THIẾT kế xây DỰNG mô HÌNH KHOAN tự ĐỘNG

LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển khoan 4 lỗ do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Đỗ Trọng Hiếu.. Trong xã hội ngày này thì cá

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HOÁ CÔNG NGHIỆP

====o0o====

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ XÂY DỰNG MÔ HÌNH KHOAN TỰ ĐỘNG

Trưởng bộ môn : TS Trần Trọng MinhGiáo viên hướng dẫn : TS.Đỗ Trọng HiếuSinh viên thực hiện : Bùi Văn Hải

Hà Nội, 6-2016

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan bản đồ án tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển khoan 4 lỗ

do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Đỗ Trọng Hiếu Các số liệu và kết quả hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành đồ án này em chỉ sử dụng những tài liệu ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác.Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiêm

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Bùi Văn Hải

Trong xã hội ngày này thì các thiết bị khí nén ngày càng có nhiều ứng dụng trong các ngành như giao thông, xây dựng, khai mỏ… với những ưu điểm như lực nâng lớn, lắp đặt đơn giản nên các thiết bị khí nén luôn la ưu tiên hàng đầu trong các máy móc đòi hỏi lực không quá lớn Ngoài ra để điều khiển nó rất dễ dàng nhờ sự phối hợp các thiết bị điện – khí nén thống qua các van khiến cho việc điều khiển trở nên rất linh hoạt và tiết kiệm đặc biệt là khi phối hợp điều khiển giữa điện – khí nén – PLC thì hệ thống vô cùng đơn giản và linh hoạt.

Xuất phát từ thực tế, và được sự đồng ý của thầy TS Đỗ Trọng Hiếu thì trong môn học “ Đồ Án Tốt Nghiệp” này chúng em đã lựa chọn đề tài “ Thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ khoan 4 lỗ” với nội dung bao gồm 5 phần:

Chương 1: Tìm hiểu công nghệ

Chương 2: Lựa chọn thiết bị

Chương 3: Thiết kế và lập trình điều khiển

Chương 4: Sơ đồ đi dây và lắp ráp thiết bị

Với sự cố gắng và nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ của thầy TS Đỗ Trọng Hiếu thì em đã hoàn thành bản đồ án này Tuy nhiên trong quyển đồ án này không thể tránh khỏi các thiếu sót nên em mong được sự đánh giá và nhận xét của các thầy để bản

đồ án của em hoàn thiện hơn

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của thầy TS Đỗ Trọng Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thiện quyển đồ án này

Em xin chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 1

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN THIẾT BỊ 7

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VỚI PLC 17

CHƯƠNG 4 SƠ ĐỒ ĐI DÂY VÀ LẮP RÁP THIẾT BỊ 32

KẾT LUẬN 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO .38

1.1 Giới thiệu chung

1.1.1 Đặc điểm công nghệ và một số ứng dụng

Máy khoan được sử dụng rộng dãi trong các ngành công nghiệp, khoan bo mạch điện tử, các phân xưởng gia công kim loại hay các nhà máy chế biến gỗ Cũng như các máy móc cơ khí khác như: tiện, phay, bào dần dần được tự động hóa với máy khoan cũng vậy Ngày nay với công nghệ khoa học ngày một phát triển, con người chế tạo ra các loại máy làm việc gần như tự động hoàn toàn với độ chính xác cao như máy CNC cũng có thể khoan các chi tiết như máy khoan thông thường Các máy khoan cũng được tự động hóa theo dây chuyền nhằm tăng năng suất và giảm lao động cho con người Máy khoan làm việc trong môi trường khắc nhiệt như: độ ẩm nhiệt độ cao, bụi bẩn, rung lắc, tiếng ồn lớn Bởi vậy các vấn đề trang bị điện cũng như các chi tiết cơ học phải đảm bảo độ bền cơ học cao, động cơ truyền động phải chịu được quá tải Do máy khoan được tự động hóa nên tần số làm việc lớn yêu cầu phải đảm bảo độ tin cậy cao

Bên cạnh những máy khoan được sử dựng trong các nhà mấy phân xưởng thì còn rất nhiều những máy khoan được dùng trong ngành địa chất, khoan thăm dò dầu khí, hầm

mỏ, trong xây dựng khoan nhồi cọc bê tông

1.1.2 Một số phương pháp khoan

a Khoan bằng phương pháp thủ công

Bằng cách sử dụng các thiết bị khoan bằng tay người ta có thể tạo nên các lỗ tròn trên chi tiết cần gia công Ưu điểm của phương pháp này là thiết bị đơn giản dễ chế tạo, giá thành thấp,việc sử dụng đơn giản không cần đào tạo Nhược điểm là năng suất thấp, tốn nhiều nhân công và khả năng công nghiệp không có, chỉ sử dụng trong mục đích dân dụng quy mô nhỏ

Hình 1.1 Khoan thủ công

b Khoan cỡ nhỏ

Bằng sự phát triển của công nghệ và máy móc con người đã chế tạo được những thiết bị khoan nhỏ gọn năng suất cao hơn các thiết bị khoan thủ công Tính linh động của loại khoan này cũng rất cao có thể thi công trong những vị trí hẹp và có thể di chuyển dễ dàng Nhược điểm của loại khoan này là không thế gia công được những lỗ khoan lớn, năng suất không cao, chưa thể phục vụ trong công nghiệp hóa

Hình 1.3 Máy khoan bàn

con người tính toán và thực hiện các công việc đã được lập trình sẵn một các nhanh chóng và chính xác Do sự phát triển và tính công nghiệp ngày càng cao nên việc đưa máy tính vào kết hợp với các máy khoan là sự cần thiết bởi vậy mà máy khoan CNC đã

ra đời Khoan CNC ưu điểm là tính công nghiệp cao, là một khâu quan trọng trong các xưởng gia công các nhà máy gia công chế tạo,máy khoan CNC tính tự động hóa cao nên

sử dụng ít nhân công giảm thiểu sức lao động cho công nhân, năng suất lớn tính chính xác cao Nhược điểm chế tạo khó khăn, giá thành cao, người công nhân vận hành máy cần phải đào tạo

Hình 1.4 Máy khoan CNC

e khoan cơ khí

Máy để khoan trên phôi kim loại và các vật liệu khác, máy khoan còn khoan rộng các lỗ trên vật đúc, vật rèn, vật dập, doa, xoay, tiện rộng, tiện rộng lỗ, cắt ren… Bằng các loại công cụ tiêu chuẩn như mũi khoan, mũi doa, mũi khoét,vv

Khi khoan, phôi đúng yên, mũi hoan vùa quay tròn thực hiện chuyển động chính, vừa tịnh tiến đi xuống thực hiện chuyển động chạy dao Cơ cấu chạy dao có thể bằng tay hay

tự động Độ chính xác gia công từ cấp 3 trở xuống Có thể phân loại máy khoan thành: Máy khoan vạn năng, máy chuyên môn hóa và máy chuyên dùng Máy khoan vạn năng có: Khoan đứng, khoan cần Máy khoan chuyên môn hóa có: Máy khoan tổ hợp, Máy khoan tự động Máy khoan chuyên dùng có: Máy khoan lỗ sâu và máy khoan nhiều trục chính Máy khoan còn được chia theo cách bố trí trục chính và số lượng trục như máy khoan đứng, máy khoan ngang

Hình 1.5 Máy khoan cơ khí

1.2 Tìm hiểu công nghệ

Hình 1.6 Nguyên lý hoạt độngPít tông A thực hiện đưa mũi khoan đi lên xuống, pít tông B thực hiện mũi khoan sang trái phải Pít tông C thực hiện đưa mũi khoan vào trong ra ngoài Khi ấn nút strart, hệ thống thực hiện khoan 4 lỗ vào trong-ra ngoài Khi ấn nút Start, hệ thống thực hiện khoan

4 lỗ theo thứ tự I, II, II, IV và lặp lại Khi ấn nút Stop hệ thống dừng

1.2.2 Yêu cầu điều khiển

Với công nghệ đã nêu như ở trên thì để điều khiển bài toán thì em dùng khí nén để điều khiển hệ thống

• Ưu điểm

• Bảo dưỡng, sửa chữa, tổ chức kỹ thuật đơn giản, thuận tiện

• Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng 3 ÷ 8 bar

• Khả năng quá tải lớn của động cơ khí

• Độ tin cậy khá cao, ít gặp trục trặc kỹ thuật

• Tuổi thọ lớn

• Tính đồng nhất năng lượng giữa các cơ cấu chấp hành và các phần tử chức năng báo hiệu, kiểm tra, điều khiển nên làm việc trong môi trường dễ nổ,

và môi trường đảm bảo vệ sinh cao

• Có khả năng truyền tải năng lượng xa bởi vì độ nhớt động học khí nén nhỏ

và tổn thất áp suất trên đường đi nhỏ

• Do trọng lượng của các phần tử điều khiển bằng khí nén trong hệ thống nhỏ hơn nữa khả năng giãn nở áp suất của khí nén lớn nên truyền động có thể đạt vận tốc rất cao

• Nhược điểm của khí nén

• Thời gian đáp ứng chậm hơn so với điển tử

• Khả năng lập trình kém và cồng kềnh hơn so với điện tử chỉ điều khiển được theo chương trình có sẵn khả năng điều khiển phức tạp

• Khả năng tích hợp hệ điều khiển phức tạp và cồng kềnh

• Lực truyền tải trọng thấp

• Dòng khí nén thoát ra ở đường dẫn gây tiếng ồn lớn

• Khó điều khiển được quá trình trung gian giữa hai ngưỡng

CHƯƠNG 2 LỰA CHỌN THIẾT BỊ

2.1 Chọn thiết bị mạch lực

2.1.1 Lựa chọn xylanh

Với yêu cầu công nghệ, cần lựa chọn 3 xylanh đảo chiều:

Hình 2.1 Xylanh đảo chiều

• Thông số Kỹ thuật xylanh:

Chương 2 Lựa chọn thiết bị

2.1.2 Công tắc hành trình

Với yêu cầu công nghệ, cần có 6 công tắc hành trình để giới hạn hành trình của xylanh.Khi cần có động tác chuyển đổi chắc chắn trong điều kiện hành trình dài, người ta dùng công tắc hành trình kiểu đòn Công tắc này có thể đống ngắt dòng điện một chiều 6A, điện áp 220V

Then khóa có tác dụng định vị giữ chặt tiếp điểm ở vị trí đóng Khi công tắc tác động lên con lăn, tay đòn sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ, con lăn nhờ lò xo sẽ làm cho đĩa quay

đi, tiếp điểm thường đóng mỡ ra, tiếp điểm thường mở đóng lại Lò xo sẽ kéo tay đòn về

vị trí ban đầu khi không có lực tác dụng nữa

Hình 2.2 Công tắc hành trìnhCác thống số kỹ thuật công tắc hành trình 10T85µ do hãng CQC sản xuất:

- Công tắc hành trình : 10T85µ

- Cơ cấu vận hành: loại tác động nhanh

- Cơ cấu tác động : Cần gạt có con lăn và bản lề dài

- Loại tiếp điểm : SPDT

- Dòng điện định mức : 5A

- Điện áp định mức : 250VAC

- Nhiệt độ hoạt động : -25oC đến 80 oC

- Tần số hoạt động: cơ: 240 lần/ phút ; Điện: 20 lần/ phút

- Tuổi thọ: Cơ học: 1,000,000 lần ; Điện: 500,000 lần

- Trọng lượng: 40g

2.1.3 Van phân phối điện khí nén 5/2

Với yêu cầu công nghê, cần lựa chọn 3 van điện khí nén để điều khiển xylanh

Hình 2.3 Van điện khí nén 5/2Các thống số kỹ thuật:

Bảng 2.2 thống số kỹ thuật van phân phối

Áp suất làm việc ( Mpa) 0.15 ÷ 0.8 Mpa

Áp suất chịu được tối đa (Mpa ) 1.2 Mpa

Chương 2 Lựa chọn thiết bị

2.1.4 Van tiết lưu

Khi chọn khối điều chỉnh tốc độ thì cần phải đảm bảo rằng lưu lượng khí lớn nhất qua nó không được nhỏ hơn lưu lượng lớn nhất qua van phân phối Ta phải chọn bộ điều chỉnh tốc độ sao cho nó cho phép một lưu lượng khí cần thiết đủ để điều chỉnh xung quanh mức lưu lượng khí yêu cầu

Mô hình ta dùng 6 van tiết lưu lắp trực tiếp vào đầu van khí của xilanh

Hình 2.4 Van tiết lưu

Chương 2 Lựa chọn thiết bị

• Đường kính kẹp tối đa: 6,5mm

• Điện áp: 12V

• Dòng điện: 2A

2.1.7 Bộ nguồn

Trong mô hình, các thiết bị trong hệ thống cần cung cấp nguồn 24V ổn định Do

đó, khối nguồn trong hệ thống sẽ có nhiệm vụ biến đổi dòng điện xoay chiều 220V/50HZthành dòng điện một chiều 24V

Một số yêu cầu khi chọn bộ nguồn như sau:

- Điện áp đầu vào=220VAC

- Điện áp đầu ra=24VDC, 12VDC

- Công suất > Công suất mạch lực=9,5W

- Dòng làm việc > Dòng làm việc max của mạch lực =0,5A

Do đó ta chọn bộ nguồn do Trung Quốc sản xuất có thông số như sau:

Bảng 4.6 Thông số kĩ thuật bộ nguồn

Sản phẩm Lighting Transformers

Điện áp đầu vào 110V-220V

Điện áp đầu ra 24V

Dòng định mức 3A

Chương 2 Lựa chọn thiết bị

2.2.2 Role trung gian

Với yêu cầu công nghệ, cần có 6 role trung gian để điều khiển van điện khí nén 5/2

 Thông số kỹ thuật của role trung gian MY4N:

• Số cặp tiếp điểm: 4NO, 4NC

• Dòng định mức: 5A

• Điện áp cuộn dây: 12VDC, 24VDC,

Hình 2.9 Role trung gian

2.2.3 PLC

Vì yêu cầu công nghệ có 9 đầu vào và 8 đầu ra nên chọn PLC FX3U của hãng Mitsubishi

có 32 cổng vào ra

PLC FX là một loại PLC micro của hãng MISUBISHI nhưng có nhiều tính năng mạnh

mẽ Loại PLC này được tích hợp sẵn các I/O trên CPU

 Thông số kỹ thuật:

• Bộ CPU với 32 I/O: 16 đầu vào và 16 đẩu ra (relay0

• Nguồn cung cấp 100- 240 VAC

• Công suất tiêu thụ : 35W

Chương 2 Lựa chọn thiết bị

Hình 2.10 PLC mitsubishi FX3U

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

VỚI PLC

3.1 Tổng quan về PLC Mitsubishi

PLC là bộ điều khiển lập trình “ Programmable Logic Controller”

Bộ điều khiển lập trình là một thiết bị mà người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt hay trình tự các sự kiện các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích “ ngõ vào” tác động vào PC hoặc qua các hoạt động trễ như thời gian định kì hay các sự kiện hay các sự kiện được đếm Một khi sự kiện được kích hoạt, nó ở trạng thái ON hoặc OF Một bộ lập trình sẽ liên tục “ lặp” trong chương trình do “ người sử dụng lập trình ra” chờ tín hiệu và xuất tín hiệu ở ngõ ra tại thời điểm đã lập trình

Cấu trúc của bộ điều khiển lập trình có thể được phân thành các thành phần Bộ phận

mà chương trình được nạp vào lưu trữ và xử lý thường được gọi là Main Processing hay còn gọi là CPU

Vậy, lập trình cho một PLC là đi tìm điều kiện tín hiệu ngõ vào tác động lên đối tượng điều khiển cho ngõ ra tương ứng

Hình 3.1 cấu trúc chung 1 bộ điều khiển PLC

Chương 3 Thiết kế và lập trình điều khiển với PLC

3.1.1 Ưu điểm của hệ thống sử dụng PLC

Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các khái niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC có những ưu điểm sau:

• Giảm đến 80% số lượng dây nối

• Công suất tiêu thụ của PLC thấp

• Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng

• Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình, khi không có các yêu cầu thay đổi các đầu vào ra thì không cần nâng cấp phần cứng

• Giảm thiểu số lượng role và timer so với hệ điều khiển cổ điển

• Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình

• Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC

• Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

• Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học

• Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản và sửa chữa

• Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

• Dễ dàng kết nói được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

• Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ

• Giá bán cạnh tranh

Đặc trưng của tất cả các dòng PLC bất kì lả khả năng có thể lập trình được, chỉ số IP

ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công nghiệp, yêu

tố bền vững thích nghi, độ tin cây cao, tỉ lệ hư hong rât thấp, thay thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, kha năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng trong khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động

3.1.2 Một số ứng dụng của PLC

a Dây chuyền đóng nút chai tự động được điều khiển bằng PLC

Hình 3.2 Dây chuyền đóng nút chai tự động

b Bãi đỗ xe thông minh được điều khiển bằng PLC

Hình 3.3 Bãi đỗ xe thông minh

Chương 3 Thiết kế và lập trình điều khiển với PLC

c Dây chuyền sản xuất xi măng được điều khiển bằng PLC

Hình 3.4 Dây chuyền sản xuất xi măng

d Dây chuyền sản xuất sữa điều khiển bằng PLC

Hình 3.5 Dây chuyền sản xuất sữa

3.1.1 Giới thiệu về PLC Mitsubishi FX3U (C)

PLC FX là một loại PLC micro của hãng MISUBISHI nhưng có nhiều tính năng mạnh mẽ Loại PLC này được tích hợp sẵn các I/O trên CPU

• Bộ CPU với 32 I/O: 16 đầu vào và 16 đẩu ra (relay0

• Nguồn cung cấp 100- 240 VAC

• Công suất tiêu thụ : 35W

Model như: F , F1, FX1, FX0(S), FX0N, FX1S, FX1N, FX2N…và FX3U Tùy theo Model mà các loại này có dung lượng bộ nhớ khác nhau.Dung lượng bộ nhớ chương trình có thể từ 2kStep đến 8kStep (hoặc 64kStep khi gắn thêm bộ nhớ ngoài).Tổng số I/O đối với các loại này có thể lên đến 256 I/O, riêng đối với FX3U(C) có thể lên đến 384 I/O Số Module mở rộng có thể lên đến 8 Module

Loại PLC FX tích hợp nhiều chức năng trên CPU (Main Unit) như ngõ ra xung hai tọa độ, bộ đếm tốc độ cao (HSC), PID, đồng hồ thời gian thực…

Module mở rộng nhiều chủng loại như Analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, các Module mạng như Cclink, Profibus…

Ngoài ra còn có các board mở rộng (Extension Board) như Analog, các board dùng cho truyền thông các chuẩn RS232, RS422, RS485, và cả USB

Các phương pháp lập trình như: Ladder, Instruction, SFC