Đồ án điều khiển tự động xây dựng mô hình hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động

I.1.4.Giới Hạn Đề Tài: Đề tài hướng đến xây dựng mô hình hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động song cũng chỉ dừng lại ở mức đồ án môn học, và sẽ làm cơ sở cho những dự án phát tri

LỜI NÓI ĐẦU

Đối với mỗi kĩ sư cơ khí, việc thiết kế các chi tiết cơ khí, cơ cấu cơ khí,đến các các cụm máy thực hiện các công việc phục vụ cuộc sống là hết sức thú

vị, và sẽ tuyệt vời hơn nếu chúng ta tự động hóa các cơ cấu cơ khí đó giúp máymóc thông minh và hoàn thiện hơn trong từng công việc

Trong tất cả các học phần của chương trình đào tạo, học phần thiết kế hệ

thống điều khiển tự động yêu cầu mỗi sinh viên ngành cơ khí bên cạnh việc thiết

kế ra các cơ cấu cơ khí còn phải biết thiết kế hệ thống điều khiển tự động chochúng Là học phần duy nhất , nếu không kể học phần đồ án tốt nghiệp, sinhviên tự làm ra một bản demo mô hình máy Là học phần tổng hợp kiến thức của

nhiều môn học quan trọng liên quan, nhất là: Truyền động thủy lực khí nén, Chi

tiết máy, kĩ thuật điều khiển và lập trình PLC, nguyên lý máy…áp dụng chúng

vào thực tế trên cơ sở chế tạo mô hình

Đây là lần đầu tiên chúng em trực tiếp áp dụng kiến thức vào việc chế tạo

mô hình máy, còn thiếu kinh nghiệm và hiểu biết, quá trình công việc muốnthành công còn nhờ rất nhiều vào sự hướng dẫn của quý thầy cô tận tâm hướngdẫn

Xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô đã, đang và sẽ dạy dỗ, truyền đạt kiến

thức cho chúng em và thầy Trần Ngọc Hải, giáo viên trực tiếp hướng dẫn đề tài.

Đà Nẵng, Ngày 10 tháng 03 năm 2016

Sinh Viên Thực Hiện

Nguyễn Văn Điệp

Võ Hồng Long

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

I.1.Giới Thiệu Đề Tài:

Bước đầu tiếp cận, chúng em hướng vào dây chuyền chiết rót và đóng nắp

chai tự động, để hiểu hơn về nguyên lý, cách hoạt động cũng như cách điều

khiển Làm tiền đề cho các nghiên cứu về sau có chiều sâu và rộng hơn

I.1.2 Mục Tiêu Đề Tài:

Hiểu và nắm được các kết cấu cơ khí, nguyên lý hoạt động của các kết cấu

cơ khí của dây chuyền sản xuất

Hiều và nắm được nguyên tắc điều khiển của dây chuyền chiết rót và đóng

nắp chai tự động trên cơ sở đó thành lập sơ đồ điều khiển bằng điện-khí nén

Làm quen với công việc thiết kế và chế tạo máy, thiết kế hệ thống điều khiển

Bên cạnh đó, rèn luyện tác phong làm việc có kế hoạch, hoàn thiện bản thân

I.1.3 Nội Dung Đề Tài:

Tìm hiểu về cấu tạo nguyên lý hoạt động của nút nhấn, các van điện từ, cảmbiến quang, relay thời gian, relay, công tắc hàng trình, động cơ điện DC,xylanh

Nghiên cứu kết cấu cơ khí thích hợp cho bản demo dây chuyền chiết rót và

đóng nắp chai tự động, bên cạnh đó nghiên cứu giải thuật điều khiển và thiết kế

hệ thống điều khiển bằng điện-khí nén.

I.1.4.Giới Hạn Đề Tài:

Đề tài hướng đến xây dựng mô hình hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự

động song cũng chỉ dừng lại ở mức đồ án môn học, và sẽ làm cơ sở cho những

dự án phát triển đề tài về sau để đề tài ngày càng gần với các hệ thống thực tếtrong sản xuất

Mô hình thực hiện chiết rót và đóng nắp kiểu chai:

I.1.5 Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn Của Đề Tài:

Đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cơ bản trong lĩnh vực

chiết rót, đóng nắp chai tự động

I.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG:

I.2.1 Phần Kết Cấu Cơ Khí:

Kết cấu cơ khí dựa trên việc tham khảo các kết cấu ứng dụng trong các dâychuyền trong thực tế, các tài liệu về thiết kế hệ thống tương tự trên tinh thần họchỏi, kế thừa và phát triển đề tài Bên cạnh đó căn cứ vào những hiểu biết của bản

thân trong các vấn đề: Nguyên lý máy, chi tiết máy, sức bền vật liệu để tính

toán và thiết kế các cơ cấu cơ khí thực hiện nhiệm vụ chiết rót và đóng nắp chai Ứng dụng các phần mềm thiết kế: Autocad, Solidwork, để tính toán vàthiết kế các kết cấu cơ khí của máy

I.2.2.Phần Điều Khiển:

Dựa trên phương pháp điều khiển bằng điện - khí nén, điều khiển logic, Lý

thuyết về truyền động thủy lực khí nén và kĩ thuật điều khiển và lập trình PLC

để lựa chọn phương pháp điều khiển và thiết kế mạch điện điều khiển.

Ứng dụng các phần mềm mô phỏng để mô phỏng quá trình điều khiển :Automation Studio ứng dụng trong việc mô phỏng mạch điện – khí nén

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY

II.1.PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ:

II.1.1.Phương Án Rót Nước Và Đóng Nắp Theo Đường Thẳng:

Nguyên lý cơ bản: Chai di chuyển theo phương thẳng nhờ băng tải, khi đến

vị trí rót nước và đóng nắp chai trên băng tải ngừng lại Khi kết thúc quá trìnhchai di chuyển về vị trí kết thúc

Ưu điểm:

+ Kết cấu máy đơn giản, dễ chế tạo

+ Giá thành không cao

Nhược điểm:

+Tốc độ chậm

+Quá trình làm việc không liên tục

+Hiệu suất làm việc thấp.

II.1.2.Phương Án Rót Nước Và Đóng Nắp Theo Đường Tròn:

Nguyên lý cơ bản: Chai di chuyển theo phương thẳng nhờ băng tải, khi đến

vị trí rót nước và đóng nắp chai trên cung tròn thì ngừng lại Khi kết thúc quátrình chai di chuyển theo băng tải thứ 2 về về vị trí kết thúc

Ưu điểm:

+ Tốc độ làm việc cao nên hiệu suất cao hơn

+ Quá trình làm việc liên tục

Trong đó:

1 Băng tải

2 Đĩa quay cấp chai

Chai được chứa trong đĩa quay, sẽ được dẫn đến bang tải và đi vào đĩaquay để tiến hành chiết rót nước và đóng nắp chai

Tốc độ quay của đĩa cấp chai điều chỉnh phù hợp với tốc độ làm việc củađĩa quay chính, và chai không bị nghiêng ngã

Tốc độ băng tải phải đảm bảo chai vận chuyển trên băng tải ko quá nhanh,phù hợp với tốc độ làm việc của đĩa chính, đồng thời đảm bảo chai không bịnghiêng ngã trong quá trình vận chuyển

Tốc độ băng tải yêu cầu về mặt lý thuyết: v = 0.2 (m/s)

Nắp chai được chứa trong ống cấp chai, khi xylanh lùi về đến hết hànhtrình nắp trong ống dưới tác dụng của trọng lực sẽ rơi xuống đường dẫn nắp.Nhờ cơ cấu xylanh đẩy nắp đến vị trí lỗ, nắp rơi xuống ngay trên miệng chai tiếptheo xylanh đóng nắp đi xuống đè chặt nắp vào chai.

Khi Xylanh đẩy nắp tịnh tiến đẩy nắp đến vị trí đóng, có cơ cấu thanh giữsong song với đường dẫn nắp giữ không cho nắp đi vào băng rãnh trượt

Khi xylanh cấp nắp lùi về, thanh giữ lùi về, nắp rơi xuống đường dẫn nắp,mỗi lần chỉ có 1 nắp rơi xuống

II.2.3.Cơ Cấu Dẫn Động Chai Quay Tròn :

Để tiết kiệm không gian và tăng hiệu năng làm việc, bộ phận rót nước và

đóng nắp chai được đặt trên 1 cung tròn, chai được dẫn động trên cung tròn nhờvào đĩa mang chai

Trên đĩa được chia làm 6 vị trí có thể mang chai, đĩa được dẫn động quaytròn và mang chai từ băng tải cấp chai đến nơi chiết rót nước và đóng nắp chai

Để đĩa quay dừng đúng vị trí chiết rót và đóng nắp, ngoài việc gắn cảm biếnquang nhằm phát hiện để ngắt động cơ, do đĩa có quán tính nên có bộ phận giữđĩa không bị vọt quá vị trí làm việc

Để giảm bớt ảnh hưởng do quán tính của đĩa quay gây ra, chọn tốc độ quay

của đĩa có giá trị vừa phải n =10 vòng/phút.

II.3 Bản Vẽ Nguyên Lý Chung:

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ KẾT CẤU

III.1.Tính Toán Công Suất:

Các phần tử cần tính toán công suất: 2 động cơ băng tải và động cơ quayđĩa chính Áp suất khi nén cần thiết để các xylanh thực hiện được đóng nắp vàhút nước

a.Động Cơ Quay Đĩa Chính:

Đĩa Chính có các thông số:

+ đường kính D= 30cm

+ khối lượng m = 0,5 kg, làm bằng vật liệu mica

+ Đĩa quay với tốc độ n =10 vòng/phút

Xác định công suất truyền động cho đĩa để mang chai:

4 .2

60

12

  là hiệu suất các bộ truyền động cơ khí, lấy  = 0.98

 Mx là momen xoắn, nó được xác định theo công thức

 n là tốc độ quay của đĩa, n = 10 vòng/ phút

 L là momen động lượng của đĩa

Nhận thấy, Công suất cần thiết để quay đĩa mang phôi nhỏ do đĩa quay có khốilượng không đáng kể, nên ta có thể bỏ qua Thực tế ta chỉ cần tính toán và điều

chỉnh về mặt động học để đạt được tốc độ đĩa quay theo yêu cầu, không cầnquan tâm đến giá trị công suất.

Các thông số chủ yếu của động cơ được chọn để quay đĩa mang chai:

+ Điện áp định mức: U =24V + Công suất định mức: P =25W + Tốc độ đầu ra định mức: n =100 vòng/phút.

Để giảm tốc độ đầu ra động cơ, ta chọn giải pháp giảm điện áp cấp cho động cơ

và mắc nối tiếp trở công suất, không sử dụng bộ truyền cơ khí để giảm tốc

b Động Cơ Quay Băng Tải:

Băng tải có các thông số:

+ Băng tải được làm từ vật liệu tấm da mỏng có chiều dày 1mm

Từ các thông số trên, ta cần tính chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu

Bỏ qua khối lượng của tang

Lực căng băng tải ban đầu:

F0 = 20 N

Lực căng phụ trên các nhánh băng tải do lực ly tâm khi băng tải vòng qua tanggây ra:

2

F v q v m

Trong đó: + qm là khối lượng một mét dây đai, qm rất nhỏ, xấp xỉ bằng 0

+ v là vận tốc dài của băng tải, v = 0.2 m/s

Do đó, Fv được bỏ qua

Ta có: 0

1

 là góc ôm trên bánh đai dẫn, 12

f là hệ số ma sát thay thế( hệ số ma sát tương đương) giữa bánhđai và dây đai, f = 0.1

Nhận thấy công suất cần thiết N = 2.7 [W] có giá trị nhỏ

Động cơ băng tải được sử dụng có các thông số chủ yếu:

III.2.Tính Toán Các Cơ Cấu Chính Của Máy:

a Cơ Cấu Đĩa Chính:

Đĩa Chính được làm bằng vật liệu mica, có chiều dày 5mm ( tận dụng từnguồn hiện có) Được tạo 6 lỗ tại 6 vị trí cách đều nhau, là nơi mang các chai vàovùng làm việc Về cơ bản, kết cấu đĩa chính được thể hiện như hình dưới

Cơ Cấu Cần Gạt nhằm mục đích giữ cho đĩa không quay lệch quá( doquán tính) vị trí làm việc đảm bảo dừng đúng vị trí làm việc để quá trình cấpnước và đóng nắp diễn ra không có lỗi

Kết cấu đĩa chính có cơ cấu cần gạt vì do hạn chế của phương pháp điềukhiển không thể dừng chính xác vị trí

Đĩa Chính có kích thước:

+ đường kính D = 30 cm + dày h =5 mm

+ 6 vị trí mang chai có thể là hình cung tròn hoặc hình chữ nhật cókích thước phù hợp chai, có kích thước cụ thể thể hiện trên hình vẽ

Để trong quá trình mang chai, chai không bị lệch đĩa chính đặt cao không

quá bán chai.

Đồng thơi tốc độ quay của đĩa không quá nhanh đảm bảo chai vẫn giữnguyên vị trí thẳng đứng không nghiêng ngã

Tốc độ quay của đĩa : n =10 vòng/phút.

b.Cơ Cấu Cấp Nước:

Cơ Cấu này hoạt động trên nguyên tắc một bình hút nước một chiều

Đây là cơ cấu tự chế, mỗi lần xylanh lùi về nước được hút từ bể chứa vàobơm tiêm để chuẩn bị cho công đoạn rót nước vào chai Khi quá trình rót nướcđược tiến hành, xylanh tịnh tiến đẩy lượng nước trong bơm tiêm qua đường ốngdẫn (3) đến chai tại vị trí rót

Để điều chỉnh lượng nước hút từ bể dẫn đến chai, ta điều chỉnh vị trí công tắchành trình a1( công tắc giới hạn chiều dài đi ra của xylanh)

Với lượng nước cần cấp cho chai là 20 mm3 và hiệu suất hút nước của cơcấu, bơm tiêm hút nước loại đường kính D = 30 mm Xác định được chiều dài

thực tế cần thiết cho hành trình xylanh là 30 mm.

V  R l  cm

Trong đó: + R là bán kính ống tiêm hút nước, R =15 mm

+ l là chiều dài hành trình xylanh cần thiết+ là hiệu suất hút nước của cơ cấu hút nước Thực tế kiểm chứng

+Chiều cao Tai tang h = 10 mm.

Để dẫn hướng tốt cho chai, 2 bên băng tải có thanh chắn giới hạn bề rộng B tcủabăng tải là Bthực = 35 mm

Mỗi lần chỉ có 1 nắp rơi xuống băng trượt.

Ống mang nắp (4) có các kích thước:

+đường kính D = 25 mm+ chiều dài l = 100 mm

Bề rộng băng dẫn nắp B = 28 mm, có kích thước xấp xỉ đường kính nắp chai, đểđịnh hướng trượt cho nắp tốt

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

IV.1.Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Ứng Dụng Cho Đề Tài:

Phương pháp điều khiển được sử dụng là Điện –Khí Nén

Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện.

Nhược điểm:

+ Phương pháp này chỉ thích hợp đối với các hệ điều khiển đơn giản, điềukhiển logic đóng mở các relay để điều khiển đóng mở các van solenoid cung cấp

khí cho các xylanh thực hiện hành trình Đóng mở động cơ thực hiện chuyểnđộng cho các cơ cấu.

IV.2.Lựa Chọn Thiết Bị Điều Khiển:

a Giới thiệu về nguyên lý làm việc:

+ Cơ cấu chính của máy là 1 đĩa chính trung tâm có chuyển động xoaytròn quanh 1 trục Chai cần rót nước và đóng nắp được di chuyển đến đĩa chínhthông qua bang tải

+ Chai được đĩa chính mang đi, đến vị trí A có gắn cảm biến hồng ngoạiphát hiện chai, động cơ được ngắt điện và dừng Khi có tín hiệu cảm biến A,xylanh A thực hiện hành trình của mình hút nước từ bình chứa và đẩy đến cungcấp cho chai thông qua cơ cấu hút nước tự chế 1 chiều

+ Khi xylanh A thực hiện xong hà nh trình cấp nước của mình, động

cơ được cấp điện và đĩa chính tiếp tục quay mang chai đến vị trí B có gắn cảmbiến hồng ngoại B Tại đây, khi cảm biến có tác động, động cơ dừng, và tiếnhành thực hiện quá trình đóng nắp Quá trình đóng nắp do 2 xylanh B và xylanh

C thực hiện Xylanh B có nhiệm vụ lấy nắp từ cơ cấp cấp nắp đưa đến vị trí làmviệc sau đó xylanh C thực hiện hành trình làm nhiệm vụ đóng nắp chai Khi 2xylanh B và C thực hiện xong hành trình của mình, động cơ được cấp điện, đĩachính quay mang chai đến Bằng tải 2 đưa chai ra ngoài

+ Chu trình cứ được thực hiện tương tự như trên Vị trí nào có tín hiệucảm biến phát hiện chai, thì các xylanh được cấp khí thực hiện nhiệm vụ tươngứng tại vị trí đó

b Các Phần Tử Điều Khiển Được Sử Dụng:

Để thực hiện các nhiệm vụ trong phần nguyên lý của máy, loại trừ 2 động

cơ băng tải hoạt động lien tục không cần điều khiển, còn lại có 3 xylanh A,B,C

và 1 động cơ đĩa chính cần được điều khiển phối hợp để thực hiện nhiệm vụ rótnước và đóng nắp chai

Bên cạnh 4 cơ cấu cần điều khiển, có 2 tín hiệu cảm biến quang x và y ở 2

vị trí rót nước và đóng nắp có nhiệm vụ phát hiện chai

Vì các cơ cấu dùng xylanh không yêu cầu lực tác động lớn nên loạixylanh được sử dụng có đường kính cỡ nhỏ, chiều dài hành trình 50mm

Van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ của xylanh.

Đây là modul hồng ngoại, được sử dụng làm cảm biến phát hiện chai ở

các vị trí rót nước và đóng nắp Cảm biến hoạt động ở mưc điện áp 5V, khi cótín hiệu trả về mức điện áp 0V Vì relay điều khiển động cơ là relay 24V nên tadung them module relay 5v để cách nguồn cho cảm biến

Đây là Modul relay 5V 5 chân, nhận tín hiệu trực tiếp từ cảm biến để

đóng mở các tiếp điểm, rồi từ modul này đóng mở relay 24V điều khiển độngcơ

Động cơ kéo băng tải lựa chọn ở đây là loại động cơ DC 24V, công suất

15w, tốc độ không tải đầu ra là 200 vòng/phút( Đã qua giảm tốc) Động cơ nàyđược cấp điện hoạt động mỗi khi máy được cấp nguồn hoạt động Tổng cộng có

2 động cơ kéo băng tải

Động cơ quay trục chính được lựa chọn ở đây là loại động cơ DC 24V công

suất 20W, có giảm tốc lớn để tốc độ đầu ra nhỏ đáp ứng sai lệch vị trí mỗi lầnđóng ngắt động cơ, động cơ dừng đúng vị trí cần thiết Bên cạnh chọn loại động

cơ có giảm tốc, đồng thời giảm điện áp cung cấp cho động cơ ( cấp điện áp chođộng cơ bằng 6V) và gắn trở công suất để hạn dòng đã cho tốc độ động cơ vừaphải xấp xỉ n = 10 (vong/phút) đáp ứng được nhu cầu điều khiển chính xác vị trídừng của đĩa chính một cách tương đối

Sơ đồ chân relay 8 chân và 14 chân:

Relay 8 chân ta có thể sử dụng cho 2 tiếp điểm: 2 thường đóng hoặc 2 thường hởhoặc 1 thường đóng 1 thường hở

Đối với các tiếp điểm có từ 3 -4 lần xuất hiện trong mạch điện điều khiển, tadùng relay 14 chân, loại relay này có 4 cặp tiếp điểm tức có thể sử dụng tối đacho 4 tiếp điểm trong mạch điện điều khiển

+ Các relay và các van solenoid hoạt động ở mức điện áp 24V, động cơhoạt động ở mức điện áp 6V nên ta sử dụng biến áp và mạch cầu Diode để chỉnhlưu tạo dòng DC 24V và 6V cung cấp Loại Biến Áp được sử dụng là Biến Áp5A có 6 ngõ ra: 6V, 9V, 12V, 15V, 18V, 24V.

Diode Cầu để chỉnh lưu dòng AC thành DC

Sơ Đồ Mạch Cầu Để Chỉnh Lưu AC thành DC

c.Phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ:

Tốc độ động cơ được điều chỉnh bằng cách giảm điện áp cấp cho động cơ và gắntrở công suất, cụ thể thực tế sử dụng:

+ Cấp điện áp 6V từ biến áp cho động cơ.

+ Sử dụng điện trở công suất R =100W, 1W

Đã giảm được tốc độ động cơ xuống mức xấp xĩ n =10 vòng/phút Song momenquay đĩa mang chai vẫn được đảm bảo đủ

4.3.Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển:

Từ Nguyên lý hoạt động của máy ta tiến hành xấy dựng lưu đồ thuật toánđiều khiển, Từ đó xây dựng sơ đồ mạch điện điều khiển và sơ đồ nối dây

Chú Thích:

+ A: Tín hiệu điều khiển van solenoid A

+ B: Tín hiệu điều khiển van solenoid B

+ C: Tín hiệu điều khiển van solenoid C

+ M: Tín hiệu điều khiển động cơ đĩa chính

+ N1 và N2 là 2 tín hiệu điều khiển động cơ quay băng tải

+ x: tín hiệu phản hổi của cảm biến quang phát hiện chai ở vị trí rót nước.+ y: tín hiệu phản hổi của cảm biến quang phát hiện chai ở vị trí đóng nắp.+ ao và a1; b0 và b1; c0 và c1 lần lượt là công tắc hành trình của 3 xylanhlanh A,B và C