TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG XẾP PHÔI
Hệ thống xếp phôi tự động
Hình 1 1 Hệ thống xếp phôi hàng tự động
Hệ thống xếp hàng hóa hiện nay có rất nhiều ứng dụng thực tế, trong quy trình sản xuất của các nhà máy xí nghiệp và chia thành những loại như sử dụng cơ cấu xy lanh khí nén, sử dụng tay máy robot, sử dụng động cơ sevor GA…
Hiện nay, các quá trình sản xuất các sản phẩm trên máy cắt kim loại, các máy gia công bằng áp lực (như cán, uốn, dập,…), các quá trình công nghệ lắp ráp sản phẩm cơ khí hay kiểm tra, các hệ thống sản xuất trong các ngành công nghiệp nói chung như sản xuất phân bón, vật liệu xây dựng, thực phẩm… đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao Để đảm bảo được quá trình sản xuất ổn định thì cần thiết phải có quá trình cung cấp phôi chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp (cấp đúng lúc) và liên tục theo chu trình hoạt động của máy một cách tin cậy.
Vì thế quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết, cần phải được nghiên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động, sử dụng và khai thác các máy móc, thiết bị một cách có hiệu quả nhất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Ngày nay, các loại hàng hóa ngày càng nhiều, chính vì vậy việc xây dựng hệ thống xếp phôi là cần thiết, nhất là ở các ngành sản xuất như: sản xuất linh kiện điện tử, sản xuất hàng hóa Việc xếp phôi do con người làm việc trực tiếp bằng tay chân sẽ không thể cải thiện được năng suất và không thể làm việc trong môi trường làm việc nguy hiểm Chính vì vậy, với sự phát triển của công nghệ hiện đại thì việc khó khăn đó được giải quyết dễ dàng Việc xây dựng các hệ thống xếp phôi tự động giúp tiết kiệm thời gian, chi phí qua đó giúp nâng cao năng suất phù hợp với yêu cầu được đặt ra.
Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động là giải quyết từng giai đoạn một cách triệt để trong tổng thể toàn bộ hệ thống cấp phôi và phải được đặt trong từng điều kiện làm việc cụ thể của từng máy móc, thiết bị và công đoạn sản xuất Trong quá trình nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động thì mục tiêu chính cần phải đạt được đó là hệ thống cấp phôi cần phải hoạt động một cách ổn định và tin cậy, có nghĩa là phải cung cấp phôi một cách kịp thời, chính xác về vị trí trong không gian, đủ số lượng theo năng suất yêu cầu có tính đến lượng dự trữ và thu nhận sản phẩm sau khi sản xuất xong một cách an toàn và chính xác.
Trong thực tế hiện nay của các ngành sản xuất nói chung, người ta đang sử dụng khá rộng rãi các cơ cấu cấp phôi bằng cơ khí, hoặc phối hợp cơ khí – điện, cơ khí- khí nén Với sự phát triển mạnh của lĩnh vực điều khiển tự động và Robot đã cho phép dựa vào các tay máy, người máy làm việc theo chương trình và dễ dàng thay đổi được chương trình một cách linh hoạt thích ứng với các kiểu phôi liệu khác nhau khi cần thay đổi các sản phẩm Đây là một trong những tính chất rất quan trọng mà nhờ nó có thể áp dụng công nghệ tiên tiến vào trong quá trình sản xuất dạng loạt nhỏ và loạt vừa mà vẫn có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Có thể thấy rằng, việc nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động có tính bao quát và bao gồm nhiều lĩnh vực và liên quan đến nhiều ngành công nghiệp khác nhau Tuy nhiên do giới hạn của giáo trình và thời lượng nên trong tài liệu này chỉ đề cập đến một số nguyên tắc và nguyên lý cơ bản nhất về sự hoạt động của một số cơ cấu mang tính đặc trưng Hy vọng rằng từ những cơ sở này, các độc giả có thể phát triển và sáng tạo thêm nhằm nghiên cứu và lựa chọn giải pháp áp dụng đối với mỗi trường hợp cụ thể trong từng lĩnh vực sản xuất công nghiệp một cách thích hợp Nội dung chính trong giáo trình này chỉ trình bày những phần tính toán đối với các chi tiết trong gia công cơ khí vì riêng về mức độ đa dạng và phong phú về kích cỡ, hình dáng, các đặc điểm về vật liệu và một số tính chất khác cũng đã là quá nhiều Cũng chính vì thế mà trong phần này chỉ đi sâu giải quyết cho một số kiểu sản phẩm có tính chất điển hình, trên cơ sở đó, người đọc có thể phát triển đối với các kiểu chi tiết cụ thể trong lĩnh vực gia công cơ khí nói riêng và trong các ngành công nghiệp nói chung.
Hệ thống cấp phôi tự động trước hết phải nằm trong các hệ thống sản xuất mang tính tự động từng phần hay toàn phần và không thể có hệ thống sản xuất tự động mà không có quá trình cấp phôi tự động Quá trình cấp phôi tự động có những ưu điểm sau:
Nâng cao năng suất do giảm thời gian phụ (là thời gian gá đặt phôi và tháo sản phẩm sau khi gia công).
Đảm bảo được năng suất gia công theo tính toán vì nó đảm bảo được chu kỳ cấp phôi chính xác, không bị ảnh hưởng đến các yếu tố về khách quan như: tình trạng tâm sinh lý và trạng thái sức khoẻ của con người.
Đảm bảo độ chính xác gá đặt cao vì trước khi phôi đến vị trí để cấp cho máy công tác thì nó đã được định hướng chính xác trong không gian và đúng tọa độ theo yêu cầu, đồng thời tốc độ di chuyển của phôi đã được điều chỉnh để phù hợp với cơ cấu gá đặt.
Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân: Giải phóng cho con người trong các công việc lao động phổ thông nhàm chán (như lặp đi lặp lại một động tác có tính đơn giản); Trong các công việc nặng nhọc (như di chuyển và gá đặt các phôi có kích thước lớn, khối lượng lớn); Các công việc có thể gây ra nguy hại cho sức khoẻ của người công nhân như các phôi liệu có thể có các cạnh sắc, ví dụ: các bavia, rìa mép của các phôi dập, rèn, đúc…; Các công việc gây sự mỏi mệt cho công nhân như phải tập trung chú ý để tìm, chọn, phân loại và định hướng (nhất là các chi tiết có hình dạng gần giống nhau hoặc khó phân biệt về hướng).
Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các máy móc thiết bị như: Có thể loại khỏi dây chuyền sản xuất các phôi có nhiều sai số và khuyết tật để đảm bảo sự làm việc ổn định cho thiết bị; Tránh tình trạng máy bị quá tải do lượng dư quá lớn hoặc không đều; Tránh được sự rung động và các tải trọng động có biên độ lớn trong quá trình gia công do các khuyết tật trên phôi. Ứng dụng hệ thống gắp thả trong công nghiệp:
Thực phẩm: gắp - đặt và đóng gói bánh mì, bánh ngọt, bánh kẹo, nước uống, rượu, bia, vào khay và thùng.
Hàng tiêu dùng: gắp - đặt và đóng gói gia vị, giấy ăn, nước giặt, dầu gội, vào các thùng carton.
Dược phẩm - y tế: gắp - đặt và đóng gói các loại thuốc dạng hộp thuốc - lọ thuốc, dạng vỉ, dạng siro, vắc xin,
Điện - điện tử: gắp - đặt và đóng gói bản mạch, linh kiện điện tử, vào hộp, khay, thùng,
Intralogistic: gắp - đặt, đóng gói và vận chuyển các sản phẩm.
Vật liệu xây dựng: Gắp đặt và bốc xếp vật liệu xây dựng (gạch, men, gốm, sứ, bao tải xi măng ) lên Pallet.
Thiết bị tự động hóa: Robot, máy, máy tự động hóa, đóng gói và quấn màng.
Một số hệ thống ứng dụng gắp thả
Hệ thống xếp phôi tự động:
Hình 1.2 Hệ thống gắp thả phôi
Hệ thống gắp hàng lên pallet sử dụng robot:
Hình 1.3 Hệ thống gắp hàng lên pallet sử dụng robot
Hệ thống gắp thả sử dụng robot delta:
Hình 1.4 Hệ thống gắp thả sử dụng robot delta
Một số phương án cho hệ thống xếp phôi
Phương án 1: Hệ thống xếp phôi bằng cơ cấu xy lanh khí nén
Hình 1.5 Hệ thống xếp hàng bằng cơ cấu khí nén Ứng dụng:
- Hệ thống sử dụng xy lanh khí nén được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tiềm ẩn nguy hiểm và có nguy cơ xảy ra cháy nổ cao như các đồ giá kẹp, các chi tiết nhựa, chất dẻo, ứng dụng cấp phôi gia công trong các ngành gia công cơ khí, chế tạo máy.
- Ứng dụng trong ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện tử, yêu cầu môi trường làm việc sạch.
- Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm như chiết nước vào chai, rửa bao bì tự động, sấy khô thực phẩm.
- Ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển như băng tải, thang máy công nghiệp.
- Ứng dụng trong ngành in ấn, đóng gói bao bì sản phẩm.
- Nhờ tính tin cậy và an toàn cao, máy nén khí còn là giải pháp hàng đầu trong việc thăm dò năng lượng từ xa, giúp điều hòa không khí ở cả nhiệt độ cực nóng và cực lạnh.
- Trong lĩnh vực sản xuất, chế tạo ô tô: Hệ thống khí nén rất cần thiết để tạo ra khí sạch, khí khô và áp suất khí ổn định, giúp thực hiện những việc sửa chữa, lắp ráp các bộ phận xe một cách tự động.
- Trong ngành y tế, dược phẩm: khí nén là năng lượng được ưa chuộng hàng đầu để thực hiện các ứng dụng vận chuyển và sản xuất thuốc, dược phẩm, giúp sấy khô vỏ thuốc hiệu quả, đảm bảo an toàn vệ sinh tuyệt đối. Ưu điểm:
- Chi phí thiết lập hệ thống thấp.
- Có khả năng truyền năng lượng đi xa so với hệ thủy lực.
- Khí được nén là không khí nên dễ sử dụng, an toàn, làm việc được trong môi trường dễ cháy nổ, phóng xạ, hóa chất đảm bảo vệ sinh.
- Kết cấu sử dụng và điều khiển đơn giản dùng nhiều trong dây chuyền sản xuất.
- Lực truyền tải trọng thấp.
- Thời gian đáp ứng chậm hơn so với hệ điện tử.
- Khả năng lập trình kém.
- Dòng thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn.
Phương án 2: Hệ thống xếp phôi sử dụng robot scara
Hình 1.6 Robot Scara Ứng dụng của robot scara:
Ứng dụng trong lắp ráp chi tiết nhỏ:
Robot Scara được đưa vào ứng dụng trong việc thực hiện nhiệm vụ lắp ráp các chi tiết nhỏ với tốc độ cao như trong ngành công nghiệp điện tử hiện nay rất phổ biến loại Robot này Chúng thực hiện những thao tác được cài đặt sẵn để lắp ráp các chi tiết nhỏ một cách dễ dàng và nhanh chóng mà không cần lập trình quá phức tạp.
Ứng dụng trong gắp và đặt:
Scara là một loại Robot có tốc độ nhanh và giá thành rẻ nên thường được chọn để đặt ở những vị trí cần đến tốc độ cao trong dây chuyền lắp ráp và nhiệm vụ gắp cực nhanh. Điểm ưu thế của nó là dễ dàng lắp đặt hơn so với nhiều loại Robot khác trên thị trường hiện nay và không nhất thiết phải gắn lên không gian làm việc.
Scara có độ chính xác cao trong quá trình vận hành và thực hiện các hành động của mình Chính vì vậy mà nó đặc biệt phù hợp với các tác vụ khắc và vẽ bằng Laser.
Trong lĩnh vực máy in 3D, Scara là một loại Robot thực hiện nhiệm vụ in 3D này trên nhiều sản phẩm và chất liệu khác nhau trong các nhà máy sản xuất.
Scara hiện nay được ứng dụng cực phổ biến với ngành công nghiệp điện tử, bởi chúng có thể thực hiện được nhiều nhiệm vụ sản xuất cốt lõi bên trong Nhiệm vụ được sử dụng nhiều nhất đến Robot Scara chính là hàn Nó sẽ tạo ra các đầu hàn với chất lượng đồng nhất và cải thiện hiệu quả, cùng với độ chính xác cao cho các sản phẩm phải sản xuất hàng loạt. Ưu điểm:
Ưu thế về sự linh hoạt:
Do Scara là Robot tuân thủ có tính chọn lọc nên nó sẽ linh hoạt hơn so với các loại Robot Gantry hay Robot Descartes Nó có thể thực hiện nhiều chuyển động linh hoạt khác nhau theo điều khiển và thiết kế từ nhà sản xuất cho từng lĩnh vực mà nó ứng dụng.
Ưu điểm về mặt tốc độ:
Robot Scara rất phù hợp cho các ứng dụng lắp ráp tốc độ cao hiện nay bởi sự linh hoạt và tốc độ nhanh hơn so với Robot 6 trục Chính vì vậy mà nó được dùng vào ứng dụng để gắp và đặt.
Scara có 4 trục cho chuyển động Thông qua đó nó có thể chuyển động đa dạng và linh hoạt các hoạt động khác nhau theo thiết kế của nhà sản xuất.
Robot Scara có tải trọng khá thấp, nó thường dao động trong khoảng từ 0.5 - 20kg Điều này giúp nó dễ dàng vận chuyển và lắp đặt cho các dây chuyền sản xuất hoặc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực hơn.
Scara được thiết kế với tính năng lặp lại tốt và có độ chính xác cực cao Điều này là một trong những thiết kế nổi bật nhất để nó được đưa vào ứng dụng với các dây chuyền lắp ráp khác nhau hiện nay trong lĩnh vực công nghiệp đó
- Chi phí bảo dưỡng cao.
- Chi phí đầu vào mua trang thiết bị cao.
- Cần phải kết hợp thêm các bộ điều khiển để tạo thành nhiều dây chuyền lớn.
Phương án 3: Hệ thống xếp hàng sử dụng động cơ servo GA
Hình 1.7 Hệ thống xếp hàng sử dụng động cơ servo GA Ứng dụng của hệ thống điều khiển servo:
Ứng dụng trong ngành gia công cơ khí:
Hiện nay ngành gia công cơ khí đặc biệt là đối với việc gia công các sản phẩm có độ chính xác cao ví dụ như máy cắt laser hay một số máy cắt khác thì người ta sẽ lựa chọn động cơ Servo thay vì động cơ bước như trước đây Bên cạnh đó nó còn được ứng dụng rất nhiều trong các loại máy cắt CNC PLasma khác.
Ứng dụng trong điều khiển vận chuyển:
Lựa chọn hệ thống cho đồ án
Sau khi đưa ra 1 số hệ thống xếp phôi tự động, qua tìm hiểu ưu nhược điểm nhóm em lựa chọn phương án 4: Hệ thống xếp phôi sử dụng vitme kết hợp với xy lanh khí nén.
Nguyên tắc làm việc của hệ thống:
Băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí gắp vật.Khi cảm biến quang phát hiện vật thì băng tải sẽ dừng lại.Cơ cấu xy lanh gắp vật hạ xuống khi chạm cảm biến hành trình dưới của xy lanh thì xy lanh kẹp tác động để kẹp vật Sau đó xy lanh nâng lên chạm cảm biến hành trình trên của xy lanh thì trục vitme hoạt động đưa vật đến vị trí đã được đặt trước.
Khi đến vị trí đã đặt xy lanh sẽ hạ xuống chạm cảm biến hành trình dưới của xy lanh thì xy lanh kẹp sẽ nhả ra đặt vật vào khay.Sau khi nhả vật xy lanh sẽ nâng lên đến khi cảm biến hành trình trên thì trục vitme sẽ chạy về điểm gốc để bắt đầu gắp sản phẩm tiếp theo.
Khi đủ 3 sản phẩm/khay thì xy lanh dưới sẽ đẩy khay chứa sản phẩm ra rồi rút về để cấp tiếp khay mới vào Chu trình hoạt động liên tục khi nào nhấn nút stop thì sẽ dừng hoạt động.
Sơ đồ khối hệ thống:
Hình 1 9 Sơ đồ khối các khâu chính trong hệ thống
- Hệ thống điều khiển: Lựa chọn bộ điều khiển PLC.
- Hệ thống gắp thả phôi: Sử dụng cơ cấu xy lanh khí nén.
- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền với động cơ truyền động.
- Hệ thống di chuyển tay gắp: Sử dụng trục vitme.
Mục tiêu cần đạt
- Hệ thống hoạt động ổn định, đạt độ chính xác cao.
- Đảm bảo an toàn lao động.
- Mô hình thiết kế gọn gàng.
- Thiết bị sử dụng có độ bền cao và tuổi thọ lớn.
- Vốn đầu tư phù hợp, chi phí vận hành thấp
- Xây dựng chương trình điều khiển, giám sát tối ưu.
- Tìm hiểu tổng quan về hệ thống xếp phôi trong công nghiệp.
- Đưa ra các phương án cho hệ thống.
- Lựa chọn phương án thiết kế.
- Xây dựng nguyên lý làm việc cho hệ thống xếp phôi.
- Đưa ra sơ đồ khối hệ thống.
GIỚI THIỆU PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG XẾP PHÔI
Bộ điều khiển PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ- le) trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo
Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder, SFC, FBD
Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau:
- Bộ nhớ chương trình RAM, ROM.
- Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán.
- Các module vào /ra tín hiệu.
Hình 2 1 Cấu trúc của PLC
Nguyên lý hoạt động của PLC:
CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ. Ưu điểm và nhược điểm của PLC Ưu điểm:
- Bộ điều khiển PLC chống nhiễu tốt, đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Đáp ứng các giải thuật phức tạp, độ chính xác cao.
- Gọn nhẹ, lắp đặt dễ dàng.
- Thay thế hoàn toàn mạch điều khiển relay thông thường, dễ dàng đáp ứng mọi yêu cầu điều khiển.
- Hỗ trợ các chuẩn mạng truyền thông công nghiệp, tạo sự kết nối và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị trong và ngoài nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp 4.0.
Giá thành cao: Chi phí sản phẩm cao hơn so với chi phí mạch relay thông thường. Tuy nhiên, hiện nay thị trường VN đã có mặt rất nhiều hãng PLC của Đức, Nhật Bản,
Mỹ, Trung Quốc… dẫn đến giá thành cạnh tranh hơn so với trước.
Chi phí phần mềm lập trình: Chi phí mua licence phần mềm lập trình tùy thuộc vào hãng sản xuất Hiện nay có 2 dạng: hãng sản xuất cho phép sử dụng miễn phí và hãng sản xuất yêu cầu mua licence.
Yêu cầu người sử dụng có kiến thức về lập trình PLC: Để thiết bị PLC đáp ứng tốt trong điều khiển, người sử dụng cần có kiến thức căn bản về lập trình PLC.
Vai trò của PLC trong hệ thống tự động hóa:
Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang đặt ra thách thức không nhỏ đối với các doanh nghiệp Trong dây chuyền sản xuất của doanh nghiệp, PLC không đơn thuần là thiết bị điều khiển đáp ứng về logic và tốc độ mà còn về truyền thông, trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điều khiển khác, tạo nên một mạng lưới khép kín.
Bộ PLC S7 1200 của hãng siemens.
Hình 2 2 Bộ điều khiển PLC S7 1200
Bộ điều khiển CPU S7-1200 DC/DC/DC cung cấp sự linh hoạt và sức mạnh để kiểm soát nhiều loại thiết bị hỗ trợ cho nhu cầu tự động hóa của bạn Thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và bộ hướng dẫn mạnh mẽ kết hợp để biến S7-1200 thành một giải pháp hoàn hảo để kiểm soát nhiều ứng dụng.
CPU PLC S7-1200 DC/DC/DC kết hợp bộ vi xử lý, mạch cấp nguồn, đầu vào và đầu ra tích hợp, PROFINET tích hợp, I / O điều khiển chuyển động tốc độ cao và đầu vào tương tự trên bo mạch trong vỏ nhỏ gọn để tạo ra bộ điều khiển mạnh mẽ.
CPU PLC S7-1200 DC/DC/DC cung cấp cổng PROFINET để truyền thông qua mạng PROFINET Các mô-đun bổ sung có sẵn để liên lạc qua các mạng PROFIBUS, RS485 hoặc RS232.
Với CPU PLC S7-1200 DC/DC/DC:
Đối với đầu vào là Sink, kết nối cổng M với chân âm (-)
Đối với đầu vào là Source, kết nối cổng M với chân dương (+)
Đầu vào là nguồn điện 24V DC
Sơ đồ đấu ngõ vào ngõ ra của PLC 1212C DC/DC/DC
Hình 1 10 Sơ đồ đấu nối PLC S7 1200Bảng 2 1 Thông số kĩ thuật của CPU 1212C DC/DC/DC
Mã sản phẩm 6ES7212-1BE40-0XB0
Số lượng đầu vào/ra 8/6 Đầu vào/đầu ra 24/24V DC
Bộ nhớ chương trình/ dữ liệu 75KB
Động cơ bước
- Sử dụng động cơ bước trong hệ thống có tác dụng làm quay trục vitme để dẫn động cơ cấu gắp chai, cơ cấu bàn trượt khay.
Step Motor là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Rotor và có khả năng cố định Rotor vào những vị trí cần thiết. Ưu điểm của Stepper Motor:
Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò…) có thể gây nguy hiểm.
Tạo được mômen giữ: Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhờ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.
Điều khiển vị trí theo vòng hở:
Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của rotor theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).
Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được) Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.
Nguyên lý điều khiển động cơ bước (Step Motor):
Stepper Motor không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từng bước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờ các bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rotor tương ứng với số lần chuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Phương pháp để điều khiển động cơ bước:
Điều khiển động cơ bước dạng sóng (Wave): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cho bộ điều khiển, hoạt động lần lượt theo đúng thứ tự nhất định cho từng cuộn dây pha.
Điều khiển động cơ bước đủ (Full step): Đây là phương pháp điều khiển cấp xung cùng lúc, đồng thời cho cả 2 cuộn dây pha được sắp xếp kế tiếp nhau.
Điều khiển động cơ nửa bước (Half step): Chính là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ Khi điều khiển động cơ theo phương pháp này thì giá trị của góc bước nhỏ hơn 2 lần và số bước của động cơ bước cũng sẽ tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bằng động cơ bước đủ Tuy nhiên, phương pháp điều khiển này có bộ phát xung điều khiển vô cùng phức tạp.
Điều khiển động cơ vi bước (Microstep): Đây là phương pháp mới, chỉ được áp dụng trong quá trình điều khiển động cơ bước Từ đó, cho phép động cơ bước dừng lại và định vị trong khoảng vị trí nửa bước chính giữa 2 bước đủ.
Bảng 2 2: Thông số động cơ bước
Mạch driver động cơ bước TB6600
- Nhận xung điều khiển từ bộ điều khiển PLC.
- Nhân xung và khuếch đại công suất để điều khiển động cơ bước.
Driver điều khiển động cơ bước TB6600 sử dụng IC TB6600HQ/HG dùng cho các loại động cơ bước: 42/57/86 2 phase và 4 Phase với dòng tải là 4A/42VDC Driver có chất lượng tốt, độ bền và độ ổn định cao, là loại thường được sử dụng nhất trong máy Cắt Laser, máy CNC,…
Hình 2 4 Driver TB6600 cho động cơ Step Ưu điểm:
Có sẵn các domino giúp cho việc đấu dây được dễ dàng hơn.
Có thể mắc nối tiếp điện trở có giá trị 2k Ohm vào chân PTO của PLC để có thể điều khiển được động cơ bước bằng PLC.
Có thể dễ dàng chỉnh dòng điện cho động cơ bước bằng các công tắc có sẵn trên driver, rất tiện lợi và dễ dàng.
Có giá thành đắt hơn các loại driver khác nhưng số tiền chênh lệch là không quá lớn.
Điều khiển phức tạp hơn
Nối dây cho driver TB6600:
DC+: Nối với nguồn điện từ 9 – 42VDC.
DC-: Nối với điện áp âm của nguồn.
A+ và A-: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước.
B+ và B-: Nối vào cặp cuộn dây còn lại của động cơ bước.
PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5V) cho TB6600.
PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) cho TB6600.
DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5V) cho TB6600 Mắc dây tương tự như chân PUL+ nếu tín hiệu điều khiển là +24V.
DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) cho TB6600.
ENA+ và ENA-: Tín hiệu cho phép.
- Kẹp sản phẩm: sử dụng xy lanh kẹp.
- Nâng hạ tay kẹp sản phẩm: sử dụng xy lanh 2 ty.
- Xy lanh trượt: chứa khay đựng sản phẩm.
Khái niệm về xy lanh khí nén:
Xi lanh khí nén hay còn gọi là ben khí nén, xi lanh khí là một thiết bị cơ học, sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra lực cung cấp cho chuyển động Xi lanh khí nén giúp chuyển hóa năng lượng của khí nén thành động năng, tác dụng làm piston của xi lanh chuyển động, thông qua đó truyền động đến thiết bị hoạt động Bởi vì khí nén có khả năng nở rộng, không có sự xuất hiện của năng lượng đầu vào từ bên ngoài
Nguyên lý hoạt động của xy lanh:
Khi được kích thích, không khí nén vào thành ống với một đầu của piston và do đó sẽ chiếm không gian trong xy lanh Lượng khí này lớn dần sẽ làm piston di chuyển, khi piston di chuyển sẽ sinh ra công và làm thiết bị bên ngoài hoạt động.
Lựa chọn xy lanh sử dụng trong hệ thống:
Bảng 2 3 Thông số xy lanh 2 ty
Dạng năng lượng cung cấp Khí nén Áp suất tối đa khi vận hành 0.7 Mpa Áp suất tối thiểu khi vận hành 0.1 Mpa
Hành trình 70 mm và 50 mm
Thông số xy lanh kẹp.
Bảng 2 4 Thông số xy lanh kẹp
Dạng năng lượng cung cấp Khí nén Áp suất tối đa khi vận hành 0.7 Mpa Áp suất tối thiểu khi vận hành 0.1 Mpa
Thông số xy lanh trượt.
Bảng 2 5 Thông số xy lanh kẹp
Dạng năng lượng cung cấp Khí nén Áp suất tối đa khi vận hành 0.7 Mpa Áp suất tối thiểu khi vận hành 0.1 Mpa
Van điện từ khí nén 5/2
- Van điện từ nhận tín hiệu điều khiển từ PLC qua relay trung gian.
- Van điện từ có nhiệm vụ điều khiển xy lanh trong hệ thống: đó là xy lanh kẹp và xy lanh hạ.
- Các cổng của van điện từ 5/2 được cấp khí nên xy lanh mới có thể đóng mở được.
Khái niệm về van điện từ:
Van điện từ 5/2 là một loại van điện từ khí nén được sử dụng để cấp khí nén cho các hệ thống thiết bị giúp van đóng mở và các hệ thống hoạt động Van điện từ 5/2 sử dụng để lắp đặt trên các đầu khí nén van bi khí nén, van bướm khí nén, xy lanh khí, thiết bị khí nén với chức năng đóng mở cấp khí nén.
Cấu tạo của van điện từ 5/2:
Gồm hai phần chính gồm coil và thân van:
Phần coil điện: Là nơi tiếp nhận nguồn điện từ bên ngoài, cho phép van hoạt động. Tùy 2 nguồn điện mà có thể chọn loại coil điện cho phù hợp: nguồn AC hoặc nguồn
Phần thân van: Cấu tạo gồm 5 cửa và 2 vị trí được đánh dấu lần lượt A, B, R, P, S với nhiệm vụ:
- P: Nơi đưa nguồn khí nén vào.
- A và B: là vị trí kết nối trực tiếp với xylanh, đưa áp suất đến xy lanh giúp xy lanh hoạt động.
Nguyên lý hoạt động của van điện từ:
Khi có nguồn điện sẽ sinh ra lực từ trường Lực này sẽ hút trục van chuyển động dọc trục và khiến cho các cửa van được mở ra để cho khí nén thông cửa Hoạt động này giúp cho van có thể thực điện nhiệm vụ cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiết bị cần hoạt động.
Khi van nằm ở trạng thái bình thường hay còn gọi là ở trạng thái van đóng thì cửa số
1 sẽ được thiết kế thông với cửa số 2 Trong khi đó thì cửa số 4 sẽ được thông với cửa số 5. Nhưng khi van được cấp khí nén khiến cho van nằm trong tình trạng được mở hoàn toàn thì sẽ có sự thay đổi bắt đầu từ cửa số 1 và số 4 Ở đây sẽ xảy ra hiện tượng đảo chiều và khiến cho cửa số 1 thông với cửa số 4 Trong khi đó thì cửa số 2 thông với cửa số 3 Riêng cửa số
Lựa chọn van điện từ
Bảng 2 6 Thông số van điện từ
Số cổng 15 cổng 2 vị trí Áp suất hoạt động 0.15-0.8 Mpa Nhiệt độ hoạt động -10-70 o C
Băng tải
- Băng tải sử dụng trong hệ thống có mục đích vận chuyển hàng.
- Băng tải được điều khiển qua relay trung gian khi có tín hiệu điều khiển từ PLC Động cơ băng tải sử dụng trong hệ thống: động cơ điện 1 chiều
Khái niệm về động cơ một chiều: Động cơ một chiều DC (DC là từ viết tắt của Direct Current Motors) là động cơ được điều khiển bằng dòng có hướng xác định hay nói cách khác thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp 1 chiều.
Cấu tạo và phân loại động cơ điện 1 chiều:
- Stator: là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện.
- Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện.
- Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp.
- Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho các cuộn dây trên rotor Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây trên rotor.
Căn cứ vào phương pháp kích từ, có thể chia động cơ điện 1 chiều thành những dòng chính như sau:
- Động cơ điện 1 chiều kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.
- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp.
- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song.
- Động cơ điện 1 chiều kích từ hỗn hợp bao gồm 2 cuộn dây kích từ, 1 cuộn được mắc nối tiếp với phần ứng, 1 cuộn được mắc song song với phần ứng.
Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện 1 chiều:
Stato của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện, rotor gồm có các cuộn dây quấn và được kết nối với nguồn điện một chiều.Một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều chính là bộ phận chỉnh lưu, bộ phận này làm nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường, bộ phận này sẽ có 2 thành phần: một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp
Nếu trục của động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài thì động cơ này sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một suất điện động cảm ứng Electromotive force Khi vận hành ở chế độ bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một điện áp được gọi là sức phản điện động counter-EMF hoặc sức điện động đối kháng, vì nó đối kháng lại với điện áp bên ngoài đặt vào động cơ Sức điện động này sẽ tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ sử dụng như một máy phát điện Như vậy điện áp đặt trên động cơ sẽ bao gồm 2 thành phần: sức phản điện động và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phản ứng Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện 1 chiều Ưu điểm của động cơ điện 1 chiều:
Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt.
Bền bỉ, tuổi thọ lớn.
Nhược điểm của động cơ điện 1 chiều:
Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận, thường xuyên.
Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguy hiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ.
Giá thành đắt mà công suất không cao.
Lựa chọn động cơ cho băng tải
Hình 2 9 Động cơ JBG 52 Bảng 2 7 Thông số kỹ thuật động cơ băng tải
Model JBG37 Điện áp định mức 12 VDC
Công suất 12W Đường kính trục 10 mm
Chiều dài động cơ 67 mm
Relay trung gian
- Relay trung gian có nhiệm vụ cách ly mạch điều khiển và khuếch đại công suất.
- Relay sử dụng trong hệ thống để điều khiển thiết bị sau: Băng tải, van điện từ.
Khái niệm về relay trung gian:
Relay trung gian là loại thiết bị có chức năng chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng với kích thước nhỏ Thiết bị được lắp đặt ở vị trí trung gian nằm giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn hơn.
Cấu tạo của rơ le trung gian:
- Cuộn hút nam châm điện.
- Mạch tiếp điểm mạch lực.
Nam châm điện: Bao gồm lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây.Cuộn dây được dùng để cuộn cường độ, điện áp hoặc cuộn cả điện áp lẫn cường độ Trong đó, lõi thép động được định vị bằng vít điều chỉnh găng bởi lò xo.
Tiếp điểm: Bao gồm tiếp điểm nghịch có vai trò đóng cắt tín hiệu thiết bị tải với dòng nhỏ được cách ly với cuộn hút.
Nguyên lý hoạt động của relay trung gian:
Khi dòng điện chạy qua rơ le trung gian, đi tới cuộn dây của nam châm điện, tạo thành từ trường hút Từ trường tác động để đóng hoặc mở tiếp điểm điện Từ đó làm thay đổi trạng thái đóng mở của rơ le trung gian Tùy vào thiết kế mà số tiếp điểm điện sẽ thay đổi khác nhau.
Relay trung gian có 2 mạch hoạt động độc lập Một mạch sẽ điều khiển cuộn dây relay để dòng chảy có thể đi qua cuộn dây hoặc không đi qua Mạch còn lại sẽ điều khiển dòng điện để xem xét dòng điện có thể đi qua relay được hay không.
Lựa chọn relay trung gian cho hệ thống
Bảng 2 8 Thông số relay trung gian
Kích thước 4 x 2 x 3 cm Điện áp cuộn hút 24 VDC Dòng qua các tiếp điểm 5A
Số cặp tiếp điểm 4 NO
Khối nguồn tổ ong
- Nguồn tổ ong cấp điện cho tất cả thiết bị điện: Cấp điện cho bộ điều khiển PLC, Cấp điện cho driver động cơ bước, relay trung gian, van điện từ, cảm biến.
Khái niệm về nguồn tổ ong:
Nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch điện tử kết hợp với một biến áp xung.
Nguồn tuyến tính thường rất nặng, cồng kềnh và tốn vật liệu nên không còn được sử dụng nhiều trong một vài trường hợp (vì nguồn tuyến tính có một vài ưu điểm tốt mà nguồn xung không bao giờ đạt được, nguồn xung luôn tạo ra sóng hài làm ảnh hưởng xấu tới chất lượng lưới điện)
Cấu tạo nguồn tổ ong:
Hình 2 11 Sơ đồ nguyên lý nguồn tổ ong
– Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quấn trên một lõi từ giống như biến áp thông thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp thường sử dụng lõi thép kỹ thuật điện Với cùng một kích thước thì biến áp xung cho công suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần Ngoài ra biến áp xung hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.
– Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch.
– Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung.
– Sò công suất: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một công tắc chuyển mạch , đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho xuống mass.
– Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sò công suất thì xuất hiện từ trường biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc (tụ điện) thứ cấp để san phẳng điện áp.
– IC quang và IC TL431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế dao động đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt yêu cầu.
Chức năng, ưu nhược điểm của nguồn tổ ong:
– Nguồn tổ ong được sử dụng rộng rãi trong mọi hoạt động sinh hoạt và sản xuất Bộ nguồn này luôn mang lại hiệu suất tối đa cho công nghệ LED hiện đại
– Nguồn tổ ong được dùng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp và dân dụng như lắp đặt tủ điện, lắp đèn, camera giám sát, máy tính, loa đài…hoặc bất cứ thiết bị nào sử dụng nguồn một chiều có thông số tương ứng Nguồn tổ ong thường được dùng trong các mạch ổn áp, cung cấp dòng áp đủ tránh trường hợp dòng ảnh hưởng tới mạch, sụt áp.
– Bộ nguồn này có các công dụng nổi bật như chỉnh lưu, biến tần, nắn dòng,…nhằm làm dòng điện, điện áp, tần số dao động ổn định Không những có vai trò quan trọng, nguồn tổ ong làm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện lâu hơn. Ưu nhược điểm của nguồn tổ ong: Ưu điểm:
- Giá thành rẻ, gọn, nhẹ dễ tích hợp, dễ tùy biến lắp đặt cho những thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao.
+ Chế tạo đòi hỏi kỹ thuật cao, thiết kế phức tạp.
+ Việc sửa chữa gặp nhiều khó khăn nếu không nắm vững nguyên lý hoạt động của nguồn. + Nguồn tổ ong thông thường có khả năng chống nước rất kém nên cần chú ý không để bị nước vào gây hỏng nguồn.
+ Riêng với Led nhà xưởng, Led công suất cao, hoặc những môi trường hoạt động khắc nghiệt thì nguồn tổ ong sẽ không đáp ứng được lâu dài, 1 loại nguồn chuyên dụng khác là Led Driver sẽ được áp dụng thay thế.
Bảng 2 9 Thông số nguồn tổ ong 24V
Model S-120-24 Điện áp đầu vào 110V/220V AC Điện áp đầu ra 24VDC
Chất liệu vỏ Kim loại
Cảm biến quang
Cảm biến quang sử dụng trong việc phát hiện sản phẩm ở băng tải và phát hiện khay hàng ở vị trí sẵn hàng thả phôi.
Khái niệm về cảm biến quang:
Cảm biến quang điện là một thiết bị được sử dụng để xác định khoảng cách, sự vắng mặt hoặc sự hiện diện của một đối tượng bằng cách sử dụng bộ phát ánh sáng, thường là tia hồng ngoại và bộ thu quang điện.
Cấu tạo của cảm biến quang:
Cảm biến quang được chia thành nhiều loại, với đặc điểm có đôi chút khác biệt Về cơ bản thì 1 cảm biến quang sẽ bao gồm 3 thành phần chính sau đây:
- Bộ phận phát ánh sáng:
Bộ phận phát sáng trong cảm biến quang có chức năng phát ra ánh sáng dạng xung để giúp cảm biến phân biệt nguồn sáng từ cảm biến và các nguồn khác Tùy vào từng nhà sản xuất, bộ phận phát sáng sẽ được thiết kế với tần số ánh sáng riêng biệt để đảm bảo tính độc đáo và hiệu quả của sản phẩm Bên cạnh đó, bộ phận phát sáng còn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến quang, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp tự động hóa.
- Bộ phận thu ánh sáng:
Bộ phận thu sáng có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng và sau đó truyền tín hiệu đến bộ phận xử lý.
- Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:
Bộ phận xử lý tín hiệu trong cảm biến quang có chức năng tiếp nhận tín hiệu từ bộ phận thu sáng và chuyển đổi tín hiệu theo tỉ lệ tranzito thành chế độ ON/OFF Khi mức độ ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt Ở thế hệ trước, một số loại cảm biến quang tích hợp mạch nguồn và sử dụng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay), nhưng hiện nay các loại cảm biến quang chủ yếu sử dụng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) để đảm bảo tính độc lập và hiệu quả cao.
Ngoài ra, một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo và đếm trong các quy trình sản xuất và kiểm soát tự động.
Cảm biến có hai trạng thái khi hoạt động là có vật cản và không có vật cản Khi không có vật cản, hai thiết bị phát và thu ánh sáng sẽ hoạt động liên tục với nhau Tuy nhiên, khi có vật cản, cảm biến vẫn phát ánh sáng nhưng do có vật cản nằm giữa, thiết bị thu sẽ không thu được ánh sáng Nhờ đó, vật thể được xác định.
Lựa chọn cảm biến quang cho hệ thống.
Hình 2 12 Cảm biến quang Omron Bảng 2 10 Thông số cảm biến quang
Khoảng cách phát hiện 5-30cm
Dòng kích ngõ ra 300mA
Cơ cấu vitme
Sử dụng để di chuyển tay gắp sản phẩm
Vít me bi là một cơ cấu chấp hành trượt dẫn hướng chuyển đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với lực ma sát rất thấp giữa các bộ phận.Các viên bi di chuyển tuần hoàn bên trong trục và đai ốc trượt có rãnh dạng xoắn ốc, hoạt động với độ chính xác cao Cơ cấu vít me có thể sử dụng trong trường hợp tải lớn Việc chế tạo đảm bảo dụng sai rất thấp để có thể sử dụng cho các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao Các viên bi hoạt động khớp với đai ốc trượt và các rãnh xoắn ốc trên cây vít.
Hình 2 13 Cơ cấu vitme bi Đặc điểm của trục vitme:
- Độ chính xác cao, nhẹ nhàng, không gây tiếng ồn
- Có khả năng chuyển động liên tục, ổn định trong thời gian dài.
- Cơ cấu trục vít me đai ốc chuyển động ít ma sát.
- Có khả năng chống mòn, chống gỉ hiệu quả, tuổi thọ cao.
Các thông số liên quan đến vitme:
Bước vitme: khoảng cách đai ốc trượt di chuyển được khi vít me quay một vòng.
Ví dụ: Vít me bước 5mm quay 1000 vòng sẽ đi được một khoảng cách: 5mm/vòng x
Độ lỏng: Đây là khoảng di chuyển trục giữ đai ốc trượt và vít me khi nó không xoay.
Đường kính vòng bi: là đường kính của đường tròn được tạo ra bởi tâm của các viên bi khi đã lắp ráp vào vít me và đai ốc trượt.
Đầu mối ren: là số lượng ren độc lập trên cùng một trục vít me Các trục thường có 1,
2 hình thành dạng xoắn bao quanh trục Bước ren nhân với số đầu mối ren sẽ bằng với bước tiến.
Khả năng tải và tuổi thọ: tải trọng khi sử dụng vít me bi ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải và tuổi thọ của vitme.
Khử hành trình chết: Hành trình chết tồn tại khe hở bên trong vít me Tải trước là cách để khử hành trình chết và lực ma sát nhỏ nhất giúp tăng tuổi thọ cho vít me bi. Đây cũng là cách giúp đảm bảo độ chính xác bước vít me bi.
Ray trượt MGN12C (1 ray trượt) Đường kính vitme (Đường kính 10mm, bước 2mm) Đầu trục vitme (Nối với động cơ) 6 mm
Size động cơ phù hợp Step motor 57, Step motor 42
Nút nhấn
- Sử dụng để chạy dừng hệ thống.
- Chạy hệ thống: nút nhấn Start.
- Dừng hệ thống: nút nhấn Stop.
Khái niệm về nút nhấn:
Nút nhấn tủ điện là một loại khí cụ dùng để đóng/ngắt các thiết bị điện, máy móc hoặc một số loại quá trình trong điều khiển.
- Cấu tạo của nút nhấn gồm: hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở (NO) – thường đóng (NC) và vỏ bảo vệ. Đối với nút nhấn nhả: Các tiếp điểm sẽ chuyển trạng thái khi có lực tác động vào nút ấn. Ngược lại, tiếp điểm sẽ trở lại trạng thái ban đầu khi không còn lực tác động vào nút ấn. Đối với nút nhấn giữ: Các tiếp điểm sẽ chuyển trạng thái khi có lực tác động vào nút nhấn. Khi không còn lực tác động vào nút ấn, trạng thái tiếp điểm vẫn duy trì, tác động lực vào nút nhấn thêm một lần nữa để tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu.
Hình 2 14 Nút nhấn Bảng 2 12 Thông số nút nhấn
Nút nhấn Dạng nhấn nhả,có đèn báo
Công suất tiếp điểm Ui ACf0V,IthA
Công tắc hành trình
- Giới hạn hành trình trục vitme.
- Giới hạn hành trình có chức năng giúp động cơ bước dừng lại và xác định điểm gốc cho trục vitme.
Hình 2 15 Công tắc hành trình Bảng 2 13 Thông số công tắc hành trình
Loại SS-5GL Điện áp chịu được 550VDC
Tần số đóng cắt 60 lần/ phút
- Tìm hiểu về thiết bị sử dụng trong hệ thống.
- Đưa ra cấu tạo, nguyên lý làm việc của thiết bị.
- Phân tích ưu nhược điểm của thiết bị.
- Đưa ra thông số kỹ thuật của thiết bị.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRẠM XẾP PHÔI TỰ ĐỘNG
Sơ đồ tổng quan của hệ thống
3.1.1 Sơ đồ thiết bị trong hệ thống.
Hình 3 1 Sơ đồ thiết bị trong hệ thống
Khối nguồn – cung cấp các dải điện áp để làm cho toàn bộ hệ thống hoạt động cụ thể như sau:
- Điện 220V AC: cấp nguồn cho laptop và cho nguồn tổ ong Đầu ra của nguồn tổ ong là điện 24V.
- Điện 24V DC: cấp nguồn cho cảm biến, bộ điều khiển PLC, Driver động cơ bước.
Khối tín hiệu đầu vào bao gồm các tín hiệu đầu vào của cảm biến quang, công tắc hành trình, nút bấm.
Khối điều khiển của hệ thống sẽ tiếp nhận tín hiệu từ đầu vào để xử lý và đưa ra tín hiệu điều khiển cho hệ thống Để thực hiện được cần phải có những thiết bị sau:
- Khối đầu vào gồm: nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình gửi tín hiệu về PLC
- Khối công suất – nhận tín hiệu điều khiển từ bộ xử lý trung tâm, bao gồm bộ Driver, Relay trung gian điều khiển van điện từ và băng tải.
- Hệ thống xây dựng gồm 2 chế độ: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay
Chế độ điều kiển auto:
Sơ lược về nguyên tắc làm việc:
Băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí gắp vật Khi cảm biến quang phát hiện vật thì băng tải sẽ dừng lại Cơ cấu xy lanh gắp vật hạ xuống khi chạm cảm biến hành trình dưới của xy lanh thì xy lanh kẹp tác động để kẹp vật Sau đó xy lanh nâng lên chạm cảm biến hành trình trên của xy lanh thì trục vitme hoạt động đưa vật đến vị trí đã được đặt trước.
Khi đến vị trí đã đặt xy lanh sẽ hạ xuống chạm cảm biến hành trình dưới của xy lanh thì xy lanh kẹp sẽ nhả ra đặt vật vào khay Sau khi nhả vật xy lanh sẽ nâng lên đến khi cảm biến hành trình trên thì trục vitme sẽ chạy về điểm gốc để bắt đầu gắp sản phẩm tiếp theo.
Khi đủ 3 sản phẩm/khay thì xy lanh dưới sẽ đẩy khay chứa sản phẩm ra rồi rút về để cấp tiếp khay mới vào.
Chu trình hoạt động liên tục khi nào nhấn nút stop thì sẽ dừng hoạt động.
Chế độ điều khiển bằng tay: Ở chế độ này có thể điều khiển độc lập các thiết bị như: băng tải, xy lanh chạy dừng.Mục đích để kiểm tra xem các thiết bị có hoạt động hay không.
Thiết kế phần điện điều khiển
3.3.1 Mạch đi dây động cơ bước.
Hình 3 2 Mạch đi dây động cơ bước
3.3.2 Mạch đi dây van điện từ.
Hình 3 3 Mạch đi dây van điện từ
3.3.3 Sơ đồ đấu nối PLC với thiết bị.
Hình 3 4 Mạch sơ đồ đấu nối PLC với thiết bị
3.3.4 Sơ đồ đấu nối xy lanh.
Hình 3 5 Sơ đồ đấu nối xy lanh
Lưu đồ thuật toán
3.4.1 Lưu đồ thuật toán 2 chế độ điều khiển tự động và điều khiển bằng tay.
Hình 3 6 Lưu đồ thuật toán 2 chế độ
Hình 3 7 Lưu đồ thuật toán chế độ điều khiển bằng tay băng tải và xy lanh
Hình 3 8 Lưu đồ điều khiển bằng tay động cơ bước
Hình 3 9 Lưu đồ thuật toán chế độ điều khiển tự động
3.4.2 Phân công đầu ra, đầu vào
Bảng 3 1 Phân công đầu vào
I0.0 : START Q0.0 : Chân xung động cơ bước
I0.1 : DỪNG KHẨN CẤP Q0.1 : Chân hướng động cơ bước
I0.3 : CẢM BIẾN QUANG 1 Q0.3 : Xy lanh hạ
I0.4 : CẢM BIẾN QUANG 2 Q0.4 : Xy lanh trượt
I0.5 : Công tắc hành trình Q0.5: Băng tải
Giới thiệu phần mềm TIA PORTAL V17
TIA Portal viết tắt của Totally Integrated Automation Portal là một phần mềm tổng hợp của nhiều phần mềm điều hành quản lý tự động hóa, vận hành điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tự động hóa đầu tiên, có sử dụng chung 1 môi trường/ nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống.
TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng.
- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát.
- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống.
- Tích hợp mô phỏng hệ thống.
- Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens.
3.5.1 Kết nối PLC với PC qua giao thức TCP/IP
- Để lập trình SIMATIC S7-1200 từ PC hay Laptop cần một kết nối TCP/IP.
- Để PC và SIMATIC S7-1200 có thể giao tiếp với nhau, điều quan trọng là các địa chỉ IP của cả hai thiết bị phải phù hợp với nhau.
Khởi động và nạp chương trình trên TIA PORTAL cho S7 1200:
Hình 3 10 Biểu tượng phần mềm lập trình
Click mở file “TIA Portal V17” trên Desktop của máy tính:
- Click vào “Create new project” - Project name: Tên của chương trình cần lưu
- Path: Chọn đường dẫn để lưu chương trình - Click vào “Create”:
- Click vào “Add new device”:
- Chọn Click PLC/Simatic S7-1200/CPU/”CPU 1212C DC/DC/DC”/6ES7 212-1AE40- 0XB0
Hình 3 12 Chọn CPU 1214 DC/DC/DC
Bước 4: Mở giao diện phần mềm Tia Portal
Hình 3 13 Giao diện phần mềm TIA Portal Lập trình ở chương trình chính OB
Hình 3.14 Giao diện lập trình OB
Bước 6: Download và connect với PLC thật.
3.5.2 Các câu lệnh sử dụng
Bảng 3 2 Câu lệnh sử dụng
Kí hiệu Khai báo Kiểu dữ liệu Mô tả
IN BOOL Tiếp điểm thường mở
IN BOOL Tiếp điểm thường đóng
OUT BOOL Lệnh set được tác động thì địa chỉ ngõ ra được đặt lên 1.
OUT BOOL Lệnh reset được tác động thì địa chỉ ngõ ra được tác động về 0
IN BOOL Nhận biết xung cạnh lên tín hiệu đầu vào
IN BOOL Nhận biết xung cạnh xuống tín hiệu đầu vào
Là khối hàm tổ chức của PLC, được hệ điều hành gọi theo chu kì và là giao diện giữa chương trình và hệ điều hành.
Các khối hàm OB là khối hàm tổ chức trong PLC S7 1200, gồm một số các khối chính:
- Program Cycle OB: Khối vòng quét chương trình được thực hiện khi PLC ở chế độ RUN
- Startup OB: Khối khởi động thực hiện 1 lần khi PLC chuyển từ chế độ STOP sang chế độ RUN
- Time delay interrupt: Khối ngắt thời gian trễ thực hiện sau một khoảng thời gian trễ định trước của một sự kiện (khối OB20)
- Cyclic interrupt: Khối ngắt theo chu kỳ thực hiện cứ sau một khoảng thời gian nhất định (ví dụ: OB30)
- Hardware interrupt: Khối ngắt phần cứng thực hiện khi có sự kiện ngắt đầu vào hoặc ngắt do bộ đếm tốc độ cao (khối OB40)
- Time error interrupt: Khối ngắt lỗi thời gian thực hiện khi có lỗi về thời gian thực hiện vòng quét của PLC hoặc khi xảy ra lỗi liên quan đến bộ định thời Timer (khối OB80)
- Diagnostic interrupt: Khối ngắt chuẩn đoán thực hiện khi có một số lỗi phía bên ngoài xảy ra (khối OB82)
Là một khối mã mà thông thường nó thực hiện một sự vận hành đặc trưng trên một hệ thống các giá trị ngõ vào FC lưu trữ các kết quả của hoạt động này trong vùng nhớ.
Một FC có thể được gọi nhiều lần tại các thời điểm khác nhau trong một chương trình Việc sử dụng này làm đơn giản hóa sự lập trình của các tác vụ.
Một FC không có khối mã dữ liệu DB liên quan FC sử dụng nhóm dữ liệu tạm thời được sử dụng để tính toán Dữ liệu tạm thời không được lưu lại.
Hình 3 18 FB (Function Data Block) Khối hàm FB là một khối mã sử dụng một khối dữ liệu mẫu DB cho các thông số và dữ liệu tĩnh của nó Các FB có bộ nhớ biến được đặt trong khối dữ liệu DB.
Hình 3 19 DB (Data Block)Khối dữ liệu DB chương trình để lưu trữ dữ liệu cho các khối mã Tất cả các khối chương trình đều có thể truy xuất dữ liệu trong một DB toàn cục, nhưng một DB mẫu thì chỉ lưu trữ dữ liệu cho một khối hàm FB đặc trưng.Các dữ liệu được lưu trữ trong một DB sẽ không bị xóa khi thực thi của khối mã có liên quan kết thúc.
3.5.3 Phần mềm điều khiển và giám sát
Giới thiệu chung về WINCC
Hình 3 20 Biểu tượng WinCC WinCC là phần mềm tích hợp giao diện người - máy HMI đầu tiên cho phép kết hợp phần mềm điều khiển với quá trình tự động hoá Những thành phần dễ sử dụng của WinCC giúp tích hợp những ứng dụng mới hoặc có sẵn mà không gặp bất kỳ trở ngại nào Đặc biệt với WinCC, người sử dụng có thể tạo ra một giao diện điều khiển giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hoá một cách dễ dàng.
Phần mềm có thể trao đổi trực tiếp với nhiều loại PLC của các hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Omron được cài đặt trên máy và tính giao tiếp với PLC thông qua bộ chuyển đổi từ chuẩn RS-232 sang chuẩn RS-485 của PLC tới cổng USB của máy tính
WinCC có đặc tính mở, có thể sử dụng một cách dễ dàng với các phần mềm chuẩn và phần mềm của người sử dụng, tạo nên giao diện người-máy đáp ứng nhu cầu thực tế một cách chính xác Những nhà cung cấp hệ thống có thể phát triển ứng dụng thông qua giao diện mở của WinCC như một nền tảng để mở rộng hệ thống.
Ngoài khả năng thích ứng cho việc xây dựng các hệ thống có quy mô lớn nhỏ khác nhau, WinCC còn có thể dễ dàng tích hợp với những hệ thống cấp cao như MES (Manufacturing Excution System - Hệ thống quản lý việc thực hiện sản xuất) và ERP (Enterprise Resourse Planning) WinCC cũng có thể sử dụng trên cơ sở quy mô toàn cầu nhờ hệ thống trợ giúp của Siemens có mặt trên khắp thế giới.
3.5.4 Thiết lập project trên WINCC
Bước 1: Lựa chọn thiết bị giám sát.
Ta mở một project mở bằng cách kích vào Add new device, chọn thiết bị giám sát PC systems, rồi lại chọn SIMATIC HMI application, rồi chọn WinCC RT Advanced Cuối cùng ta ấn OK.
Hình 3 21 Thiết lập project trên WINCC
Bước 2: Chọn loại truyền thông để kết nối giữa WinCC và PLC S7-1200 Trong hộp thoại này ta chọn module truyền thông là Profinet/Ethernet để kết nối.
Hình 3 22 Chọn loại truyền thông để kết nối giữa WinCC và PLC S7-1200
Tiếp đó ta kích chuột chọn Network view, kéo dây kết nối từ hai cổng kết nối network của PLC và PC-System để kết nối với nhau.
Hình 3 23 Kết nối network của PLC và PC-System để kết nối với nhau
Bước 3: Vào màn hình WINCC
Trong hộp thoại Devices, ta tìm mục PC Systems, HMI_RT_1, Screens để vào màn hình.
Hình 3 24 Vào màn hình WINCC
Giao diện giám sát và điều khiển
Hình 3 25 Giao diện giám sát và điều khiển
