hiện trong các bản vẽ đã thiết kế từ hình 3.18 đến 3.28.
Hình 3.19 Bản vẽ mạch cấp nguồn cho hệ thống
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
F: Cầu chì Bảo vệ quá tải cho hệ thống.
PSL: Đèn báo nguồn báo hiệu hệ thống sãn sàng.
CB: Aptomat cấp nguồn cho hệ thống.
Bộ chuyển đổi nguồn điện power supply: biến đổi điện áp 220VAC sang24VDC.
Hình 3.20 Bản vẽ mạch khởi động và chọn chế độ
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
Nút nhấn EME Stop: Dừng khẩn cấp hệ thống. Nút nhấn START: Khởi động hệ thống.
Nút nhấn STOP: Dừng hệ thống.
KĐ: Rơle khởi động hệ thống.
Công tắc chuyển chế độ AUTO – BYHAND.
Hình 3.21 Bản vẽ mạch cấp nguồn PLC
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
Ba rơ le RLTG1, RLTG2, RLTG3 có nhiệm vụ cách ly giữa hai chế độAUTO và BYHAND.
Hình 3.22 Bản vẽ mạch điều khiển băng tải
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
TG: Cuộn hút Rơle trung gian.
DC1T: Cuộn hút Rơle thuận bàn.
DC1N: Cuộn hút Rơle ngược bàn.
DC2T: Cuộn hút Rơle thuận băng.
DC2N: Cuộn hút Rơle ngược băng.
DC3: Cuộn hút Rơ le động cơ 3.
DC4: Cuộn hút Rơ le động cơ 4.
Thuận bàn: Nút nhấn thuận bàn.
Ngược bàn: Nút nhấn ngược bàn.
Thuận Băng: Nút nhấn thuận băng.
HT1, HT2, HT3: Các tiếp điểm thường đóng của công tắc hành trình 1,công tắc hành trình 2, công tắc hành trình 3.
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
DC1: Động cơ 1 Động cơ điều khiển thuận ngược bàn.
DC2: Động cơ 2 Động cơ điều khiển thuận ngược băng tải chính. DC3: Động cơ 3 Động cơ chạy băng sản phẩm.
DC4: Động cơ 4: Động cơ chạy băng khuôn.
Hình 3.24 Bản vẽ mạch điều khiển van
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
MV1: Cuộn hút Rơ le điều khiển van MV1 ( nâng, hạ bàn). MV2: Cuộn hút Rơ le điều khiển van MV2 (gắp, nhả sản phẩm). MV3: Cuộn hút Rơ le điều khiển van MV3 (gắp, nhả khuôn).
HẠ BÀN: Nút nhấn hạ bàn.
NÂNG BÀN: Nút nhấn nâng bàn.
GẮP SP: Nút nhấn gắp sản phẩm.
NHẢ SP: Nút nhấn nhả sản phẩm.
GẮP KHUÔN: Nút nhấn gắp khuôn.
NHẢ KHUÔN: Nút nhấn nhả khuôn.
Hình 3.25 Bản vẽ mạch van
* Giới thiệu các phần tử và chức năng
VAN MV1: Van điện từ khí nén MV1.
VAN MV2: Van điện từ khí nén MV2.
VAN MV3: Van điện từ khí nén MV3.
Hình 3.26 Mạch đấu nối công tắc hành trình
Hình 3.28 Bản vẽ đầu vào PLC
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của mô hình Ở điều kiện đầu, xe con ở tại vị trí gốc là vị trí mà công tắc hành trình 1 (HT1) đóng, bàn máy ở ví trí “nâng bàn”, hai cơ cấu gắp khuôn và sản phẩm đều ở vị trí mở (nhả).
Nguồn điện 220VAC-50Hz qua cầu chì và cầu dao được đưa tới bộ biến đổi nguồn điện POWER SUPPLY S - 250 - 10A (01-5B), lúc này đèn báo nguồn PSL(01-2B) sáng Năng lượng điện sau bộ biến đổi là nguồn điện một chiều 24VDC Nguồn điện một chiều sau bộ biến đổi được chia thành 02 đường điện: một đường cho mạch động lực (01-6D), đường còn lại cấp cho mạch điều khiển (01-6B).
Để hệ thống hoạt động ở chế độ BYHAND, nhấn nút START để khởi động mạch điều khiển Đèn báo BYHAND sáng, relay trung gian TG đóng, chuẩn bị hệ thống làm việc ở chế độ đã chọn Khi sản phẩm và khuôn sẵn sàng trên băng tải chính, nhấn nút START34 để khởi động mạch van, đồng thời khởi động hệ thống băng tải khuôn và băng tải sản phẩm.
Nhấn nút “THUANBANG”(06-5B), relay DC2T(06-5D) có điện, đóng các tiếp điểm thường mở DC2T(06-4B; 10-3B; 10-5D) để tự duy trì và khởi động băng tải chính, hai tiếp điểm thường đóng DC2T(06-6C) và DC2N(06-5C) có nhiệm vụ khoá chéo giữa hai chế độ làm việc bình thường và có sự cố (RESCUE) Lúc này khuôn và sản phẩm được băng tải chính đưa vào hệ thống cho đến khi công tắc hành trình HT3(06-5B) tác động, băng chính tự động dừng.
Nhấn nút “HABAN”(07-2B), relay MV1(07-2D) có điện, đóng các tiếp điểm MV1(07-2B; 11-3B) tự duy trì và đóng mạch động lực van MV1, mở đường khí nén tác động vào piston hạ bàn máy Khi bàn máy xuống hết hành trình, nhấn nút “GAPSP”(07-4B) relay MV2(07-4D) có điện, đóng các tiếp điểm MV2(07-4B; 11-5B) tự duy trì và đóng mạch động lực van MV2, mở đường khí nén vào piston tác động tay máy gắp sản phẩm Nhấn nút “NANGBAN”(07-2B) relay MV1 mất điện, lò xo của van MV1 tác động cấp khí nén theo chiều ngược lại, bàn máy đi lên hết hành trình, nhấn nút “THUANBAN”(06-2B), relay DC1T(06-2D) có điện, đóng các tiếp điểm DC1T(06-2B; 10-1B; 10-3D) tự duy trì và khởi động động cơ DC1 theo chiều thuận, mở công tắc hành trình HT1
Khi công tắc HT2(06-4B) tác động, hành trình thuận tự động dừng Nhấn nút “HABAN”, relay MV1 có điện đóng các tiếp điểm MV1 tự duy trì và đóng mạch động lực van MV1, mở đường khí nén tác động vào piston hạ bàn máy Khi bàn máy đã xuống hết hành trình, nhấn nút “NHASP” (07-4B) relay MV2 mất điện, mở các tiếp điểm MV2 tự duy trì và mở mạch động lực của van MV2, mở đường khí nén tác động vào piston tác động tay máy nhả sản phẩm Đồng thời nhấn nút“GAPKHUON”(07-7B) relay MV3(07-7D) có điện đóng các tiếp điểm MV3(07-6B, 11-7B) tự duy trì và đóng mạch động lực của van MV3, mở đường khí nén tác động vào piston tác động tay máy gắp khuôn.
Khi nhấn nút "NANGBAN", rơ le MV1 sẽ cắt điện, lực lò xo của van MV1 sẽ cấp khí nén ngược chiều, làm bàn máy nâng lên Khi bàn máy đạt đến hành trình trên cùng, nhấn nút "NGUOCBAN", rơ le DC1N sẽ đóng điện, đóng tiếp điểm DC1N để tự duy trì và khởi động động cơ DC1 theo chiều ngược, mở công tắc hành trình HT2 Khi công tắc hành trình HT1 tác động, hành trình ngược sẽ tự động dừng Nhấn nút "HABAN", rơ le MV1 sẽ đóng điện, đóng tiếp điểm MV1 để tự duy trì và đóng mạch động lực van MV1, mở đường khí nén tác động vào piston hạ bàn máy Khi bàn máy xuống đến hết hành trình, nhấn nút "GAPSP", rơ le MV2 sẽ đóng điện, đóng tiếp điểm MV2 để tự duy trì và đóng mạch động lực van MV2, mở đường khí nén tác động vào piston tác động tay máy gắp sản phẩm Nhấn nút "NHAKHUON", rơ le MV3 sẽ cắt điện, làm van MV3 ngừng tác động, khiến tay máy nhả khuôn Sau đó, hệ thống sẽ lặp lại một chu trình mới.
Khi muốn hệ thống làm việc ở chế độ AUTO, chuyển công tắc chọn chế độ về vị trí AUTO Ấn nút start PLC có điện, hệ thống hoạt động theo chương trình đã cài đặt. Để cách ly hai chế độ AUTO và BYHAND, trong mạch điều khiển sử dụng các relay trung gian TG, TG1, TG2, TG3, trong đó TG, TG1, TG2 có nhiệm vụ cắt hoàn toàn việc điều khiển ở chế độ BYHAND khi lựa chọn sang chế độ AUTO đồng thời cách ly giữa các nhánh điều khiển Relay TG3 có nhiệm vụ cách ly giữa hai chế độ qua nhánh các công tắc hành trình.
Trong mô hình hình thiết kế nhóm đề tài giả định sự cố xảy ra khi khuôn và sản phẩm đã vào đúng vị trí (đã tác động vào HT3) nhưng hệ thống nâng hạ hoặc thao tác gắp nhả khuôn và sản phẩm không hoạt động (hệ thống khí nén lỗi) Lúc này nhấn nút cứu hộ RESCUE (06-6B), relay DC2N (06-6D) có điện,đóng các tiếp điểm DC2N(10-5B;10-4D) làm băng chính quay ngược lại, đưa khuôn và sản phẩm trở lại vị trí đầu băng chính, giải phóng hệ thống để tiến hành bảo dưỡng, sửa chữa Nút RESCUE là nút nhấn thường mở tự hoàn nguyên nên khi không tác động nữa thì relay DC2N mất điện, dừng hành trình ngược băng chính.
XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
Quy hoạch địa chỉ đầu vào PLC
Bảng 4.1: Quy hoạch đầu vào PLC
Bảng 4.2: Quy hoạch đầu ra PLC
Lưu đồ thuật toán quá trình điều khiển
I0.5 Cảm biến nâng hạ Đầu ra Mô tả
Hình 4.1 Lưu đồ thuật giải điều khiển hệ thống
Chương trình điều khiển cho PLC
4.2.1 Bảng khai báo đầu vào và đầu ra PLC
Hình 4.2 Bảng khai báo đầu vào ra trong TIA PORTAL 4.2.2 Chương trình điều khiển
Hình 4.3 Chương trình PLC điều khiển mô hình
Nhận xét chung về mô hình vật lý và chạy thử
Sau thời nghiên cứu, tìm hiểu cùng với dự chỉ bảo tận tình của thầy giáo Th.S Đoàn Đức Trọng em đã xây dựng được mô hình vật lý “điều khiển hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc”.
Trong quá trình xây dựng mô hình vật lý:
Phần khung cơ khí được chế tạo theo đúng bản vẽ thiết kế cơ khí (hình 3.16) và đã đáp ứng được cơ bản về các yêu cầu kỹ thuật tuy nhiên chưa đạt được tính mỹ thuật cao.
Việc bố trí thiết bị, khí cụ điện cần thiết trên mô hình phải được tiến hành theo đúng các bản vẽ thiết kế cơ bản, đáp ứng các quy định và yêu cầu chung về tính kỹ thuật và tính thẩm mỹ Điều này đảm bảo rằng mô hình được xây dựng một cách chính xác, đáp ứng các tiêu chuẩn về an toàn và chức năng, đồng thời cũng đảm bảo tính thẩm mỹ tổng thể của mô hình.
Mạch động lực, mạch điều khiển của mô hình được đấu nối theo các bản vẽ thiết kế theo chuẩn công nghiệp.
Chương trình điều khiển PLC được lập trình và nạp vào PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC qua cáp truyền thông để điều khiển hệ thống Mô hình hệ thống chế tạo chạy ở chế độ auto hoạt động theo đúng yêu cầu của đồ án đề ra với độ tin cậy cao.
Mô hình đã được chế tạo thành công với khả năng hoạt động tin cậy, kết quả đáp ứng thực tế tương đối chính xác Tuy nhiên do kinh nghiệm, trình độ và thời gian có hạn nên việc chế tạo phần cơ khí, đấu nối mạch điện không tránh khỏi những thiếu xót rất mong các thầy cô góp ý để mô hình của em được hoàn thiện hơn.
Hình ảnh mô hình sau khi thiết kế và xây dựng
a Mặt trước của mô hình c Mặt sau của mô hìnhHình 4.4 Một số hình ảnh của mô hình
