nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển plc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHENIKAA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC Sinh viên: Phan Xuân

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

Giới thiệu chung

2.1.1 Sơ lược về bộ điều khiển PLC a) Khái niệm chung về bộ điều khiển PLC

PLC là chữ viết tắt của cụm từ tiếng anh: Programable Logic Controller, nghĩa là bộ điều khiển logic khả trình Theo trang web Wikipedia, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) là một máy tính công nghiệp đã được thiết kế chắc chắn và thích ứng để điều khiển các quy trình sản xuất, chẳng hạn như dây chuyền lắp ráp, máy móc, thiết bị robot hoặc bất kỳ hoạt động nào đòi hỏi độ tin cậy cao, dễ lập trình và quá trình chẩn đoán lỗi b) Lịch sử phát triển

Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) ra đời vào năm 1968 do các kỹ sư của hãng General Motors, Mỹ sáng chế với mục đích thay thế các mạch relay và thiết bị rời rạc cồng kềnh Trong những năm gần đây, PLC được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Việt Nam, trở thành giải pháp tối ưu cho việc tự động hóa các quy trình sản xuất PLC vượt trội so với các thiết bị điều khiển trước đây nhờ những ưu điểm vượt trội.

- Dễ trong việc lập trình, thay đổi chương trình điều khiển;

- Cấu trúc dạng module dễ bảo trì và sửa chữa;

- Làm việc tin cậy trong môi trường sản xuất của nhà máy công nghiệp;

- Dùng linh kiện bán dẫn nên có kích thước nhỏ hơn mạch relay, với chức năng tương đương;

- Cấu trúc nhỏ gọn và giá thành ngày càng thấp

Có nhiều hãng sản xuất PLC như Mitsubishi, Siemens, Allen - Bradley, Omron, General Motor, GE Fanuc, Modicon, Tele Monanique Nhưng đối với PLC của Mitsubishi thường được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau nhờ vào tính linh hoạt, độ tin cậy và hiệu suất cao của chúng Hãng Mitsubishi cung cấp một loạt các dòng sản phẩm PLC, bao gồm các dòng như:

Copies for internal use only in Phenikaa University

❖ MELSEC FX Series: Đây là dòng PLC có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các ứng dụng nhỏ và trung bình

❖ MELSEC Q Series: Dòng này được thiết kế cho các ứng dụng lớn với khả năng mở rộng và tính linh hoạt cao

❖ MELSEC L Series: Dòng PLC này được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu tính toàn diện và độ bền cao c) Ứng dụng của bộ điều khiển PLC

Hiện nay, bộ điều khiển PLC được ứng dụng rộng rãi trong quá trình sản xuất như:

- Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, xi măng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói, ;

- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng;

- Cửa công nghiệp, tự động;

- Còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác

2.1.2 Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS

Hoạt động của Modular Production System (MPS) là quá trình hoạt động linh hoạt, mỗi khâu, mỗi trạm hoạt động riêng lẻ dựa theo quá trình sản xuất trong công nghiệp, mỗi công nhân, nhân viên làm công việc tại mỗi tuyến riêng, mỗi khâu riêng, nhưng những công việc của họ làm đều đưa ra đến hoàn thành sản phẩm cuối cùng [1]

Hệ thống MPS có một số chức năng đặc biệt sau:

❖ Tính linh hoạt: MPS được thiết kế để linh hoạt và có khả năng thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi trong nhu cầu sản xuất Các module có thể được thay đổi hoặc cấu hình lại để phù hợp với nhu cầu cụ thể

Hệ thống sản xuất mô-đun (MPS) tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên thông qua việc chia nhỏ quy trình sản xuất thành các mô-đun riêng biệt, hoạt động độc lập Mô hình này cho phép sử dụng tối ưu máy móc, nhân lực và nguyên vật liệu trong toàn bộ quá trình sản xuất.

❖ Tính mở rộng: MPS cho phép tích hợp các công nghệ và quy trình sản xuất mới một cách dễ dàng bằng cách thêm hoặc thay đổi các module tương ứng

Mô hình hệ thống MPS có sử dụng bộ điều khiển PLC

Mô hình hệ thống MPS trên thị trường có một số hãng, công ty phải kể đến: Hãng Festo, Công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Hữu Hồng … được thiết kế cho tất cả những người coi trọng việc đào tạo độc lập, liên quan đến ngành và giáo dục thêm về cơ điện tử và công nghệ tự động hóa, duy trì giá trị và độ bền của thiết bị

2.2.1 Hệ thống MPS của Festo

Hệ thống MPS – 205 như trong hình 2.1 của hãng Festo được chia ra thiết kế thành 9 trạm hoạt động tuần tự Mỗi trạm được điều khiển bởi 1 PLC S7 - 300 của hãng Siemens, nó là một quá trình sản xuất liên tục, từ việc cấp phôi, gia công, lắp ráp đến phân loại sản phẩm như trong hình 2.2 gắn liền với quá trình thực tế [4]

Hình 2.1: Hệ thống MPS - 205 của hãng Festo [4]

Mô tả sơ đồ các trạm trong hệ thống MPS như trong hình 2.2:

Hình 2.2: Sơ đồ khối của các trạm [4]

Do phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn cho phép nên chỉ phân tích về chức năng, các bộ phận hình thành từ 2 trạm của hệ thống MPS – 205: trạm phân phối như trong hình 2.3, trạm phân loại như trong hình 2.4 a) Trạm phân phối

- Tách rời phôi ra khỏi ngăn chứa;

- Vận chuyển phôi sang trạm kế tiếp bằng thiết bị tay quay

❖ Các bộ phận hình thành trạm phân phối:

Hình 2.3: Trạm phân phối của hãng Festo [4] b) Trạm phân loại

- Phân biệt sản phẩm dựa vào đặc tính của các phôi (đen, màu, kim loại);

- Dẫn phôi vào các máng thích hợp tương ứng

❖ Các bộ phận hình thành trạm phân loại:

Hình 2.4: Trạm phân loại của hãng Festo [4] c) Trạm gắp và đặt

- Vận chuyển phôi đến vị trí đóng nắp, phôi được đóng lắp bằng module pick and place với đầu giác hút chân không

❖ Trạm gắp và đặt bao gồm các module sau

Hình 2.5: Trạm gắp và đặt của hãng Festo [4]

2.2.2 Hệ thống MPS của công ty cổ phần thiết bị Hữu Hồng

Mô hình đào tạo dây chuyền sản xuất tự động MPS với model HHM-335B của công ty cổ phần thiết bị Hữu Hồng cấu tạo gồm 5 trạm chức năng: cung cấp, gia công, lắp ráp, phân loại và vận chuyển Hệ thống điều khiển được tích hợp trong 4 ngăn kéo theo chuẩn công nghiệp, dễ dàng thao tác vận hành Đáng chú ý, mô hình cho phép người dùng tùy chọn PLC và biến tần từ các thương hiệu uy tín như Siemens, Omron, Panasonic

Hình 2.6: Mô hình đào tạo dây chuyền sản xuất tự động cấp của công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Hữu Hồng [5]

Sau đây, em cũng chỉ giới thiệu 3 trạm: trạm cung cấp, trạm vận chuyển, trạm phân loại phù hợp với đề tài cần thiết kế, chế tạo ra mô hình cấp phôi tự động a) Trạm cung cấp

Trạm cung cấp như trong hình 2.7 hoạt động dựa vào các xi lanh đẩy phôi và giữ phôi từ ống chứa phôi Nhiệm vụ chính của trạm là cung cấp phôi vào vị trí phôi ban đầu, giúp cánh tay của trạm vận chuyển có thể lấy phôi và chuyển sang trạm gia công

Hình 2.7: Trạm cung cấp của công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Hữu Hồng [5]

Hoạt động dựa vào động cơ AC 3 pha có giảm tốc và kết hợp với điều khiển biến tần để điều khiển tốc độ động cơ và bộ giải mã (encoder) như trong hình 2.8 để định vị vị trí của động cơ Sử dụng các loại cảm biến khác nhau và hệ thống xi lanh khí nén để thực hiện việc phân loại sản phẩm

Hình 2.8: Trạm phân loại của công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Hữu Hồng [5] c) Trạm vận chuyển

Hoạt động chủ yếu dựa vào cánh tay cơ khí được kéo bởi động cơ servo, với điều khiển vị trí chính xác, hệ thống dẫn động dịch chuyển dài như trong hình 2.9 Thông qua việc đào tạo cho học viên điều khiển động cơ AC Servo, giúp học viên hiểu thêm về công nghệ chuyển đổi tần số điều khiển tốc độ và công nghệ điều khiển vị trí là công nghệ điều khiển điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 2.9: Trạm vận chuyển của công ty cổ phần thiết bị công nghiệp Hữu Hồng [5]

So sánh PLC được sử dụng trong các hệ thống MPS

Các loại PLC sử dụng trong mô hình hệ thống MPS hiện nay được so sánh như trong bảng 2.1:

Bảng 2.1: So sánh mạch PLC trong mô hình hệ thống MPS hiện có

STT Tiêu chuẩn so sánh Hệ thống MPS - 205

Mô hình đào tạo dây chuyền sản xuất tự động

1 Tên loại PLC được sử dụng PLC S7 – 300 CPU 314 Board PLC FX3U – 14MT

2 Số lượng đầu vào/ đầu ra

24 ngõ vào số/16 ngõ ra số

4 ngõ vào, 2 ngõ ra tương tự,

8 ngõ vào NPN, 6 ngõ ra transistor, 6 đầu vào analog (3 ngõ vào 0 - 10V và 3 ngõ vào 0 - 20mA), 2 đầu ra analog (0 - 10V), 2 ngõ ra xung tốc độ cao Y0-Y1

Gồm 9 trạm với mỗi trạm được điều khiển bởi một PLC S7 – 300

Gồm 5 trạm: trạm cung cấp, trạm gia công, trạm lắp ráp, trạm phân loại và trạm vận chuyển Sử dụng PLC FX3U

- 14MT để điều khiển hoạt động của mô hình

4 Ứng dụng Được sử dụng rộng rãi trong các trường cao đẳng, đại học trên khắp thế giới Được sử dụng trong một số trường cao đẳng, đại học tại

5 Chi phí đầu tư Chi phí cao Chi phí cao

Các tiêu chuẩn thiết kế

a) Tiêu chuẩn ký hiệu mạch điện

Các ký hiệu thiết bị điện khi thiết kế trên bản vẽ sơ đồ mạch điện theo tiêu chuẩn IEC 60617 như trong bảng 2.2:

Bảng 2.2: Ký hiệu của các thiết bị điện

STT Tên thiết bị Tên ký hiệu Biểu tượng

1 Động cơ một chiều có chổi than

3 Bộ chuyển đổi nguồn AC sang DC VC

4 Nút dừng khẩn cấp, xoay để trở lại ban đầu SB

10 Cảm biến tiệm cận (NO)

11 Cảm biến tiệm cận (NC)

12 Công tắc hành trình nam châm

16 Cuộn coil relay KA b) Tiêu chuẩn thiết kế cho một bản vẽ

❖ Khổ giấy: TCVN 7285:2003 (ISO 5457:1999) “Tài liệu kỹ thuật của sản phẩm - Khổ giấy và cách trình bày tờ giấy vẽ, thay thế TCVN 2-74” Tiêu chuẩn này quy định khổ giấy và cách trình bày các tờ giấy trước khi in của các bản vẽ kỹ thuật, bao gồm cả các bản vẽ kỹ thuật được lập bằng máy tính điện tử [6]

❖ Khung tên: Các kích thước và cách trình bày khung tên xem ISO 7200 của khung tên các khổ A0 đến A3 được đặt ở góc dưới bên phải không gian vẽ Đối với khổ giấy khổ A4, khung tên được đặt theo cạnh ngắn ở dưới của không gian vẽ Hướng đọc bản vẽ là hướng của khung tên [6]

❖ Tỷ lệ: TCVN 7286:2003 (ISO 5455:1979) Bản vẽ kỹ thuật - Tỷ lệ thay thế TCVN

3 - 74 Tiêu chuẩn này quy định các tỷ lệ và ký hiệu của chúng dùng trên các bản vẽ kỹ thuật [6]

❖ Ghi kích thước: TCVN 5705:1993 Quy tắc ghi kích thước thiết lập các nguyên tắc chung về ghi kích thước trên các loại bản vẽ kỹ thuật Tiêu chuẩn này thay thế TCVN 9-85 TCVN 5705:1993 tương ứng với ISO 129-1:2004 [6]

❖ Nét vẽ: TCVN 8-20: 2002 (ISO 128-20: 1996) Bản vẽ kỹ thuật - Nguyên tắc chung về biểu diễn Phần 20: Quy ước cơ bản về nét vẽ thiết lập các loại nét vẽ, tên gọi, hình dạng của chúng và các quy tắc về nét vẽ trên các bản vẽ kỹ thuật [6]

GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Tổng quan ý tưởng thiết kế

Thông qua nghiên cứu các chức năng và yêu cầu chung cho một mô hình hệ thống cấp phôi tự động, đề xuất ý tưởng thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi với 3 module: cấp phôi, vận chuyển và phân loại Có thể sử dụng bộ điều khiển PLC của Siemens, Mitsubishi, Delta để điều khiển hoạt động của các module Mô hình chế tạo có kích thước nhỏ, chi phí thấp nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu phục vụ giảng dạy Mỗi module tương tác với nhau để tạo thành mô hình cấp phôi tự động hoàn chỉnh, như sơ đồ nguyên lý hoạt động thể hiện trong hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ tương tác giữa các module

Các phương án thiết kế

Trước khi lên ý tưởng thiết kế, đã tìm hiểu tài liệu liên quan đến các hệ thống MPS có trên thị trường, sau đó liệt kê các thiết bị và xem xét về tính khả thi kinh tế để hình thành nên mỗi module, từ đó xuất ra 2 phương án như sau:

Thiết kế 3 module nhỏ: module cấp phôi, module vận chuyển, module phân loại Mỗi module điều khiển bởi 1 PLC S7 - 300 của hãng Siemens Các module cấu tạo từ thành phần các bảng mạch điều khiển, bàn lắp thiết bị, board mạch PLC, động cơ

Thiết kế 3 module nhỏ: module cấp phôi, module vận chuyển, module phân loại sử dụng một bộ điều khiển PLC FX3U - 32 MR/ES để điều khiển các thành phần module Các thành phần trong các module bao gồm: xi lanh, cảm biến, động cơ, van điện từ

Đề xuất giải pháp thiết kế

3.3.1 Lựa chọn giải pháp thiết kế

Từ các phương án thiết kế vừa kể đến ở mục 3.2 em đề xuất giải pháp sử dụng phương án 2 có các ưu điểm, nhược điểm như sau: Ưu điểm:

- Dễ dàng tìm kiếm, thiết kế, chế tạo với các thiết bị đã có trên thị trường

- Tạo ra mô hình hệ thống cấp phôi tư động với chi phí thấp, thiết kế nhỏ gọn Nhược điểm:

- Việc lập trình điều khiển mô hình phức tạp khi tích hợp nhiều module

- Tính đảm bảo ổn định chất lượng chưa cao, dễ xảy ra các sự cố trong khi hoạt động

3.3.2 Mô hình hệ thống thiết kế

Dựa vào phương án đề xuất, em đã thiết kế ra mô hình cấp phôi tự động trên phần mềm Solidworks 2022 như trong hình 3.2:

Hình 3.2: Mô hình hệ cấp phôi tự động

Đánh giá tính khả thi

3.4.1 Khả thi về mặt kỹ thuật

Với việc sử dụng PLC FX3U sẽ có một số tính khả thi sau:

❖ Hiệu suất và linh hoạt: PLC có khả năng thực hiện các chương điều khiển phức tạp thay đổi nhanh chóng theo yêu cầu

❖ Dễ dàng lập trình và sửa đổi: Ngôn ngữ Ladder Logic trong phần mềm GX Works2 dễ hiểu, dễ lập trình theo ý muốn

❖ Tính tương thích và mở rộng: Bộ điều khiển PLC FX3U có thể cho phép kết nối giữa các thiết bị như các module PLC mở rộng, máy tính mô phỏng hệ thống SCADA dễ dàng

❖ Chi phí và tiết kiệm thời gian: So với mạch điều khiển relay truyền thống, PLC có giá thành cao hơn nhưng giúp tiết kiệm thời gian lắp đặt khi thay đổi các yêu cầu nguyên lý hoạt động của mô hình sản phẩm

❖ An toàn: PLC kết hợp với hệ thống SCADA sẽ tạo ra các tính năng an toàn như kiểm tra liên tục, cảnh báo sự cố giúp người dùng có thể theo dõi tình trạng hoạt động của thiết bị

3.4.2 Khả thi về hoạt động

❖ Giảng viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp là người có kinh nghiệm nhiều năm trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo, lập trình

❖ Với mô hình sản phẩm có chi phí đầu tư thấp so với khi mua mô hình MPS ở ngoài thị trường, nhưng vẫn đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật, độ an toàn, tính bền vững theo thời gian nhất định

❖ Việc sử dụng các thiết bị tại RM Lab có thể tiết kiệm chi phí đầu tư, thời gian mua bán

❖ Dễ dàng truy cập tài liệu hướng dẫn với nguồn mở trên các trang web như: youtube, google … phục vụ làm mô hình cấp phôi tự động đúng với tiến độ thời gian công việc.

Phân tích chi phí

Trước khi thiết kế, chi phí ước tính cho các module và giá thành dự kiến khi mua thiết bị mới như sau:

❖ Chi phí ước tính cho các module:

❖ Hệ thống điện, bộ điều khiển lập trình PLC: 21.115.000 (vnđ);

❖ Các chi phí khác: 3.165.000 (vnđ);

❖ Tổng số tiền tất cả cho giá thành ước tính tổng thể: 35.974.664 (vnđ).

Các ràng buộc thiết kế

Khi tính toán, lựa chọn thiết bị phù hợp với mô hình với các thông số đầu vào sẽ phải ràng buộc khi thiết kế có những yêu cầu như trong bảng 3.1:

Bảng 3.1: Những ràng buộc trong thiết kế

STT Tham số ràng buộc Giá trị Đơn vị

Kích thước mô hình tổng thể

2 Chiều cao của phôi (H) 20 mm

3 Đường kính của phôi (D) 35 mm

4 Trọng lượng của phôi lớn nhất 0,5 kg

5 Áp suất khí nén làm việc cho mô hình hệ thống ( )p e 4 bar

6 Vận tốc băng tải làm việc ( )v 1 mm/s

NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI THIẾT KẾ

Khả năng mua các thiết bị

Các thiết bị có khả năng cần mua để tạo ra mô hình hệ thống cấp phôi tự động như sau:

- Xi lanh khí nén: xi lanh tác dụng 2 chiều, xi lanh xoay;

- Động cơ bước, động cơ DC, băng tải;

- Mô đun truyền động trục vít me;

- Giác hút chân không, van tiết lưu, van chân không;

- Bộ điều khiển PLC FX3U - 32MR/ES, module định vị FX3U - 2HSY – ADP;

- Nút nhấn, đèn báo, cảm biến, công tắc hành trình

Việc mua thiết bị cũ có thể được thực hiện thông qua nhiều kênh bán hàng trực tuyến như: Shoppe, Lazada, AliExpress, … hoặc tìm kiếm, lựa chọn thiết bị cũ tại các cơ sở buôn bán thiết bị cũ với nhiều sản phẩm mẫu mã khác nhau nhằm thiết kế, chế tạo ra mô hình.

Khả năng tháo lắp

Khi thiết kế mô-đun, cần đảm bảo các thành phần phải có thể lắp ghép hoàn toàn với nhau và cho phép sai số 5% sau gia công Quá trình tháo lắp thiết bị phải thực hiện đúng trình tự để tránh làm hỏng các bộ phận Người thực hiện cần thành thạo các dụng cụ cơ bản như tua vít, cờ lê, mỏ lết và máy bắn vít.

Yếu tố môi trường

Khi lựa chọn thiết bị để thiết kế ra mô hình cần phải xem phân tích yếu tố kỹ thuật: Nhiệt độ làm việc, độ ẩm làm việc, áp suất làm việc … Độ bền cũng được chú trọng khi thiết kế thường liên quan đến khả năng chịu yếu tố tác động từ môi trường, sử dụng, thời gian Các yếu tố độ bền thường hay được đánh giá qua: tuổi thọ, độ bền cơ học, độ bền hóa học, độ bền môi trường

Tính bền vững

Tính bền vững liên quan mật thiết đến việc sử dụng vật liệu trong thiết kế.Các vật liệu được sử dụng trong thiết kế như: kim loại, nhựa Đối với các vật liệu bằng kim loại cần chú ý nhất độ ăn mòn và oxi hoá để có các phương pháp xử lý bề mặt như phủ sơn, mạ điện phân … có thể làm việc lâu dài trong các môi trường có độ ẩm, nhiệt độ khác nhau Các chi tiết từ vật liệu nhựa có thể chịu khả năng chịu va đập tốt, phù hợp yêu cầu về mặt độ bền nhưng sẽ khó phân huỷ trong nhiều năm sẽ gây ô nhiễm môi trường.

An toàn

Trong khi thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống, luôn đọc tài liệu liên quan và cân nhắc cẩn thận đối với vấn đề an toàn sau:

- Không chạm vào tiếp điểm của các thiết bị điện khi vẫn đang cắm điện để tránh bị điện giật

- Tắt nguồn điện trước khi lắp đặt hoặc sữa chữa các thiết bị điện trong hệ thống ra

- Lắp thêm các thiết bị tự ngắt dòng điện nhanh chóng tránh các yếu tố xảy ra như: dò rỉ điện, ngắt mạch, quá tải…

- Khi thiết bị chạy mô hình hệ thống phát ra những âm thanh/mùi bất thường, ấn vào

“Aptomat” để ngắt nguồn hoặc “Nút dừng khẩn cấp” để dừng tất cả hệ thống

- Không tháo rời các module thiết bị hoặc thay đổi sơ đấu nối điện mà không có sự đồng ý của các thầy, cô, kỹ thuật viên hướng dẫn

- Khi có vấn đề xảy ra, thông báo cho những người hướng dẫn, xung quanh sớm nhất có thể.

Tiêu chuẩn hóa

Tiêu chuẩn hoá (Standardization) là quá trình thiết lập và thực thi các tiêu chuẩn, quy định cụ thể Mục tiêu chính của tiêu chuẩn hoá là tạo ra sự đồng nhất, đảm bảo chất lượng, tăng tính hiệu quả và sự phát triển bền vững trong một thiết kế Có một số điểm tiêu chuẩn hoá trong bản vẽ như sau:

❖ Ký hiệu và kích thước: Tiêu chuẩn hoá trong bản vẽ bao gồm việc sử dụng ký hiệu và kích thước chuẩn để biểu diễn các chi tiết kỹ thuật và thông tin kỹ thuật của bản thiết kế

Tính đồng nhất trong bản vẽ kỹ thuật rất quan trọng, giúp đảm bảo rằng cùng một loại chi tiết hoặc sản phẩm được thể hiện thống nhất trên các bản vẽ khác nhau Việc tuân thủ các tiêu chuẩn hóa trong thiết kế và xuất bản bản vẽ là rất cần thiết để đạt được tính đồng nhất này.

❖ Tương thích và chuyển đổi: Các tiêu chuẩn hoá trong bản vẽ cũng đảm bảo tính tương thích và khả năng chuyển đổi giữa các hệ thống hoặc phần mềm CAD (Computer-Aided Design) khác nhau, giúp cho việc truyền đạt thông tin kỹ thuật trở nên dễ dàng hơn

❖ Quy trình vẽ và biểu diễn: Tiêu chuẩn hoá trong bản vẽ cũng có thể bao gồm các quy trình và hướng dẫn cho việc vẽ và biểu diễn thông tin kỹ thuật, nhằm đảm bảo tính nhất quán và hiệu quả trong quá trình làm việc.

Khả năng bảo dưỡng

Kỹ năng bảo dưỡng là kỹ năng cần thiết để duy trì và nâng cao hiệu suất làm việc của các thiết bị trong môi trường làm việc Qua tìm hiểu các phương pháp bảo dưỡng, em đã chọn ra 2 loại bảo dưỡng để đảm bảo hoạt động của thiết bị mô hình trong thời gian dài như sau:

- Bảo dưỡng định kỳ: Phương pháp này em xem xét các hoạt động bảo dưỡng thiết bị theo một lịch trình đã lên kế hoạch sẵn Các hoạt động của bảo dưỡng này như kiểm tra, vệ sinh, bôi trơn, điều chỉnh và thay thế các thiết bị cảm biến, van điện từ, xi lanh, module truyền động vít me … trong mô hình hệ thống đặt ra

- Bảo dưỡng dựa trên hư hỏng: Phương pháp này, nhóm thực hiện các công việc bảo dưỡng sau khi xảy ra hư hỏng hoặc sự cố

Trong quá trình thiết kế, em thường phải xem xét cách thiết kế sản phẩm sao cho có thể gia công chi tiết, mua thiết bị với chi phí thấp nhất mà vẫn đảm bảo chất lượng và hiệu suất Cũng như chú trọng đến thiết kế mô hình hệ thống sao cho dễ dàng vận hành, bảo trì và sửa chữa có thể giảm thiểu chi phí liên quan đến việc duy trì và sửa chữa

25 trong quá trình sử dụng Từ mô hình hệ thống có thể phát triển lên sản phẩm để đưa ra thị trường

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Cơ cấu chấp hành

5.1.1 Xi lanh a) Xi lanh tác dụng 2 chiều

Nguyên lý hoạt động của xi lanh tác dụng 2 chiều là áp suất khí nén được dẫn vào cả 2 phía của xi lanh [7]

Hình 5.1: Xi lanh tác động kép (2 chiều)

Trên hình 5.1 có các vị trí được đánh số theo các chi tiết:

1 Cửa nối mặt đẩy piston, 2 Cửa nối mặt trước piston, 3 Mặt đáy piston, 4 Mặt trước piston, 5 Bề mặt sau xi lanh, 6 Bề mặt trước xi lanh , 7 Diện tích cần piston, 8 Đáy xilanh, 9 Nắp xilanh

❖ Lực tác động khi cần đi piston ra:

Trong đó: F A (daN) Lực tác động khi cần piston đi ra

Diện tích mặt đáy piston

D cm Đường kính mặt đáy piston

( ar) p e b Áp suất khí nén trong xi lanh

 Hiệu suất xi lanh, thông thường =0,8

Nguyên lý hoạt động: Sẽ nhận khí nén từ hệ thống cấp vào thông qua co nối, ống dẫn khí nén Từ đó khí nén đi vào xi lanh, chiếm lấy không gian bên trong xi lanh và làm cho piston chuyển động tịnh tiến Tiếp theo thì nó sẽ kéo theo xi lanh di chuyển hướng trục Quá trình này sẽ được diễn ra liên tục, lặp lại và tuần hoàn khi có khí nén

Xi lanh chỉ dừng lại khi khí nén ngừng cấp [7]

Cấu tạo của xi lanh xoay gồm: Vỏ xi lanh, trục xoay, nút xoay, vòng bi hoặc trục đỡ, bộ kết nối Vỏ xi lanh bảo vệ các bộ phận bên trong và đảm bảo tính ổn định và bền bỉ Trục xoay đi qua trung tâm của nút xoay, cho phép xi lanh thực hiện chuyển động xoay theo góc chỉ định Nút xoay là bộ phận chuyển động chính, được gắn trên trục xoay và có khả năng xoay theo góc chỉ định

Hình 5.2: Cấu tạo xi lanh khí nén xoay HQR10A của hãng AIRTAC

Trên hình 5.2 có các vị trí được đánh số theo các chi tiết:

1 Trụ điều chỉnh, 2 Đai ốc, 3 Vòng đệm kín, 4 Front cover, 5 Body, 6 Hexagon socket head set bole, 7 Table, 8 Hexagon socket head set bole, 9 Guide pin/flat key,

10 Deep-groove bearing, 11 Bearing retainer, 12 Ổ bi rãnh sâu, 13 Back cover, 14 Steel ball, 15 Piston seal, 16 Wear ring, 17 Magnet, 18 Rack, 19 Pinion, 20 O-ring,

Ký hiệu của xi lanh xoay trên sơ đồ mạch khí nén như trong hình 5.3:

Động cơ bước là động cơ đồng bộ chuyển đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện thành chuyển động góc quay hoặc vị trí cố định của rôto Các loại động cơ bước cơ bản bao gồm:

Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (hình 5.4) gồm 4 cực stato, 6 cực rotor, thường có 5, 6, 8 đầu dây ra Rotor được xếp hàng với các cặp cực stato và được cấp điện bởi bộ truyền động Các cuộn dây của mỗi cặp cực N được mắc nối tiếp với nhau, tương tự với cặp cực S, tạo thành một nam châm vĩnh cửu Hướng quay của động cơ nam châm vĩnh cửu phụ thuộc vào hướng của dòng điện chạy qua các cuộn dây của mỗi cặp cực, dựa trên nguyên lý các cực khác nhau hấp dẫn nhau, còn các cực giống nhau đẩy nhau Động cơ nam châm vĩnh cửu được chia thành nhiều loại khác nhau.

29 làm 3 loại: động cơ bước đơn cực, động cơ bước lưỡng cực, động cơ bước nhiều pha [8]

Hình 5.4: Động cơ bước nam châm vĩnh cửu loại đơn cực [8]

❖ Động cơ bước lai Động cơ bước lai như trong hình 5.5 có rotor là loại nhiều răng, giống với động cơ bước từ thông thay đổi, chứa tấm thép mỏng được lõi từ hóa đồng tâm bao xung quanh trục rotor

Hình 5.5: Cấu tạo động cơ bước lai [8]

❖ Động cơ bước kiểu biến trở từ

30 Động cơ bước kiểu biến trở (Variable reluctance stepper motor) như trong hình 5.6 là một loại động bước được điều khiển bằng cách thay đổi dòng điện trong cuộn dây để tạo ra từ trường đủ mạnh làm cho rotor quay

Thông thường sẽ có 3 hoặc 4 cuộn dây được nối chung một đầu dây Đầu chung sẽ được nối với nguồn dương, các đầu dây còn lại được nối với nguồn âm làm trục rotor quay

Hình 5.6: Cấu tạo động cơ biến trở từ [8] b) Nguyên lý hoạt động cơ bản của động cơ bước

❖ Động cơ bước hoạt động dựa trên việc cấp xung nó không có bộ chuyển mạch bên trong nên tất cả mạch đảo phải được điều khiển bên ngoài bằng bộ điều khiển

❖ Tại mỗi thời điểm sẽ chỉ có một hay hai cuộn dây có điện (tùy vào phương pháp điều khiển là đầy bước hay nửa bước) Khi trạng thái cấp xung thay đổi thì sẽ sinh ra moment xoắn và sẽ làm cho rotor quay

Khi điều khiển động cơ điện, việc thay đổi thứ tự cấp xung cho phép điều khiển chiều quay của động cơ Nếu động cơ đang ở bước 8 và được cấp xung cho bước 7, nó sẽ quay ngược lại.

❖ Điều khiển tốc độ thay đổi độ rộng xung và tần số xung [9]

Trong đó: V: vận tốc trung bình của động cơ bước

( ) t s thời gian động cơ thực hiện n lần dịch bước

 ( ) góc bước của động cơ

( ) f Hz tần số dịch bước c) Các phương pháp điều khiển động cơ bước:

Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước như trong hình 5.7 [9]:

❖ Điều khiển dạng sóng (Wave): Là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chọn từng cuộn dây pha

❖ Điều khiển bước đủ (Full step): Là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau

❖ Điều khiển nửa bước (Half step): Là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương pháp đều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp

❖ Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ, độ chính xác cao Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn, hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động

Hình 5.7: Điều khiển động cơ bước

5.1.3 Module truyền động trục vít me

Bộ Linear module SLW là thiết bị truyền động trục vít me drylin® SLW có các các trục tuyến tính drylin có truyền động vít me được thiết kế cho đủ loại công tác định vị Quá trình điều chỉnh tuyến tính xảy ra nhờ trục vít me hình thang đủ kích cỡ hoặc vít me xoắn ốc cao, có thể đưa vào chuyển động bằng tay hoặc bằng điện

Với các đặc điểm được cải tiến:

- Cấu hình thấp và nhỏ gọn;

- Độ ổn định xoắn cao;

- Đường ray nhôm anodised cứng;

- Đầu trục làm bằng kẽm mạ crôm;

Băng tải như trong hình 5.9 là một thành phần không thể thiếu trong mô hình hệ thống cấp phôi tự động, nó có chức năng vận chuyển phôi đến vị trí đã xác định trước Để băng tải hoạt động được cần phải có một năng lượng truyền động đó là động cơ DC, động cơ xoay chiều thường đi kèm với hộp giảm tốc để tăng momen xoắn, giảm vòng quay phù hợp với băng tải muốn thiết kế Băng tải có cấu tạo gồm: khung băng tải, dây băng tải, phần nâng đỡ, puli và động cơ truyền chuyển động

Hình 5.9: Băng tải PVC mini[10]

Hệ thống điện

Aptomat là một thiết bị điện, loại cầu dao có khả năng tự đóng cắt mạch điện Aptomat có một số chức năng: bảo vệ mạch điện tránh quá tải, chống rò rỉ điện ra bên ngoài, hiện tượng quá tải Cấu tạo chung của aptomat gồm có: tiếp điểm, hồ quang, bộ truyền động, móc bảo vệ…

Trong mô hình hệ thống của em sử dụng Aptomat hãng CHINT như trong hình 5.17:

Hình 5.17: MCB của hãng CHINT

- Tên: MCB CHINT NXB - 63 - 2 pha - 10 A dòng cắt 6 KA;

- Điện áp định mức: 240/415 VAC;

- Dòng cắt ngắn mạch: 6 KA;

Nút nhấn thường dùng để đóng ngắt các thiết bị điện trong tủ điện, mục đích điều khiển kiểm soát thiết bị bằng tay Hoặc nhấn nhả để tác động tín hiệu điện lên bộ điều khiển PLC, board mạch khác a) Nút dừng khẩn cấp

Nút dừng khẩn cấp LA38-11ZS 22 mm như trong hình 5.18 có một cặp thường đóng và thường mở, thường dùng trong các ứng dụng như dừng khẩn cấp nguồn, dừng tín hiệu hoặc báo tín hiệu về bộ xử lý trong trường hợp khẩn cấp Nút nhấn có khả năng

39 tự giữ tiếp điểm khi nhấn vào và chỉ cần xoay theo chiều mũi tên là có thể mở lại bình thường

Hình 5.18: Nút dừng khẩn cấp LA38 - 11ZS

- Phân loại: công tắc dừng khẩn cấp;

- Số tiếp điểm: 1 NO + 1 NC (một tiếp điểm thường mở và 1 tiếp điểm thường đóng);

- Điện áp định mức: 380 VAC, 24 VDC;

- Chất liệu vỏ: nhựa chống cháy ở nhiệt độ cao;

- Kích thước lỗ lắp đặt: 22 mm;

- Kích thước sản phẩm: 29 * 37 * 84 mm;

- Kích thước ốc lắp đặt: 3,5 mm b) Nút nhấn nhả không đèn PGF - F10

Nút nhấn nhả không đèn PGF - F10 như trong hình 5.19:

Hình 5.19: Nút nhấn nhả không đèn PGF - F10

- Loại nút nhấn nhả đầu bằng;

5.2.3 Đèn báo Đèn báo AD16 - 22DS như trong hình 5.20 thường được sử dụng để báo trạng thái trong các mạch điện, tủ điện và trạng thái vận hành của máy móc trong công nghiệp Đèn có thiết kế nhỏ gọn, đẹp mắt, tuổi thọ cao, dễ dàng sử dụng

Hình 5.20: Đèn báo AD16-22DS

Relay là một khí dụng cụ điện dùng để điều khiển, đóng cắt mạch điện, bảo vệ tín hiệu, bảo vệ an toàn trong khi vận hành Khi có dòng điện chạy qua cuộn dây và dòng điện này lớn hơn dòng tác động thì relay tạo ra một từ trường hút lõi sắt non làm thay đổi công tắc chuyển mạch Dòng điện chạy qua cuộn dây có thể được bật hoặc tắt, vì thế relay có hai vị trí chuyển mạch qua lại

Cấu tạo của relay trung gian: lõi thép động, lõi thép tĩnh, cuộn dây Cuộn dây bên trong gồm là cuộn cường độ, cuộn điện áp hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ Lõi thép động được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp điểm thuận và tiếp điểm nghịch

Ký hiệu của relay như trong hình 5.22:

Hình 5.22: Ký hiệu các chân relay 8 chân

Trong thực tế relay trung gian có 2 loại chính: relay 14 chân và relay 8 chân như trong hình 5.21 Đối với relay trung gian được kết nối với nhau tạo chân COM, NC, NO Với lựa chọn relay 8 chân OMRON MY2N - GS có thông số như sau:

- Relay 8 chân, nguồn cấp: 24 VDC;

- Tiếp điểm: DPDT - 5A (250 VAC / 30 VDC, tải điện trở);

- Chỉ thị hoạt động: Led xanh;

- Tiêu chuẩn: UL, CSA, IEC, ROHS;

- Số tiếp điểm: 2 cặp tiếp điểm (DPDT);

- Dòng điện tiếp điểm: 5 A / 250 VAC; 5 A / 30 VDC (tải điện trở);

- Điện trở tiếp điểm: 100 mΩ max;

- Thời gian đóng / ngắt tiếp điểm: 20 ms max;

- Nhiệt độ làm việc: −55 đến 70 °C;

- Độ ẩm làm việc: 5 % đến 85 % (không ngưng tụ, đóng băng);

Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) phát hiện vật thể bằng linh kiện quang điện trong khoảng cách nhận biết Cấu tạo gồm ba thành phần chính: bộ phát xạ ánh sáng, bộ thu ánh sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến sẽ có hai trạng thái nhận biết có vật thể và không có vật thể Nếu không có vật thể bộ phát sẽ phát ra ánh sáng liên tục đến bộ thu nhận được còn khi có vật thể thì bộ thu sẽ không nhận được

- Điện áp nguồn: 12 VDC đến 24 VDC;

- Đầu ra kiểu: NPN, PNP;

- Thời gian đáp ứng: 1 mili giây;

- Mức tiêu thụ dòng hiện tại: 30 mA;

- Đối tượng phát hiện: Kim loại, nhựa…

Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors) như trong hình 5.24 phản khi có sự xuất hiện vật thể ở trong khoảng nhận biết Cảm biến tiệm cận được được chia làm: cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ, cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung [15] a) Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng dung

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến điện dung sử dụng điện dung để đo hằng số điện môi của môi trường xung quanh Khi có vật đến gần làm thay đổi điện môi giữa 2 bản cực sẽ làm thay đổi điện dung đến giá trị đặt trước nên cảm biến sẽ tác động đóng cắt tải Sẽ làm cho cảm biến nhận biết được mọi vật có điện dung

Hình 5.24: Cảm biến tiệm cận điện dung

- Cảm biến tiệm cận Omron E3F - DS10C4;

- Điện áp sử dụng: 6 - 36 VDC;

- Khoảng cách phát hiện: 1 - 10 cm;

- Đấu nối kiểu PNP b) Cảm biến tiệm cận điện cảm

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến điện cảm như trong hình 5.25 sử dụng các từ trường cảm ứng để nhận biết các vật kim loại ở gần Nếu có một vật kim loại đến gần sẽ thay đổi tạo ra dòng điện qua vật Dòng điện này tạo ra từ trường mới ngược với từ trường ban đầu nên làm thay đổi cảm kháng cuộn dây bên trong cảm biến Bằng cách đo điện cảm, cảm biến sẽ nhận biết khi có vật kim loại đến gần nó

Hình 5.25: Cảm biến tiệm cận từ

- Khoảng cách phát hiện: 0 - 4 mm;

Bộ drive TB6600 như trong hình 5.26 là bộ điều khiển động cơ bước được sử dụng để điều khiển động cơ bước Nó tương thích với các mạch vi điều khiển, PLC có phát ra tín hiệu xung Mạch này có điện áp đầu vào rất đa dạng từ 9 đến 24 VDC Và có cài đặt được ghép nối với nhau như sau:

- DC+: Nối với nguồn điện từ 9 - 40 VDC;

- DC-: Điện áp (-) âm của nguồn;

- A+ và A -: Nối vào cặp cuộn dây của động cơ bước;

- B+ và B-: Nối với cặp cuộn dây còn lại của động cơ;

- PUL+: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (+5 VDC) từ BOB cho M6600;

- PUL-: Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-) từ BOB cho M6600;

- DIR+: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (+5 VDC) từ BOB cho M6600;

- DIR-: Tín hiệu cấp xung đảo chiều (-) từ BOB cho M6600;

- ENA+ và ENA-: khi cấp tín hiệu cho cặp này động cơ sẽ không có lực momen giữ và quay nữa

5.2.8 Cảm biến xi lanh hành trình

Cảm biến hành trình như trong hình 5.27 là loại cảm biến được biết đến nhiều nhất trong hệ thống xi lanh khí nén Thường được sử dụng để báo trạng thái hành trình ra, vào của một xi lanh Cảm biến có dạng cảm biến từ, nhận tín hiệu nam châm tích hợp sẵn trong xi lanh

Hình 5.27: Cảm biến hành trình

- Nguồn áp dụng đối với PLC: 24 VDC relay;

- Dòng điện tiêu thụ: ≥ 10 mA;

- Đèn báo chỉ thị: Red led khi phát hiện

5.2.9 Van điện từ khí nén

Van điện từ là một thiết bị đảo chiều, đóng cắt dòng chảy khí nén Nguyên lý chung sử dụng hiện tượng cảm ứng từ để hoạt động Có cấu tạo gồm: thân van, đệm van, piston, lò xo van, cuộn điện của van Ở trong hệ thống cấp phôi tự động sử dụng van 5/2 một bên tác động điện từ một phía a) Van DV1120

Thiết kế cơ khí

5.3.1 Thiết kế cho module cấp phôi a) Phôi Để phục vụ cho việc giảng dạy nên cần chọn có hình dạng, kích thước của phôi như trong hình 5.30 không quá phức tạp Vì vậy, phôi được làm bằng từ 2 vật liệu: nhựa và nhôm, có kích thước 35 20 ( mm)

Hình 5.30: Kích thước phôi b) Phễu cấp phôi

Phễu cấp phôi như trong hình 5.31 dạng ống được làm từ mica rỗng bên trong có đường kính ngoài 40(mm), đường kính trong 36 (mm), độ dày của ống 2 (mm)

Hình 5.31: Phễu dạng ống mica

49 c) Tính toán, lựa chọn xi lanh đẩy phôi

Chọn sơ bộ ống chứa phôi ban đầu có 10 phôi

❖ Khối lượng lớn nhất của phôi: m 1 = 0,5 ( ) kg ;

❖ Hành trình của Piston: S 50 ( = mm );

❖ Hệ số ma sát giữa phôi, thanh đẩy phôi với bề mặt tiếp xúc: f = 0,2;

❖ Chọn sơ bộ áp suất khí nén trong xi lanh làm việc p e = 4 ( ar) b

Theo như công thức (5.1) để lực tác động lên piston khi dịch chuyển được vật đi ra thì:

Với xi lanh cấp phôi tự động trong ống chứa phôi sẽ có 10 phôi khi đó lực ma sát sẽ được là:

Lấy gia tốc trọng trường

10 ( / 2) g = m s thì thay số vào ta có:

F ms N daN Đường kính mặt đáy piston D của xi lanh là: ax 1

 = = Với thông số đường kính và hành trình xi lanh, chọn xi lanh để đẩy phôi vào vị trí cấp phôi là xi lanh khí nén loại AIRTAC MAL 20x50 (mm) như trong hình 5.32 Sau khi chọn được xi lanh với các thông số:

❖ Đường kính cần piston: d = 8 (mm)

❖ Đường kính xi lanh: D = 20 (mm)

❖ Áp suất làm việc từ 0,1 (MPa) đến 0,7 (MPa)

❖ Vận tốc làm từ 50 (mm/s) đến 800 (mm/s)

Hình 5.32: MAL20X50SCA Đối với khung chân đế đỡ xi lanh đẩy phôi dùng thanh nhôm định hình nhằm tiết kiệm chi phí, thời gian gia công

Kích thước tiết diện nhôm định hình 20x20 (mm) như trong hình 5.33:

Hình 5.33: Kích thước khung nhôm định hình

5.3.2 Thiết kế cho module vận chuyển a) Tính toán chọn module truyền động vít me

❖ Tổng khối lượng được đặt lên module:m tong the _ = 2 ( )kg , khi đó tính được tải trọng:

Vận tốc di chuyển v di chuyen _ = 0,12 ( / )m s

Hành trình làm di chuyển:L = 150 (mm) Để đơn giản quá trình tính ta sử dụng công cụ tính toán trên trang như trong hình 5.34: https://drylin-drive-technology-configurator.igus.tools/requirements

Hình 5.34: Công cụ tính toán lựa chọn

Sau các giá trị đã cho nhấn vào xem các linear module phù hợp với thông số đã cho: Với thông số tra được mô đun SLW 1040 như trong hình 5.35:

❖ Vận tốc lớn nhất: v max = 0,2 (m/s);

❖ Mô mem xoắn tối đa: 1,1 (N.m);

❖ Mô mem xoắn yêu cầu: 0,26 (N.m);

❖ Vận tốc yêu cầu: 600 (vòng / phút) b) Tính chọn động cơ bước

Từ thông số bộ Linear Module SLW tra được em chọn động cơ bước size 42 Với thông số kỹ thuật như sau:

❖ Đường kính động cơ: 42 mm;

❖ Chiều dài động cơ: 37 mm;

❖ Chiều dài trục ra: 22 mm;

Hình 5.36: Động cơ bước size 42 c) Tính chọn khớp nối

Khớp nối như trong hình 5.38 gồm: nối trục, li hợp và li hợp tự động Khớp nối là chi tiết tiêu chuẩn, vì vậy trong thiết kế thường dựa vào momen xoắn tính toán T t , được xác định theo công thức sau đây để kích thước [16]

T t = k T  T (5.5) Trong đó: T t ( )N m momen xoắn tính toán; k hệ số chế độ làm việc, phụ thuộc vào loại máy công tác được tra ở dưới hình 5.37: Copies for internal use only in Phenikaa University

Hình 5.37: Hệ số chế độ làm việc phụ thuộc vào loại máy

Momen xoắn (trong tính toán bằng với momen xoắn yêu cầu trên bộ SLW 1040:

Hệ số chế độ làm việc lựa chọn trên hình 5.37: k = 1,2

Vậy momen xoắn tính toán được:

Với mô hình hệ thống cấp phôi đơn giản ta thường dùng loại khớp nối đàn hồi bằng hợp kim nhôm do kích thước nhỏ gọn, khả năng truyền momen xoắn cao

Hình 5.38: Khớp nối đàn hồi

- Đường kính đầu vào: 5 mm;

- Đường kính đầu ra: 10 mm d) Tính toán chọn xi lanh xoay

Thông số đầu vào khi lựa chọn xi lanh xoay HRQ10A:

❖ Áp suất làm việc từ 0,1 (MPa) đến 0,6 (MPa);

❖ Thời gian để xi lanh quay là t 1,5 (s)= ;

❖ Momen xoắn khi hoạt động ở áp 0,5 MPa là 1,1 (N.m)

Tính momen quán tính của tải thứ nhất: Có đường kính D = 45 (mm), chiều cao

H = 47 (mm), khối lượng của vật m 1 = 0,0224 (kg)

Momen quán tính của tải thứ hai với tải một thanh nhôm định hình 20x20 (mm):

Có khối lượng m 2 =0,01 (kg), chiều dài thanh nhôm a = 60 (mm) 2 , chiều rộng b = 20 (mm)2

Mômen quán tính của tải trọng thứ ba đối với trục quay của thanh nhôm có kích thước 20 mm x 20 mm là:- Khối lượng thanh nhôm: m = 0,03 kg- Chiều dài thanh nhôm: a = 20 mm- Chiều rộng thanh nhôm: b = 20 mm

Momen quán tính của tải thứ 4 với tải một thanh được làm bằng nhựa: Có khối lượng m = 0,08 (kg) 4 chiều dài L = 170 (mm) 4

Momen quán tính của tải thứ 5 với tải một xi lanh: Có khối lượng m = 1 (kg) 5 có D = 16 (mm) 5

Momen quán tính của tải thứ 6 với tải một liên kết giác hút: Có khối lượng m = 0,01 (kg)6 , a = 0,04 (m) 6 , b = 0,05 (m) 6

Momen quán tính của tải thứ 7 với giác hút: Có khối lượng m = 0,005 (kg) 7 ,

Tổng momen tất cả các tải:

➢ Tính momen xoắn yêu cầu

Momen xoắn theo công thức dưới ta có:

Qua kết quả kiểm tra xi lanh tính toán qua momen xoắn của các hệ vật tác dụng xi lanh xoay HRQ10A cho thấy sự lựa chọn hợp lý Do đó, công đoạn tiếp theo là tính toán chọn xi lanh nâng hạ.

Tải trọng đáp ứng: m = 1 (kg);

Chọn áp suất khí nén trong xi lanh làm việc: p e = 4 (bar)

❖ Xác định đường kính xi lanh:

Theo như công thức (5.1) để lực tác động lên piston khi dịch chuyển được vật đi ra thì:

Trong đó: F max lực cần thiết để nâng lên vật max

Thay m = 1 (kg) và g = 10 (m/s ) 2 vào công thức (5.7) ta được: max 10 ( ) 1 (daN)

F = N Dựa công thức (5.7) tính đường kính mặt đáy piston D của xi lanh là: ax 1

 = = Vậy ta lựa chọn xi lanh có:

Từ các thông số đã tính toán chọn xi lanh MA 16x25 như trong hình 5.39

Thông số kỹ thuật: Đường kính: 16 mm;

58 Áp suất hoạt động: 0,1 – 1,0 MPa;

Hình 5.39: MA 16x25 5.3.3 Thiết kế cho module phân loại a) Tính chọn động cơ DC dẫn động băng tải

❖ Chọn tốc độ sơ bộ v = 0,1 (m/ s)

❖ Khối lượng băng tải m rulo = 0,5 ( ) kg

❖ Khối lượng phôi m phôi = 0,5 (kg)

Tính toán công suất động cơ:

1 k = hệ số ma sát lăn

 1 = hệ số ma sát trượt

F mst lực ma sát trượt

F msl lực ma sát lăn

P dc Công suất định mức động cơ

P ct Công suất đẳng trị động cơ P cần thiết Thay vào công thức (5.9) ta được:

Thay vào công thức (5.10) ta được: P ct = 0,98 (W)

Với  Hiệu suất của hệ truyền động

Theo bảng 2.3 trong giáo trình "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1" của tác giả Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, các giá trị hiệu suất của các loại bộ truyền như sau:

 = : Hiệu suất băng tải ol 0,99

Thay vào công thức (5.12) ta được:  = 0,71

Với =0,74 và P ct =0,98(w) thay vào công thức (5.11) ta được:

P ❖ Xác định số vòng quay của động cơ:

Trong đó: n dc số vòng quay của động cơ

Với vận tốc v= 0,1 ( / )m s và D = 0,027 ( )m thay vào công thức (5.13) ta được:

70,73 (vong / phut) n dc ❖ Xác định moment:

Trong đó:M dc là momen của động cơ

Thay F = 9,8 (N)và D = 0,027 ( )m vào công thức (5.14):

Chọn được động cơ GA25 – 370 như trong hình 5.40:

Thông số kỹ thuật như trong bảng 5.1:

Bảng 5.1: Thông số động cơ GA25 – 370

Tỉ lệ hộp giảm tốc Điện áp định mức

Chế độ không tải Chế độ dừng

Vận tốc Dòng điện Momen xoắn Dòng điện Chiều dài

V Vòng / phút mA Kg.cm A mm

Khi tính toán thiết kế băng tải xong, đã quyết định mua trên thị trường có sẵn Với chiều dài x chiều rộng: 500x70 (mm), băng tải có độ dày 2 (mm)

5.3.4 Một số chi tiết khác

Các chi tiết khác được liệt kê với các phương gia công như trong bảng 5.12:

Bảng 5.2: Phương pháp chế tạo các chi tiết khác

Tên chi tiết Phương pháp gia công Hình ảnh

Tấm hỗ trợ Cắt laser nhựa

Tấm gá bộ ray trượt

Tấm gá xi lanh nâng hạ

Thanh gá ống chứa phôi

In 3D nhựa Thanh đẩy phôi

Tính công suất điện hệ thống

Do đề tài sử PLC FX3U - 32MR/ES do vậy nên cần nguồn 24 VDC và 220 VAC để cho hệ thống hoạt động

Với công suất nguồn 24 VDC sẽ được tính theo công thức sau:

Trong đó: P W 1 ( )công suất của van điện từ

P 2 (W) công suất của động cơ dẫn động băng tải

P 3 (W) công suất của driver động cơ bước TB6600

Công suất của van điện từ được tính như sau:

P =  Công suất của động cơ dẫn động băng tải được tính như sau:

P =U I =  Công suất của driver động cơ bước Tb6600 được tính như sau:

P = U I =  Thay P P P 1 , 2 , 3 vào công thức (5.15) ta có:

P Copies for internal use only in Phenikaa University

Hiệu suất làm việc thực tế H = 1 sẽ có công suất thực tế:

P tt =P H = Nên em chọn được nguồn 24 VDC - 6,25 A

Có công suất P lv 0 (W)P tt i,05 (W) Do nguồn 24 VDC - 6,25 A dạng nguồn tổ ong có thể hoạt động ổn định, tính lọc nhiễu cao, đáp ứng được công suất lớn.

Thiết kế sơ đồ mạch khí nén

Như trong sơ đồ mạch điện khí nén ở hình 5.41 có ký hiệu chữ với ý nghĩa như sau:

- CB: Cảm biến hành trình của xi lanh;

- Y1: Van 5/2 cho xi lanh đẩy phôi;

- Y2: Van 5/2 cho xi lanh xoay;

- Y3: Van 5/2 cho xi lanh lên xuống;

- Y5: Van 5/2 cho xi lanh phân loại;

- Y6: Van 5/2 cho van giác hút

Hình 5.41: Sơ đồ mạch khí nén

LẬP TRÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN

Cấu trúc chung của PLC FX3U

6.1.1 Thông số kỹ thuật a) Thông số kỹ thuật cơ bản PLC FX3U-32MR/ES:

Với bộ điều khiển FX 3U – 32MR/ES có thông số kỹ thuật:

Hình 6.1: PLC FX3U - 32MR/ES

❖ Mã sản phẩm: FX3U - 32MR/ES như trong hình 6.1;

❖ Kiểu kết nối: RS232, RS485;

❖ Cấp độ bảo vệ: IP10;

❖ Tiêu chuẩn chống rung và shock: IEC 68 - 2 - 6, IEC 68 - 2 - 27 b) Thông số kỹ thuật cơ bản của module FX3U-2HSY-ADP

Với module FX3U - 2HSY - ADP như trong hình 6.2 có thông số kỹ thuật:

Hình 6.2: Module định vị FX3U - 2HSY - ADP

- Tên: Module FX3U - 2HSY - ADP Mitsubishi;

- Loại: Mô đun truyền thông;

- Loại đầu ra: Kỹ thuật số;

- Số lượng đầu vào FX3U - 2HSY - ADP: 8 – 64;

- Loại điện áp: 24 VDC, 100 - 240 VAC;

- Bộ nhớ FX3U-2HSY-ADP: 64000 steps;

6.1.2 Hình dáng bên ngoài và cấu trúc phần cứng a) Hình dáng bên ngoài của FX3U - 32MR/ES - A

❖ Đối hình dáng bên ngoài của bộ điều khiển PLC FX3U như trong hình 6.3:

Hình 6.3: Hình dáng bên ngoài của bộ điều khiển PLC FX3U [17]

❖ Sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển PLC FX3U như trong hình 6.4:

Hình 6.4: Sơ đồ chân kết nối của bộ điều khiển PLC FX3U [17] b) Cấu trúc phần cứng

Cấu trúc phần cứng của một bộ điều khiển PLC gồm các module:

❖ Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU)

❖ Module quản lý ghép nối đầu ra, đầu vào

Sơ đồ khối tổng quan kết nối với bộ điều khiển lập trình PLC FX3U - 32MR/ES

Hình 6.5: Sơ đồ tổng quan kết nối với FX3U - 32MR/ES - A 6.1.3 Các bộ nhớ và giao diện làm việc a) Các bộ nhớ

Có hai loại bộ nhớ: Bộ nhớ thiết bị bit, vùng nhớ dữ liệu

Bộ nhớ thiết bị bit gồm có:

❖ Tiếp xúc hình ảnh bộ nhớ: Relay đầu vào (X), Relay đầu ra (Y), Relay đầu phụ trợ (M), Relay trạng thái (S)

❖ Tiếp điểm bộ hẹn giờ và cuộn dây hẹn giờ

❖ Tiếp điểm bộ đếm, đếm cuộn dây và thiết lập lại cuộn dây

❖ Thanh ghi giá trị hiện tại bộ hẹn giờ (T)

❖ Thanh ghi giá trị hiện tại bộ đếm (C)

❖ Thanh ghi mở rộng b) Giao diện làm việc

GX Works2 là phiên bản nâng cấp và thay thế cho GX Developer bị hạn chế một số tính năng Những cải tiến trong phiên bản phần mềm này gồm có:

- Giao diện được thiết kế lại một cách trực quan hơn để thuận tiện cho người sử dụng

- Thư viện các module được cập nhập đầy đủ hơn

- Hỗ trợ thêm những ngôn ngữ lập trình như LAD, FBD và SFC

- Thao tác tùy chỉnh các thông số dễ dàng

- Bộ cài đặt được tích hợp thêm các gói phần mềm hỗ trợ

Giao diện làm việc như trong hình 6.6 được trình trên bởi phần GX Works2 hỗ trợ cho PLC FX3U [17]:

Hình 6.6: Giao diện lập trình GX Works2

Các lệnh cơ bản

Lệnh LD, LDI được thể hiện như trong bảng 6.1:

Chức năng Ngôn ngữ Ladder Lệnh thực thi Toán hạng

Tiếp điểm NO Dẫn điện khi hiện trạng bật thiết bị LD X, Y, M, S, D,

Tiếp điểm NC Dẫn điện khi hiện trạng tắt thiết bị LDI X, Y, M, S, D,

Lệnh OUT được thể hiện như trong bảng 6.2:

Chức năng Ngôn ngữ Ladder Lệnh thực thi Toán hạng

Lệnh đầu ra cuộn cảm Khi điều kiện đầu vào trước đó đã thoả mãn, dữ liệu trong thiết bị cài đặt được xuất ra

Lệnh SET, RST được thể hiện như trong bảng 6.3:

Chức năng Ngôn ngữ Ladder Lệnh thực thi

Lệnh này sẽ bật thiết bị và duy trì hiện trạng bật Đầu ra được duy trì ngay cả khi điều kiện đầu vào không được thoả mãn SET Y, M,

Lệnh huỷ duy trì vận hành (RST) Hiện trạng huỷ bật và huỷ thiết bị đầu ra tới thiết bị được chỉ định

Lệnh PLS, PLF được thể hiện như trong bảng 6.4:

Chức năng Ngôn ngữ Ladder

Toán hạng Đầu ra cạnh sườn lên (PLS) Dữ liệu được chuyển ra một thiết bị được chỉ định ở lần quét đầu tiên sau khi thoả mãn đầu vào

PLS Y, M Đầu ra cạnh sườn lên (PLF) Dữ liệu được chuyển ra một thiết bị được chỉ định ở lần quét đầu tiên sau khi không thoả mãn đầu vào

Lệnh Timer được thể hiện như trong bảng 6.5:

Vận hành bộ thời gian Thiết bị hẹn giờ với đầu ra là OUT để đo thời gian bật

Việc hết thời gian cho phép sẽ xảy ra khoảng thời gian quy định

TxxxK T Ở trong bảng 6.5 có Txxx là số đếm thời gian (các số được gán ở dạng thập phân), điều này tuân theo như trong bảng 6.6

Bảng 6.6: Thông số cài đặt thời gian trong PLC FX3U [17]

Cách tính thời gian đặt trước: Thời gian đặt trước = Giá trị thời gian cơ sở x giá trị cài đặt (K)

Bộ đếm trong PLC Mitsubishi được sử dụng để đếm giá trị khi nhận tín hiệu tích cực đầu vào thì bộ đếm tăng lên 1 đơn vị, bộ đếm được ký hiệu bằng chữ C (tiếng anh là Counter)

Lệnh Counter được thể hiện như trong bảng 6.7:

Bộ đếm kết hợp với một đầu ra, bộ đếm sẽ đếm khi điều kiện thoả mãn OUT Cxxx K C

Hằng số (K) là giá trị đặt trước như trong bảng 6.8) có thể được chỉ định trực tiếp trong bộ nhớ chương trình, hoặc được chỉ định gián tiếp bởi nội dung của thanh ghi dữ liệu (D)

Bảng 6.8: Thông số cài đặt bộ đếm trong PLC FX3U [17]

Lệnh MOV được thể hiện như trong bảng 6.9:

Chức năng Ngôn ngữ Ladder Toán hạng

Chuyển dữ liệu từ vùng nhớ này sang vùng nhớ khác

Các lệnh nâng cao

Lệnh DECO là lệnh giải mã dữ liệu từ nhị phân sang thập phân Có cấu trúc lệnh như sau: [DECO S D n] [17]

Trong đó: S: Dữ liệu được giải mã hoặc số hiệu thiết bị lưu trữ dữ liệu được giải mã

D: Đầu số hiệu thiết bị lưu trữ kết quả giải mã n: số bit cần chuyển đổi từ (1− 8) Cấu trúc một chương trình như trong hình 6.7:

Hình 6.7: Cấu trúc lệnh DECO

▪ Chuyển ON vị trí bit của D, tương ứng với giá trị nhị phân do n bit dưới bit chỉ định tại S như trong hình 6.8

Hình 6.8: Cách giải mã bit nhị phân

▪ Giá trị n được chỉ định trong khoảng từ 1 đến 8

▪ Không thực hiện quá trình nào n = 0 và không có sự thay đổi chi tiết do D chỉ định

▪ Giá trị bit được xem như 1 bit, và thiết bị từ 16 bit

6.3.2 Lệnh điều khiển vị trí a) Lệnh PLSY

PLSY là điều khiển xung dưới dạng 16 bit Có cấu trúc lệnh như trong hình 6.9:

Hình 6.9: Cấu trúc lệnh PLSY

Trong đó: S1 Tần số xung phát xung Phạm vi cho phép cài đặt 1 đến 32767

S2 Số xung đầu ra Phạm vi cho phép cài đặt 1 đến 32767 (Hz)

D Số thiết bị (Y) nơi phát xung ra Phạm vi cho phép cài đặt Y000, Y001 b) Lệnh DRVI, DDRVI

DRVI là điều khiển vị trí tương đối dưới dạng 16 bi Có cấu trúc lệnh như trong hình 6.10:

Hình 6.10: Cấu trúc lệnh DRVI

Trong đó: S1 Số xung cần phát Phạm vi cho phép cài đặt −32768 đến +32767

S2 Số xung đầu ra Phạm vi cho phép cài đặt 10 to 32767 (Hz) D1 Số thiết bị (Y) nơi phát xung ra

D2 Số thiết bị (Y) mà tín hiệu hướng quay được xuất ra

DDRVI là điều khiển vị trí tương đối dưới dạng 32 bit Có cấu trúc lệnh tương tự DRVI, khác ở phạm vi cài đặt Đối với S1 phạm vi cho phép cài đặt -999 999 đến 999

999 (Hz), S2 cho phép cài đối với FX3U PLC từ 10 đến 200000 Hz, FX3G / FX3U / FX3GC / FX3UC PLC từ 10 to 100 000 Hz c) Lệnh DRVA, DDRVA

DRVA là điều khiển vị trí tuyệt đối dưới dạng 16 bit Có cấu trúc lệnh như trong hình 6.11:

Hình 6.11: Cấu trúc lệnh DRVA

Trong đó: S1 Số xung cần phát Phạm vi cho phép cài đặt −32768 đến +32767

(Hz) S2 Số xung đầu ra Phạm vi cho phép cài đặt 10 đến 32767 (Hz) D1 Số thiết bị (Y) nơi phát xung ra

D2 Số thiết bị (Y) mà tín hiệu hướng quay được xuất ra

DDRVA là điều khiển vị trí tuyệt đối dưới dạng 32 bit Có cấu trúc lệnh tương tự DRVA, khác ở phạm vi cài đặt Đối với S1 phạm vi cho phép cài đặt −999 999 đến

−999 999 (Hz), S2 cho phép cài đối với FX3U PLC từ 10 đến 200000Hz, FX3G/FX3U/FX3GC/FX3UC PLC từ 10 to 100 000 Hz d) Lệnh ZRN, DZRN

ZRN là lệnh điều khiển vị trí về gốc dưới dạng 16 bit Có cấu trúc lệnh như trong hình 6.12:

Hình 6.12: Cấu trúc lệnh ZRN

Trong đó: S1 Tốc độ quay về gốc ban đầu Phạm vi cho phép cài đặt −32768 đến +32767 (Hz)

S2 Tốc độ giảm tốc Phạm vi cho phép cài đặt 10 đến 32767 (Hz) S3 Tín hiệu ở gần điểm gốc

D Số thiết bị (Y) mà tín hiệu xung được xuất ra

Định thời vị trí tuyệt đối trong 32 bit là DZRN Cấu trúc lệnh giống ZRN, nhưng phạm vi thiết lập khác Với S1, phạm vi thiết lập cho phép là 10 đến 32.767 (Hz) Còn S2 cho phép đối với FX3U PLC từ 10 đến 200.000 Hz Đối với FX3G/FX3U/FX3GC/FX3UC PLC là từ 10 đến 100.000 Hz.

Thiết kế chương trình điều khiển hoạt động mô hình cấp phôi tự động

6.4.1 Mô tả nguyên lý hoạt động

Khi nhấn nút Start, đèn báo trạng thái hoạt động sáng Với các xi lanh trong hệ thống ban đầu ở trang thái thu về Khi nhấn các chế độ bằng nút nhấn giả lập trên màn hình máy tính được giao tiếp với PLC: Tự động, Bằng tay, Home, Xoá lỗi

Chế độ bằng tay: Các xi lanh trong mô hình, động cơ bước, băng tải, giác hút được điều khiển riêng lẻ bằng nút nhấn giả lập trên máy tính

Chế độ tự động: Điều khiển theo một chu trình được lập trình như sau:

❖ Khi nhấn nút start sẽ báo đèn sáng, bộ trượt đã về vị trí home, nhấn nút auto, băng tải chạy, xi lanh đẩy phôi đi ra thì cảm biến quang phát hiện Xi lanh lên đi xuống đẩy ra, giác hút mở ra, chờ khoảng thời gian để ổn định giác hút Sau hết thời gian chờ giác hút ổn định hút vật, xi lanh lên xuống đi lên Bộ trượt tịnh tiến đang ở vị trí lấy phôi (trùng với vị trí gốc) đi đến vị trí phân loại đã xác định trước khi lưu điểm trước đó

❖ Bộ trượt tịnh tiến đã đến vị trí phân loại, xi lanh xoay quay 90 độ, xi lanh đi xuống ổn định với thời gian nhất định, giác hút đóng lại Xi lanh lên xuống đi lên, xi lanh xoay trở lại vị trí ban đầu Vật đã xuống băng tải sẽ có 2 trường hợp xảy ra Trường hợp 1 cảm biến tiệm cận kim loại phát hiện sẽ xi lanh phân loại sản phẩm kim loại đi ra đẩy vật vào thùng chứa phôi sau đó thu về, đếm vật chứa kim loại Trường hợp 2 cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện đếm vật bằng nhựa, khi cho vật chạy hết băng tải

❖ Bộ trượt tịnh tiến từ vị trí phân loại trở về vị trí lấy phôi ban đầu trùng với vị trí home

Khi nhấn nút dừng khẩn cấp đèn báo dừng sáng, mọi hoạt động trong hệ thống dừng lại lập tức, reset tất lại tất các xi lanh

6.4.2 Quy định thiết bị kết nối đầu vào/ra a) Các đầu vào

Các địa chỉ quy định đầu vào được thể hiện ở bảng 6.10:

Bảng 6.10: Quy định đầu vào

1 X0 Start Nút nhấn khởi động toàn bộ hệ thống

2 X1 Stop Dừng toàn bộ thiết bị và reset toàn các xi lanh

3 X2 CB2 Cảm biến từ trên xi lanh xoay báo đã xoay 90 độ so với trạng thái ban đầu

4 X3 CB3 Cảm biến từ trên xi lanh xoay báo ở trạng thái ban đầu

5 X4 CB4 Cảm biến từ trên xi lanh lên xuống báo ở trạng thái ban đầu

6 X5 CB5 Cảm biến từ trên xi lanh lên xuống báo đi hết hành trình

7 X6 CB6 Cảm biến từ trên xi lanh phân loại báo đi hết hành trình

8 X7 CB7 Cảm biến từ trên xi lanh phân loại ở trạng thái ban đầu

9 X10 CB10 Cảm biến quang thu phát báo phôi đã vào vị trí lấy phôi

10 X11 CB11 Cảm biến quang báo module truyền động trục vít ở giới hạn dưới hoặc vị trí gốc

11 X12 CB12 Cảm biến tiệm cận từ phát hiện phôi bằng nhôm

12 X13 S1 Cảm biến quang báo module truyền động trục vít ở giới hạn trên

13 X14 CB14 Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện phôi bằng nhựa b) Các đầu ra

Các địa chỉ quy định đầu ra được thể hiện ở bảng 6.11:

Bảng 6.11: Quy định đầu ra

1 Y0 Dùng để phát xung điều khiển cho động cơ bước

2 Y1 Y1 Cuộn hút của van điện từ 5/2 dùng để điều khiển xi lanh đẩy phôi

3 Y2 Y2 Cuộn hút của van điện từ 5/2 dùng để điều khiển xi lanh xoay

4 Y3 Y3 Cuộn hút của van điện từ 5/2 dùng để điều khiển xi lanh lên xuống

5 Y4 Dùng điều khiển hướng quay của động cơ bước

6 Y5 Y4 Cuộn hút của van điện từ 5/2 dùng để điều khiển xi lanh phân loại

7 Y6 Y6 Cuộn hút của van điện từ 5/2 dùng để điều khiển giác hút chân không

8 Y10 H1 Đèn báo trạng thái bắt đầu hoạt động

9 Y12 RL Dùng để đóng cắt hoạt động tiếp điểm relay trung gian 8 chân 24 VDC

10 Y13 H2 Đèn báo trạng thái dừng hoạt động

6.4.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển a) Chu trình lấy phôi

Chu trình cấp phôi được thể hiện ở hình 6.13:

Hình 6.13: Sơ đồ chu trình cấp phôi b) Chu trình vận chuyển

Chu trình vận chuyển được thể hiện ở hình 6.14:

Hình 6.14: Sơ đồ chu trình vận chuyển c) Chu trình phân loại

Chu trình phân loại được thể hiện ở hình 6.15:

Hình 6.15: Sơ đồ chu trình phân loại

Thiết kế giao diện điều khiển

6.5.1 Giới thiệu phần mềm EasyBuilder Pro

EasyBuilder Pro là một phần mềm thiết giao diện HMI của hãng Weintek phát triển Một số điểm nổi bật của phần mềm:

❖ Giao diện thiết kế thân thiện với người dùng: Giao diện người dùng Ribbon Style rất dễ sử dụng và điều hướng, ngay cả đối với người mới bắt đầu, giúp người dùng tìm thấy những gì họ cần một cách nhanh chóng để đẩy nhanh quá trình phát triển dự án của họ

❖ Thư viện đồ họa tuyệt đẹp: Thư viện đồ họa tích hợp bao gồm nhiều loại thiết kế khác nhau để giúp bạn tạo ra những giao diện bắt mắt đó Thư viện cũng chứa đồ họa vector có khả năng mở rộng mà không làm giảm chất lượng

❖ Bảo mật nâng cao: Bảo vệ các tệp dự án và tài sản trí tuệ của bạn khỏi việc sử dụng trái phép bằng các tính năng như cấm dịch ngược và bảo vệ bằng mật khẩu

6.5.2 Thực hiện thiết kế giao diện a) Cách tạo một tệp dự án mới:

➢ Khởi động EasyBuilder Pro và mở tạo một file mới

➢ Chọn File và bấm vào Open như trong hình 6.16:

Hình 6.16: Cửa sổ chọn khung mẫu

➢ Nhấn nút vào SystemParameter và bấm vào New để chọn thiết bị như trong hình 6.17:

Hình 6.17: Cửa số kết nối thiết bị

➢ Cấu hình cho các thông số như trong hình 6.18:

Hình 6.18: Cấu hình các thông số

➢ Sau đó có cửa sổ màn hình như trong hình 6.19:

Hình 6.19: Cửa sổ màn hình b) Các công cụ trên phần mềm EasyBuilder Pro

Bit Lamp: Đối tượng Bit Lamp hiển thị trạng thái của một địa chỉ bit được chỉ định Nếu trạng thái bit tắt, trạng thái 0 sẽ được hiển thị Nếu trạng thái bit bật, hình dưới dạng trạng thái 1 sẽ được hiển thị

Set Bit: Đối tượng Set Bit cung cấp hai chế độ hoạt động: thủ công hoặc tự động Chế độ thủ công có thể kích hoạt một địa chỉ bit được chỉ định để thay đổi trạng thái giữa bật và tắt khi chạm vào đối tượng Ở chế độ tự động, bit được tự động kích hoạt khi xảy ra điều kiện xác định trước, chạm vào nút sẽ không có hiệu quả

Numeric: Đối tượng số có thể được sử dụng để nhập hoặc hiển thị giá trị của một thanh ghi từ được chỉ định c) Cách sử dụng công cụ:

Nhấp vào biểu tượng [Object] ằ [Bit Lamp] trờn thanh cụng cụ để mở hộp thoại thuộc tính đối tượng Bit Lamp Thiết lập các thuộc tính, nhấn nút OK và đối tượng Bit Lamp mới sẽ được tạo như trong hình 6.20

Hình 6.20: Thiết lập Bit Lamp

Các sự cho phép cài đặt chức năng Bit Lamp được mô tả như trong bảng 6.12:

Bảng 6.12: Các chức năng cài đặt của Bit Lamp

Người dùng có thể mô tả thông tin của đối tượng

Bit Lamp / Toggle Switch Chuyển đổi giữa các tính năng Bit Lamp và Toggle Switch

Nhấp vào [Cài đặt] để chọn [Tên PLC], [Address], [Device type], [System tag], [Index register] của thiết bị bit điều khiển [Bit Lamp] đối tượng Người dùng cũng có thể đặt địa chỉ trong tab [General] trong khi thêm đối tượng mới Đảo ngược tín hiệu

86 Đảo ngược việc hiển thị trạng thái ON/OFF Ví dụ: nếu [Invert signal] được chọn, khi bit được chỉ định OFF, đối tượng hiển thị trạng thái ON

Hình dáng của vật thể có thể luân phiên giữa các trạng thái khi bit này ON hoặc OFF

Không có sự gắn định

Hình ảnh thay thế ở trạng thái 0

Sự xuất hiện của đối tượng xen kẽ giữa Trạng thái 0 và 1 khi bit OFF

Hình ảnh thay thế ở trạng thái 1

Sự xuất hiện của đối tượng xen kẽ giữa Trạng thái 0 và 1 khi bit được ON

Trạng thái 0 của đối tượng sẽ nhấp nháy khi bit OFF

Trạng thái 1 của đối tượng sẽ nhấp nháy khi bit được

ON Ẩn hình ảnh/hình dạng nếu không có hình ảnh tương ứng cho trạng thái hiện tại Nếu được chọn, khi không có đủ hình ảnh để thể hiện tất cả các trạng thái, ẩn hình ảnh Ngược lại, hiển thị trạng thái cuối cùng

Chú ý: Trong tab [Label], nếu chọn hộp kiểm [ON=OFF (sử dụng trạng thái 0)], cả trạng thái 0 và 1 đều tuân theo thiết lập trạng thái 0

Nhấp vào biểu tượng [Object] ằ [Set Bit] trờn thanh cụng cụ để mở hộp thoại thuộc tính đối tượng Set Bit Thiết lập các thuộc tính, nhấn nút OK và một đối tượng Set Bit mới sẽ được tạo như trong hình 6.21

Hình 6.21: Thiết lập Set Bit

Các sự cho phép cài đặt chức năng Set Bit được mô tả như trong bảng 6.13:

Bảng 6.13: Các chức năng cài đặt của Set Bit

Cài đặt Sự mô tả

Nhấp vào [Setting] để chọn [PLC name], [Address], [Device type],

[System tag], [Index register] của thiết bị bit điều khiển đối tượng Set Bit Người dùng cũng có thể đặt địa chỉ trong tab [General] trong khi thêm đối tượng mới

Nút viết sau khi được thả ra

Nếu chức năng này được chọn, hành động sẽ bị trì hoãn cho đến khi nút được nhả ra Mặt khác, hành động được thực hiện sau khi nhấn nút Chức năng này không hoạt động với các nút tạm thời

Set ON Đặt bật bit được chỉ định của thiết bị Set OFF Đặt tắt bit được chỉ định của thiết bị Toggle Thay đổi trạng thái bit mỗi lần nhấn Momentary Chỉ giữ bit ON khi nhấn nút

Nếu [Set style] được đặt thành [Toggle], sẽ có thêm lựa chọn để xác định xem macro có hoạt động sau khi chuyển đổi Off sang ON,

ON sang Off hay ở cả hai thay đổi trạng thái hay không Chú ý:

- Trong tab [Label], nếu chọn hộp kiểm [ON = OFF (sử dụng trạng thái 0)], cả trạng thái 0 và 1 đều tuân theo cài đặt của trạng thái 0

Nhấp vào biểu tượng [Object] ằ [Numeric] trờn thanh cụng cụ để mở hộp thoại thuộc tính đối tượng numeric Thiết lập các thuộc tính, nhấn nút OK và một đối tượng Numeric sẽ được tạo như trong hình 6.22

Các sự cho phép cài đặt chức năng Numeric được mô tả như trong bảng 6.14:

Bảng 6.14: Các chức năng cài đặt của Numeric

Allow input Nếu được chọn, các tính năng nhập liệu và cài đặt liên quan sẽ được bật Read / Write use different address

Các địa chỉ khác nhau có thể được sử dụng để đọc và ghi dữ liệu

Nhấp vào [Setting] để chọn [Device], [Address], [Device type], [System tag], [Index register] của thiết bị từ hiển thị giá trị Người dùng cũng có thể chọn tag được xác định trong Address Tag Library

Khi tùy chọn [Read/Write sử dụng các địa chỉ khác nhau] không được chọn, tiêu đề của hộp nhóm này sẽ là “Read/Write address”

Chọn [Device], [Device type], [Address] của thiết bị từ hệ thống đó ghi vào d) Tiến hành thiết kế

Khi thiết kế giao diện của trang vận hành để tạo ra nút nhấn phải sử các chức của Set Bit, Toggle Switch, Fuction keys Giao diện trang vận hành cài đặt nút nhấn với tham số biến nhớ nội M như trong bảng 6.15 [18]:

Bảng 6.15: Cài đặt thông số cho trang vận hành

STT Tên nút nhấn Biến nhớ Kiểu cài đặt

Giao diện của trang vận hành có kết quả như trong hình 6.23:

Hình 6.23: Giao diện của trang vận hành

Bảng báo lỗi sử dụng chức năng Event/ Alarm tạo bảng báo lỗi khi gặp phải

KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM

Các kết quả đạt được

Trong quá trình làm đề tài, em đã chế tạo thành công gồm các module: module cấp phôi, module vận chuyển, module phân loại

7.1.1 Chế tạo ra các module trong mô hình hệ thống a) Chế tạo module cấp phôi

Module phân loại được thể hiện như trong hình 7.1:

❖ Cấu tạo thành phần gồm có:

- Phiễu chứa phôi dạng ống mica;

Module cấp phôi dùng xi lanh tác dụng hai chiều đẩy phôi từ phiễu chứa phôi vào vị trí đã xác định Cảm biến quang dùng để phát hiện phôi vào vị trí b) Chế tạo module vận chuyển

- Module truyền động vít me (SLW 4010);

Giác hút chân không dùng để hút vật từ module cấp phôi, xi lanh lên xuống để tránh các vị trí có thể va chạm với phôi Xi lanh xoay đưa phôi từ module cấp phôi sang module phân loại Động cơ bước quay làm cho module truyền động trục vít me dịch chuyển đến các vị trí xác định Cảm biến quang, công tắc hành trình dùng dừng động cơ khi bộ trượt di chuyển hết hành trình cho phép c) Chế tạo lắp ráp module phân loại

- Cảm biến tiệm cận điện dung;

- Cảm biến tiệm cận từ

Băng tải di chuyển phôi đến các vị trí đã xác định từ trước Động cơ DC quay làm cho băng tải di chuyển theo Cảm biến tiệm cận điện dùng để phát hiện phôi nhựa Cảm biến tiệm cận từ dùng để phát hiện phôi kim loại

7.1.2 Lắp ráp hệ thống điện và khí nén

Lắp ráp hệ thống điện và khí nén được thể hiện ở hình 7.4:

Hình 7.4: Lắp ráp hệ thống điện - khí nén

- Bộ điều khiển PLC FX3U - 32MR/ES;

- Relay trung gian 8 chân 24 VDC;

- Module định vị FX3U - 2HSY – ADP

Với các nút nhấn để tác dụng khi nhấn nút thì tín hiệu gửi lên bộ điều khiển PLC FX3U – 32MR/ES làm bắt đầu hoặc dừng hoạt động mô hình hệ thống Qua đó, bộ điều khiển PLC FX3U – 32MR/ES gửi tín hiệu đến các đèn báo có thể báo trạng thái bắt đầu hoặc dừng hoạt động mô hình hệ thống Aptomat dùng bảo vệ khi có các sự cố xảy ra không thể biết trước Van điện từ dùng để điều khiển hoạt động cho các xi lanh khí nén

Bộ nguồn 24VDC cấp nguồn cho các thiết bị đầu vào / đầu ra được kết nối với bộ điều khiển PLC FX3U – 32MR/ES Module định vị FX3U - 2HSY - ADP dùng để phát xung điều khiển động cơ bước

7.1.3 Hình ảnh mô hình hệ thống

Hệ thống cấp phôi tự động được thiết kế và triển khai dựa trên sự kết hợp hài hòa của ba mô-đun thiết yếu: mô-đun cấp phôi, mô-đun vận chuyển và mô-đun phân loại Sự kết hợp này, được điều khiển bởi bộ điều khiển lập trình logic PLC FX3U-32MR/ES, mang đến một giải pháp cấp phôi hoàn chỉnh và hiệu quả, góp phần nâng cao năng suất sản xuất trong các dây chuyền lắp ráp hiện đại.

Hình 7.5: Mô hình sản phẩm

Thực nghiệm hệ thống qua giao diện điều khiển

7.2.1 Thực nghiệm hệ thống điều khiển qua giao diện

Với trang vận hành gồm có bảng lựa chọn chế độ như trong hình 7.6:

Hình 7.6: Thực nghiệm trên trang vận hành

Các chức năng của nút nhấn trên trang vận hành:

❖ Bằng tay: Dùng để điều khiển các thiết bị kết nối với PLC FX3U - 32MR/ES một cách thủ công

❖ Home: Khi nhấn nút điều khiển module bộ trượt vít me về vị trí gốc ban đầu

❖ Auto: Dùng để điều khiển các thiết bị kết nối với PLC FX3U – 32MR/ES một cách tự động

❖ Xoá lỗi: Xoá các lỗi khi gặp phải trong mô hình hệ thống đã sửa chữa hoàn tất

Hình 7.7: Thực nghiệm trên trang cài đặt

Trang cài đặt cung cấp các nút nhấn kiểm soát xi lanh, động cơ bằng tay, hiển thị vị trí hiện tại và nhập tần số phát xung cho động cơ bước.

Báo dữ liệu sản lượng phôi trên trang dữ liệu như trong hình 7.8:

Hình 7.8: Thực nghiệm trên trang dữ liệu

Giao diện hiển thị dữ liệu thời gian, dữ liệu sản phẩm cần nhập hoặc xuất theo mô hình cấp phôi tự động như minh họa trong hình 7.8 Ngoài ra, giao diện còn có các nút nhấn xóa giúp đưa sản phẩm về trạng thái ban đầu như khi chưa có sản phẩm được thêm vào.

Hiện thị đèn báo đầu ra đầu vào trên trang I/O Device như trong hình 7.9:

Hình 7.9: Thực nghiệm trên trang I/O Device 7 2.2 Bảng thông số, tính năng của mô hình hệ thống cấp phôi tự động a) Bảng thông số kỹ thuật

Khi điều khiển hoạt động mô hình hệ thống chạy thử nghiệm mẫu thu được các thông số như trong bảng 7.1 cho thấy kết quả thấp hơn so với bảng 1.1 phạm vi cho phép vì cài đặt thời gian trễ thấp, lựa chọn động cơ bước quay với tần số thấp:

Bảng 7.1: Thông số mô hình hệ thống

Tham số mô hình hệ thống Giá trị (đơn vị)

Kích thước tổng thể mô hình (HxWxL) 388,3 x 700 x 816,5 (mm) Tần số chạy phát xung chạy lệnh tương đối 1000 (Hz)

Tần số về Home 1000 (Hz)

Tần số chạy phát xung lệnh tuyệt đối 1000 (Hz)

Thời gian chu trình chạy thử 36,5 (giây) Áp suất làm việc cho mô hình 0,2 – 1 (MPa)

Dòng động cơ bước hoạt động 0,5 (A)

Số xung / vòng quay cài đặt 200 (xung / vòng) b) Tính năng của giao diện điều khiển

Với bảng thông số trên giao diện cho phép nhập giá trị tần số như trong hình 7.10:

Hình 7.10: Nhập giá trị cho các tần số

Các tính năng của hệ thống:

- Ô vị trí hiện tại cho phép hiện số xung cần phát ra

- Ô tần số home cho phép nhập số xung cần chạy về vị trí toạ độ gốc

- Ô tần số JOG cho phép chạy số xung với lệnh điều khiển vị trí tương đối

- Ô tần số chạy cho phép chạy số xung với lệnh điều khiển vị trí tuyệt đối

- Ô vị trí lấy phôi, vị trí phân loại cho lưu điểm tần số vừa chạy đến điểm đó

Hình 7.11: Hiện thị báo lỗi

Bảng các lỗi như trong hình 7.11 sẽ được hiện thị lên trang vận hành khi mô hình hệ thống gặp sự cố xảy ra có thể sửa chữa dễ dàng hơn.

Hướng dẫn sử dụng

- Kiểm tra thiết bị: Đảm bảo các thiết bị hoạt động đều bình thường, đấu nối đúng chân thiết so với bản vẽ thiết kế,

- Phôi: Sử dụng phôi có chất lượng tốt, kích thước và hình dáng phù hợp yêu cầu gia công

- Đặt phôi vị trí phễu chứa phôi

- Thiết lập các dữ liệu như tần số, thời gian… Đảm bảo tính ổn định, an toàn trước khi vận hành

- Đảm bảo rằng tất cả các biện pháp an toàn đang hoạt động đúng cách, bao gồm các cảm biến an toàn, các thiết bị ngắt mạch, và các biện pháp bảo vệ khác

- Bật nguồn 220 VAC và 24 VDC để mô hình hệ thống có thể hoạt động

- Bấm nút nhấn start, kết nối bộ điều khiển PLC với máy tính, khởi động và thực hiện các thao tác vận hành trên giao diện

- Theo dõi quan sát dữ liệu, quá trình hoạt động của mô hình hệ thống để đảm bảo rằng nó diễn ra một cách mượt mà và không gặp phải vấn đề gì

❖ Các sự cố thường gặp và biện pháp xử lý

Các sự cố xảy ra khi vận hành thường sẽ không tránh khỏi, khi thiết kế có liệt kê một số trường hợp và cách xử lý như trong bảng 7.2:

Bảng 7.2: Trường hợp sự cố xảy ra khi vận hành

STT Sự cố thường gặp Biện pháp xử lý

Phôi chưa vào vị trí lấy phôi khi đó cảm biến quang chưa nhận thấy tín hiệu

Xem bảng báo lỗi ở giao diện trang vận hành, từ đó biết có thể thêm cấp phôi

Khí nén yếu hoặc hết khí nén

Khi thao tác tại giao diện trang điều khiển, nếu hệ thống báo lỗi khí nén yếu, hãy nhanh chóng nhấn nút dừng khẩn cấp Đồng thời, cung cấp thêm khí nén cho hệ thống Sau đó, nhấn nút khởi động (start) để mô hình hệ thống hoạt động trở lại bình thường.

Nhấn nút Auto khi đó mô hình không chạy tự đông

Kiểm tra đã nhấn nút Start chưa, có thể nhìn trạng thái đèn màu xanh ở sáng lên Xem bảng báo lỗi ở giao diện trang vận hành,bắt đầu lại từ đầu bằng cách nhấn nút Home trên màn hình

Trường hợp này, do lấy vị trí chưa chính xác, cách xử lý như sau:

- Đặt lại các vị trí hiện tại bằng cách dịch chuyển module truyền động vít me đến vị trí;

- xác định trước và nhấn nút lưu từng vị trí;

- Đặt lại thông số vị trí hiện tại bắt đầu chạy ở vị trí 0,00 mm bằng cách nhập từ bàn phím.

Những khó khăn của đề tài

Đầu tiên, tác giả lựa chọn một đề tài để nghiên cứu đó là một thách thức Trong khi làm đề tài nghiên cứu gặp khó khăn trong việc truy cập vào các tài nguyên cần thiết như tài liệu, phần mềm, thiếu kinh phí ngân sách để thực hiện đề tài Việc lập trình cho mô hình hệ thống đòi kiến thức lập trình nâng cao đối với bài toán điều khiển động cơ bước

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi tự động sử dụng bộ điều khiển PLC
Tác giả	Phan Xuân Tần
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Văn Tuấn
Trường học	Trường Đại học Phenikaa
Chuyên ngành	Kỹ thuật Cơ điện tử
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	156
Dung lượng	4,31 MB