THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Khi đóng mạch điện, động cơ 1 hoạt động làm quay băng tải đẩy phôi( gỗ tấm) đã được cấp sẵn trên băng tải đến khi chạm công tắc hành trình K1. K1 là công tắc hành trình kết hợp vừa là thường đóng của động cơ 1, vừa là thường mở của van điện khí nén.

Đồ án môn học là một trong những đồ án đúc kết lại quá trình học tập của sinh viên qua nhiều môn học Nó là tiền đề cho đồ án tốp nghiệp sau này cũng như là giúp sinh viên nhận thức bước đầu công việc sau này phải làm

Trong các đồ án môn học, thì đồ án hệ thống điều khiển tự động là một đồ án cũng rất quan trọng Nó là một đồ án đúc kết từ nhiều môn học khác nhau như: sức bền vật liệu, điều khiển thuỷ lực và khí nén, máy công cụ, cơ sở thiết kế máy, kỹ thuật điều khiển tự động, điều khiển thuỷ khí và lập trình PLC…

Là một đồ án không những áp dụng những môn học chủ yếu của ngành, con ứng dụng một số môn học điều khiển tự động

Trong đồ án này, hệ thống mà nhóm em chọn để thiêt kế là hệ thống cưa gỗ bàng lưỡi cưa đĩa tự động điều khiển bằng khí nén và mạch điện Đây cũng

là một hệ thống có thể ứng dụng tốt cho thực tế, nó sẽ góp phần giảm được nhân công trong các nhà máy chế biến các sản phẩm từ gỗ như: bàn, ghế, tủ, giường…

mà các sản phẩm này cũng đang được sản xuất rộng rãi tại các nhà máy gỗ do Đài Loan đầu tư để xuất khẩu

Do đây là đồ án điều khiển tự đông đầu tiên mà nhóm em thiết kế, nguồn tài liệu và kiến thức còn nhiều han chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, mong thầy cô và các bạn thông cảm

Cuối cùng nhóm em xin cảm ơn Thầy Bùi Trương Vĩ, các thầy bộ môn và các bạn đã góp ý và giúp đỡ tụi em hoàn thành đồ án này

Nhóm sinh viên thực hiện

Đoàn Ngọc Hậu Đồng Thành Đạt Phạm Thanh Phương

Chương I: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY

I Nguyên lý làm việc:

Hình 1_1 sơ đồ nguyên lý hoạt động

Hình 1_2 sơ đồ mạch điện điều khiển

Hình 1_3 sơ đồ mạch khí nén điều khiển Khi đóng mạch điện, động cơ 1 hoạt động làm quay băng tải đẩy phôi(

gỗ tấm) đã được cấp sẵn trên băng tải đến khi chạm công tắc hành trình K1 K1 là công tắc hành trình kết hợp vừa là thường đóng của động cơ 1, vừa là thường mở của van điện khí nén Khi phôi chạm vào K1 thì ngắt mạch động cơ 1 làm băng tải dừng, đồng thời đóng mạch điện của van điện, làm cho van điện có tín hiệu tác động, cho khí nén qua đẩy pistông co mang lưỡi cưa đang quay cưa đứt phôi Khi cắt xong, đến cuối hành trình thì pistông chạm vào nút ấn thường mở K3 đóng mạch động cơ 2 làm băng tải đưa phôi ra hoạt động mang phôi đã được cắt ra Khi phôi đã được cắt ra không còn tác dụng vào K1 nữa thì K1 trở về vị trí ban đầu

Do pitông vẫn duỗi thẳng nên không tác dụng vào nút ấn thường mở K2 nên động

cơ 1 vẫn không hoạt động Bên cạnh đó van điện bị ngắt và trở về vị trí ban đầu nhở tín hiệu tác dụng của lò xo, đưa pistông về vị trí ban đầu và tác dụng vào nút

ấn thường mở K2 dóng mạch động cơ 1 Quá trình hoạt động cư thế được thực hiện lại như trên cho đến khi ngắt nguồn điện cung cấp vào hệ thống

Chu trình hoạt động.

Khi ấn nút ấn công tắc start thì động cơ 1 hoạt động ,động cơ 1 truyền động thông qua bộ truyền xích làm quay băng tải 1 đưa phôi vào, sau một thời gian phôi sẽ chạm vào công tắc hành trình M1 Lúc này động cơ 1 được ngắt điện, đồng thời van điện từ 5 cửa 2 vị trí sẽ được đóng điện và động cơ 2 hoạt động, điều khiển pistong mang lưỡi cắt vào cắt vật liệu,sau một thời gian lưỡi cắt sẽ cắt xong vật liệu và đến cuối hành trình của pistong sẽ chạm váo công tắc hành trình M3 làm động cơ 3 quay đưa sản phẩm ra ngoài , khi sản phẩm ra khỏi băng tải 2 sẽ không còn chạm vào công tắc hành trình M1 làm van 5 cửa 2 vị trí mất điện điều khiển pistong mang lưỡi cắt rút về Đến cuối hành trình rút về sẽ chạm vào công tắt hành trình M2 lúc này động cơ 2 ngưng hoạt động,chu trình lại được tiếp tục

II.Khả năng ứng dụng vào thực tế:

Trong thực tế, hiện nay có rất nhiều cơ sở sản xuất đồ gỗ dân dụng cung cấp trong nước và dùng làm hàng xuất khẩu những mặt hàng như giường, tủ, bàn, ghế… Máy được ứng dụng để cắt gỗ từ tấm hoặc thanh dài thành từng đoạn bằng nhau đảm bảo được độ chính xác cao, và cung cấp cho các nguyên công gia công khác là: bào, lắp ghép, đánh bóng và sơn Nguyên công cát này có thể kết hợp cùng với nguyên công bào tạo thành một dây chuyền tự động, giảm được nhân công đồng thời tăng được năng xuất( do kích thước được xác định do máy) đảm bảo được độ chính xác cao, tạo điều kiện cho việc lắp ghép được chính xác

Bên cạnh đó, nếu tính toán và chọn lại công suất động cơ theo chế độ cắt sắt thép, thì máy còn ứng dụng để cắt thép tấm, cắt tôn trong các nhà máy cắt tôn….Mà chỉ cần tính toán và thay thế cụm dao cắt, còn các bộ phận còn lại vẫn được giữ nguyên

Chương II: PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ MÁY

I Phân tích các phương án và chọn phương án thiết kế máy:

1.Chọn phương án cắt:

+ Phương án cho lưỡi cưa chạy từ trên xuống:

Đây là phương án thích hợp đối với cắt gỗ có dạng thanh, bề rộng cắt phải nhỏ hơn đường kính của lưỡi cưa và chiều sâu cắt phải nhỏ hơn bán kính lưỡi cưa, cần lực cắt lớn( bởi vì chiều dài cắt lớn) Đối với phương án này thì khi cắt không cần kẹp chặt chi tiết theo phương thẳng đứng, chi cần cố định hai bên chi tiết, lưỡi cưa thực hiện chuyển động cắt từ trên xuống sẽ tạo nên lực ép kẹp chi tiết theo phương thẳng đứng Phương án này có nhiều hạn chế, không ứng dụng cắt được những phôi có chiều rộng cắt lớn hơn đường kính của lưỡi cưa

+ Phương án cho lưỡi cưa chạy ngang;

Đây là phương án có thể cắt được gỗ có dạng thanh hoặc dạng tấm có chiều rộng cắt lớn hơn đường kính lưỡi cưa, chiều sâu cắt nhỏ hơn bán kính lưỡi cưa lực cắt nhỏ hơn so với phương án trên, ứng dụng cắt được nhiều chi tiết có chiều rộng cắt khac nhau Phương án này cần cố định chi tiết theo phương thẳng đứng và một bên đối diện với lưỡi cưa của chi tiết Phương án này có nhiều

ưu điểm hơn so với phương án trên nên chọn phương án này để bố trí và thiết kế máy

2.Chọn hệ thống cấp và thoát phôi:

Hệ thống cấp và thoát phôi ở đay có thể sử dụng nhiều loại như:

hệ thống băng tải, hệ thống băng tải sử dụng con lăn, xích tải…Đối với băng tải thì

có hệ thống các con lăn ở phía dưới băng tải để tăng độ cứng vững khi vận chuyển của băng tải, băng tải chỉ cần cung cấp chuyển động cho một trục, các truc còn lại

và các con lăn chuyển động nhờ ma sát giữa bề mặt con lăn và băng, băng tải có thể là băng tải dạng đai Còn đối với băng tai gồm hệ thống các con lăn thì cần phải cung cấp chuyển độngcho một trục, giữa các trục còn lại và trục được cung cấp chuyển động cần có thêm một bộ truyền để liên kết chuyển dộng với nhau, do

vậy cần phải thiết kế thêm bộ truyền xích dùng chung cho các trục cần cấp chuyển động, do đó việc lắp ráp yêu cầu độ chính xác cao hơn xo với băng tải đai nhưng lại thích hợp với việc vận chuyển các loại nguyên liệu có dạng tâm hơn băng tải đai Còn băng tải xích thì có kết cấu gần giống với băng tải đai, việc chế tạo và lắp ráp băng tải xích yêu cầu độ chính xác cao hơn băng tải đai, khả năng làm việc tốt hơn băng tải đai nhưng giá thành cao hơn Do gỗ là loại vật liệu tương đối nhẹ nên

ta sử dụng băng tải đai để thiết kế

3.Chọn hệ thống cung cấp chuyển động tịnh tiến cho lưỡi cưa:

a.Sống trượt:

Sống trượt là một bộ phận dùng để dẫn hướng cho các bộ phận di động, ngoài đảm bảo khả năng di động sống trượt còn có nhiệm vụ truyền lực Do

đó sống trược cần thỏa mãn một số yêu cầu sau:

- Bề mặt làm việc phải chịu độ mài mòn cao

- Phải đảm bảo độ chính xác truyền động

- Các sống trược cần phải có khả năng điều chỉnh khe hở và các biện pháp bảo vệ để chống nhiễm bẩn và tránh tác dụng trực tiếp của phoi

- Ngoài ra độ cứng vững và độ bền phải đảm bảo yêu cầu

Có nhiều loại sống trượt khác nhau như: sống trượt phẳng, sống trược lăng trụ, sống trượt rãnh chữ V, sống trược đuôi én, sống trượt hình trụ Bên cạnh các sống trược còn có sống lăn

So với sống trượt, sống lăn có hệ số ma sát nhỏ hơn khoảng 20 lần, việc sửa chữa sống lăn cũng dễ dàng hơn sống trược nhưng sống lăn có giá thành cao, bề mặt làm việc của sống lăn phải gia công rất chính xác và việc bảo vệ sống lăn yêu cầu phức tạp hơn Do đó sử dụng sống trượt để dùng truyền động

Việc sử dụng loại sống trượt nào còn phải tùy thuộc vào kết cấu của máy Ở đây, do cần sử dụng 2 sống trượt để truyền động sử dụng sống trượt trụ, vì sống trượt trụ có kết cấu đơn giản dễ chế tạo nhưng độ cứng vững kém Do

đó sử dụng 2 sống trượt cùng lúc để tăng độ cứng vững của sống trượt

Hình 2-1 kết cấu sống trượt trụ

b Hệ thống thủy lực và khí nén:

Để truyền chuyển động cho máy chạy doc theo sống trượt thì có thể sử dụng mạch khí nén hoặc mạch thủy lực để truyền chuyển động và truyền lực Đối với mạch khí nén thì lực của pittong sinh ra nhỏ và không ổn định do khí

có tính chất nén được và dễ bị mất trong khi truyền, khó điều chỉnh vận tốc khi cưa, nhưng các thiết bị đơn giản, rẽ tiền Còn với mạch thủy lực thì lực sinh ra tốt,

ổn định do chất lỏng không có tính nén được, dễ điều chỉnh vận tốc và lực đẩy bằng cách điều chỉnh lưu lượng nhờ các van tiết lưu Tuy nhiên các phần tử của hệ thống thủy lực đắt hơn nhiều so với các phần tử khí nén

Ở đây ta chọn hệ thống khí nén vì cấu tạo của hệ thống đơn giản so với hệ thống thủy lực

Sơ đồ nguyên lý của cụm truyền động cho lưỡi cưa:

Hình 2_2 sơ đồ nguyên lý cụm truyền động cho lưỡi cưa 1_Lưỡi cưa; 2_ Bộ truyền đai; 3_ Sống trượt; 4_ Động cơ

II Tính toán hệ thống dẫn động băng tải:

1.Tính toán băng tải:

Hệ thống cấp phôi vào máy để cưa ta chọn hệ thống dẫn động bằng băng tải

để cấp phôi Từ trục động cơ qua trục chủ động của băng tải ta chọn bộ truyền xích và một bộ truyền bánh răng để giảm tốc cho băng tải

Hình 2_3 sơ đồ kết cấu băng tải Các số liệu ban đầu: Tốc độ vận chuyển của băng tải: v=2(m/s)

Năng suất vận chuyển của băng tải: Q Chiều dài của băng tải: L= 2m

Bề rộng băng: B= 600mm

Số lượng của lớp lõi: Z= 3 Chọn vật liệu làm băng là vải dệt tổng hợp Đường kính tang: D> k.Z= 125.3 = 375 Đối với tang dân co Z= 3 thì k = 125 Chọn D = 400mm

Nhằm tạo lực căng ban đầu cho tấm băng để có thể truyền lực ma sát Ngoài ra sau thời gian làm việc băng bị dãn nên cần thiết phải căng băng Sử dụng vít điều chỉnh cứng để căng băng:

Hình 2_4 kết cấu của vít điều chỉnh Năng suất vận chuyển của băng tải:

v q

Q  0 , 36

Mặt khác:Năng suất vận chuyển của băng tải là:



3600 A v

Q 

Với   30kg/m3  0 , 03T/m3: khối lượng riêng của ván gỗ A= 0,5.0,14 = 0,07m2: diện tích tiết diện của ván gỗ

Q= 3600.0,07.0,03= 15,12 T/m3

Lực cản trên những đoạn băng có tải:

Wct= ( qvl + qbt + qcl)L.c

Chọn c= 1,3: hệ số cản chuyển động

0

/ 21 2 36 , 0

12 , 15

36 , 0















Z B q

m N v

Q q

bt vl

Chọn: 0  1 , 1,   0 , 2 ; 1  2  0 , 4

qbt= 1,1.0,6.(0,2.3+ 0,4 + 0,4).10-3= 0,001N/m

Chọn t= 0,5m

Giả sử trọng lượng phần quay của con lăn : Gcl= 3N

Trên 2m băng tải có 4 con lăn

m N t

G

5 , 0

3 4







Vậy : Wct= (21 + 0,001 + 24).1,3.2= 117N

Lực cản chuyển động trên đoạn băng không tải :

Wkt= (qbt + qcl’ ).L.c

Chọn t’= 1m, số con lăn chịu không tải là 2 con

m N t

G

1

3 2

'

Vậy : Wkt= ( 0,001 + 6).1,3.2= 16N

Vậy : W0= Wct + Wkt = 117 + 16 =133N

Công suất của động cơ là :

N v

W

96 , 0 1000

2 133

1000

.





Do đó tra bảng P1.3 sách TTTKHDDCK_ Trịnh Chất chọn động cơ có

ký hiệu4a71A6Y3 có công suất của động cơ là : N= 0,37 kW

Số vòng quay của động cơ : n= 920 vg/phút

Số vòng quay của tang :

phut vg D

v

400 14 , 3

2 1000 60

1000 60









 9 , 6

96

920





i = ix.ibr

Chọn ix= 3, ibr= 3,2

1.Thiết kế bộ truyền xích:

Chọn xích ống con lăn vì giá thành rẻ hơn xích răng

Định số răng đĩa xích

Vói tỉ số truyên i=3 chọn số răng đĩa xích dẫn là: Z1=25

Số răng đĩa xích bị đẫn là:Z2=3.25=75

Vì Z1 và Z2 nênlaays số lẻ ăn khớp với số mắt xích chẵn để cho các khớp bản lề và răng đĩa xích sẽ mòn đều hơn

Hệ số điều kiện sử dụng

K = Kđ KA K0 Kđc Kb Kc

Trong đó :

Kđ  là hệ số xét đến tính chất của tải trọng ngoài, vì tải trọng êm nên Kđ =1

KA  Hệ số xét đến chiều dài xích, chọn A =(30  50)t nên KA = 1

K0  Hệ số xét đến cách bố trí bộ truyền, chọn K0 = 1

Kđc  Hệ số xét đến khả năng điều chỉnh lực căng xích, Kđc = 1,2

Kb  Hệ số xét đến điều kiện bôi trơn, chọn Kb = 1,5 vì bôi trơn định kỳ

Kc  Hệ số xét đến chế độ làm việc của bộ truyền,bộ truyền làm việc 1 ca nên

Kc= 1

Do đó : K =1.1.1.1,2.1,5.1= 1,8

Hệ số răng của đĩa xích dẫn

1 25

25

1

01







Z

Z

K Z

Z01 : số răng đĩa dẫn của bộ truyền cơ sở

Hệ số vòng quay đĩa dẫn :

08 , 2 96

200

1

01







n

n

K n

n01 : số vòng quay đĩa dẫn của bộ truyền cơ sở

Công suất tính toán của bộ truyền:

Nt = K.KZ.Kn.N = 1,8.1.2,08.0,37=1,39 [KW]

Tra bảng 5-5( tính toán hệ thống dẫn động cơ khí) ta chọn được xích ống con lăn một dãy có [N] =1,61 [KW] t =12,5 mm

Kiểm nghiệm số vòng quay theo điều kiện :

gh

n  (TKCTM107-6.9)

Theo bảng 6-5(TKCTM) với bước xích t = 12,5 mm, số răng đĩa dẫn Z1 = 25, số vòng quay giới hạn ngh của đĩa xích có thể đến 1050[ vg/ph]

có n1 = 920 vg/ph vậy điều kiện được thoả mãn

Khoảng cách trục a và số mắt xích:

Chọn sơ bộ khoảng cách trục A Asb = 30.t = 30.12,5 = 375[ mm]

Tính số mắc xích :

112 375

5 , 12 14 , 3 2

25 75 5 , 12

375 2 2

75 25

2

2 2

2 2

1 2 2

1













 



















 









A

t Z Z t

A Z

Z

X



Chọn X= 112

Kiểm nghiệm số lần va đập trong một giây :

] u [ x 15

n Z L

v

Trong đó :

Z và n là số răng và số vòng quay trong một phút của đĩa xích

L  chiều dài xích

v  vận tốc xích (m/s)

[u]  số lần va đập cho phép trong 1 giây :

69 , 13 112 15

920 25





u

Theo bảng 6-7(TKCTM) số lần va đập cho phép trong một giây là [u] =30 cho nên điều kiện u  [u] được thỏa mãn

Tính chính xác khoảng cách trục A theo số mắc xích đã chọn :























































2 1 2

2 2 1 2

1

2

Z Z 8 2

Z Z X 2

Z Z X 4

t

A

14 , 3 2 25 75 8 2

75 25 112 2

75 25 112 4 5 ,





























 





















Để đảm bảo độ võng bình thường tránh cho xích bị căng quá, giảm khoảng cách trục một khoảng A = 0,003A = 0,003.374=1 [ mm]

Cuối cùng là lấy A = 373 [mm]

Tính đường kính của đĩa xích

 Đường kính vòng chia của đĩa xích dẫn :

73 , 99 25 180

5 , 12 180

1

c

Sin Z

Sin

t d

[mm]

Chọn dc1= 100mm

 Đường kính vòng chia của đĩa xích bị dẫn :

5 , 298 75

180

5 , 12 180

2

c

Sin Z

Sin

t d

[mm]

Chọn dc2= 300mm

Tính lực tác dụng lên trục

n t Z

N k 10 6 P k

Trong đó :

kt : hệ số xét đến trọng lượng xích lên trục, khi bộ truyền nằm ngang

kt = 1,15

89 920

5 , 12 25

37 , 0 15 , 1 10 6

10 6

7 7









n t Z

N k P

k

1.Thiết kế bộ truyền bánh răng:

Chọn vật liệu chế tạo bánh răng:

Bánh nhỏ: chọ thép 35 thưòng hoá

bk  500N/mm2; ch  260N/mm2; HB=160

(Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi dưới 100mm)

Bánh lớn: chọn thép 35 thường hoá

bk  500N/mm2 ; ch  260N/mm2; HB=160

(Phôi rèn, giả thiết đường kính phôi từ 300mm đến 500mm)

Định ứng suất cho phép:

a) Ứng suất tiếp cho phép:

Tra bảng 3-9 TKCTM-NXBGD) chọn hệ số ứng suất tiếp xúc k’N= 1 và

[σNoH]= 2,6HB: Ứng suất tiếp xúc làm việc cho phép khi bánh răng làm việc lâu

dài:

Ứng suất tiếp cho phép của bánh lớn và bánh nhỏ:

[σH] = 2,6.160 = 416 N/mm2

b) Ứng suất uốn cho phép:

Lấy hệ số chu kỳ ứng suất uốn k”N = 1

Giới hạn mỏi uốn thép 35 là:

2

35 ,

1  0 , 45 bk  0 , 45 500  225N/mm



Chọn hệ số an toàn SF = 1,5 và hệ số tập trung ứng suất tại chân răng kσ = 1,8

Ứng suất uốn cho phép ở hai bánh:

Bánh lớn:

8 , 1 5 , 1

1 225

5 , 1

5 , 1

mm N

k s

k

F

N







Sơ bộ chọn hệ số tải trọng k = 1,3

Chọn hệ số chiều rộng bánh răng: ψaw = 0,3

Chọn số răng và môdun của các bánh răng:

Số răng bánh chủ động: Z1= 20

Số răng bánh bị động là: Z2= Z1.ibr= 20.3,2= 64

Chọn mô đun của các bánh răng m= 2,5

Tính khoảng cách trục aw:

aw= 0,5.m.(Z1 +Z2 )= 0,5.2,5.(20 + 64)= 105mm

Chọn aw = 161 mm

Chiều rộng bánh răng:

b w a w w  105 0 , 3  31 , 5mm

Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng:

Hệ số dạng răng:

Bánh nhỏ: y1= 0,392

Bánh lớn: y2 = 0,517

Kiểm nghiệm sức bền uốn đối với răng bánh nhỏ :

2 2

6 1

2 1

6

5 , 31 66 , 306 20 5 , 2 392 , 0

35 , 0 3 , 1 10 1 , 19

10 1 , 19

mm N b

n Z m y

N k

w II n

II



 F F

Bánh lớn :

2 2

1 1

517 , 0

392 , 0 36 , 18

y

y

F



 F F

Kiểm nghiệm sức bền của răng khi chịu quá tải đột ngột trong thời gian

ngắn :

- Ứng suất tiếp xúc cho phép :

2

2 2 , 5 H 2 , 5 416 1040N/mm



- Ứng suất uốn cho phép :