THIẾT KẾ KHẢO NGHIỆM MÁY DẬP LỖ TỰ ĐỘNG

Thấy được điều này kết hợp với kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập đã đưa đến ý tưởng thiết kế chế tạo máy dập lỗ tự động có khả năng đưa vào ứng dụng thực tế sản xuất vừa và

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ KHẢO NGHIỆM MÁY DẬP LỖ TỰ ĐỘNG

Họ và tên sinh viên: HUỲNH THANH THƯỢNG

Niên khóa: 2008-2012

THIẾT KẾ KHẢO NGHIỆM MÁY DẬP LỖ TỰ ĐỘNG

Tác giả

HUỲNH THANH THƯỢNG

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành

LỜI CẢM ƠN

Trong bốn năm học tập và nghiên cứu tại trường, em luôn được sự giảng dạy, chỉ bảo nhiệt tình từ quý thầy cô, đặc biệt là quý thầy cô khoa Cơ Khí Công Nghệ, bộ môn Cơ Điện Tử

Trong hai tháng thực hiện khóa luận, ngoài những nổ lực của bản thân, em còn được sự hướng dẫn, hỗ trợ tận tình của các thầy hướng dẫn

Với tất cả tình cảm quý mến và cảm phục em chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Tấn Phúc và thầy Nguyễn Văn Hùng là những người luôn theo sát hướng dẫn và đưa ra những góp ý giúp em hoàn thành tốt khóa luận

Xin gửi lời cảm ơn đến những người bạn, những người luôn đồng hành bên thôi trong suốt hành trình học tập, luôn bên tôi lúc vui buồn, ủng hộ và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn

Và hơn hết con xin gửi lời cảm ơn đến bậc sinh thành Cha mẹ là người chỉ đứng xa và mỉm cười khi con thành công nhưng lại ở thật gần khi con vấp ngã và là nguồn động lực vực con đứng dậy

Xin chân thành cảm ơn mọi người

TP.HCM ngày 23 tháng 5 năm 2012

Sinh viên

Huỳnh Thanh Thượng

TÓM TẮT

Đề tài “Thiết kế và khảo nghiệm máy dập lỗ tự động” được thực hiện tại Trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh trong thời gian từ tháng 4 đến giữa tháng 6 năm 2012

Kết quả thu được sau quá trình thực hiện:

 Truy xuất dữ liệu tọa độ gia công từ bản vẽ Autocad

 Tiến hành khảo nghiệm chứng thực được độ chính xác của thuật toán PID

 Thiết kế và vận hành thành công máy đột lỗ tự động đạt được độ chính xác theo yêu cầu

MỤC LỤC

Trang

Lời tựa i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ vii

DANH SÁCH BẢNG ix

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Dẫn nhập: 1

1.2 Mục tiêu thực hiện: 1

1.2.1 Mục tiêu chung: 1

1.2.2 Mục tiêu cụ thể: 1

1.3 Phạm vi nghiên cứu: 2

Chương 2 TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về CNC (Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)): 3

2.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số CNC: 3

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển 4

2.2 Giới thiệu về thuật toán PID (Proportional Intesgral Derivative): 4

2.2.1 Bộ hiệu chỉnh tỉ lệ P: 4

2.2.2 Bộ hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ PD: 5

2.2.3 Bộ hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI: 5

2.2.3 Bộ hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ PID: 6

2.3 Tổng quan về các thiết bị điều khiển 7

2.3.2 Cảm biến từ D-M9N: 12

2.4 Tổng quan về cơ cấu chấp hành: 13

2.4.1 Lý thuyết về dập nguội: 13

2.4.2 Động cơ DC: 15

2.4.3 Hệ thống truyền động: 16

2.4.4 Khí nén: 17

2.3 Các phần mềm hỗ trợ: 19

2.5.1 Phần mềm biên dịch CCS C 19

2.5.2 Visual Basic: 20

2.5.3 AutoCAD: 21

2.5.4 Inventor: 22

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Nội dung 24

3.2 Phương pháp nghiên cứu: 24

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

4.1 Thiết kế mô hình máy: 25

4.1.1 Yêu cầu thiết kế: 25

4.1.2 Lựa chọn mô hình: 25

4.1.3 Tính toán thiết kế cơ khí: 26

4.1.4 Thiết kế bộ điều khiển: 36

4.1.5 Thiết kế chương trình điều khiển: 44

4.2 Khảo nghiệm sơ bộ: 47

4.2.1 Kết quả khảo nghiệm các hệ số PID cho hai bộ truyền động: 47

4.2.2 Kết quả khảo nghiệm cơ cấu đột: 51

4.2.3 Kết quả khảo nhiệm hệ thống thu thập kết quả và đánh giá sai số: 52

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 54

5.1Kết luận: 54

5.2 Đề nghị: 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

P (Proportional)

PI (Proportional Integral)

PD (Proportional Derivative)

PID (Proportional Integral Derivative)

CNC (Computer(ized) Numerical(ly) Control(led))

USART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

PPC (Capture/Compare/PWM)

PWM (Pulse Width Modulation)

ADC (Analog to digital converter)

RAM (Random Access Memory)

EEPEROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) I2C (Inter-Integrated Circuit)

SPI (Serial Peripheral Interface)

DANH SÁCH HÌNH VẼ VÀ BIỂU ĐỒ

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển CNC 3  

Hình 2.2 Đáp ứng của bộ hiệu chỉnh tỉ lệ 4  

Hình 2.3 Đáp ứng của bộ vi phân tỉ lệ 5  

Hình 2.4 Đáp ứng của bộ tích phân tỉ lệ 6  

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ hiệu chỉnh PID 6  

Hình 2.6 Cấu tạo Encoder 10  

Hình 2.7 Cấu tạo đĩa Absolute encoder 11  

Hình 2.8 Cấu tạo đĩa Incremental encoder 11  

Hình 2.9 Đồ thị xung ra của Incremental encoder 12  

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 13  

Hình 2.11 Sơ đồ khối của cảm biến D-M9N 13  

Hình 2.12 Các giai đoạn chính trong quá trình cắt hình đột lỗ 14  

Hình 2.13 Nguyên tắc hoạt động của động cơ DC 16  

Hình 2.14 Ký hiệu van 5-2 18  

Hình 2.15 Van 5-2 trong thực tế 18  

Hình 2.16 Cấu tạo và các kích thước của xy lanh 19  

Hình 2.17 Giao diện phần mềm CCS C 20  

Hình 2.18 Giao diện phần mềm Visual Basic 21  

Hình 2.19 Giao diện phần mềm AutoCAD 22  

Hình 2.20 Giao diện phần mềm Autodesk Inventor 23  

Hình 4.1 Một số máy đột CNC trong sản xuất 25  

Hình 4.2 Mô hình máy dập lỗ tự động 26  

Hình 4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống cần thiết kế 26  

Hình 4.3 Mô hình cơ cấu đột trên Inventor 28  

Hình 4.4 Thông số kiểm bền đai trục X trên phần mềm 29  

Hình 4.5 Thông số kiểm bền đai trục Y trên phần mềm 30  

Hình 4.6 Kết quả phân tích hệ số an toàn trên Inventor 31  

Hình 4.7 Kết quá kiểm bền cho mối hàn 32  

Hình 4.8 Mô hình cụm chi thân máy sau khi hoàn thiện 33  

Hình 4.9 Mô hình cụm chi tiết trục Y sau khi hoàn thiện 34  

Hình 4.10 Mô hình máy sau khi hoàn thiện 35  

Hình 4.11 Mô hình máy đột tự động 36  

Hình 4.12 Sơ đồ khối mạch điều khiển 37  

Hình 4.14 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển trung tâm 37  

Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp máy tính 38  

Hình 4.15 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 38  

Hình 4.16 Sơ đồ nguyên lý khối động lực điều khiển động cơ 39  

Hình 4.17 Sơ đồ nguyên lý khối động lực điều khiển van khí nén 40  

Hình 4.18 Encoder sử dụng trong mô hình 41  

Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật điều khiển vị trí 42  

Hình 4.20 Vi mạch điều khiển trong thực tế 44  

Hình 4.21 Thông số trong file dữ liệu xuất từ AutoCAD 45  

Hình 4.22 Giao diện phần mềm khảo nghiệm 45  

Hình 4.23 Giao diện điều khiển 46  

Hình 4.24 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh tỉ lệ đến đáp ứng 47  

Hình 4.25 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ đến đáp ứng 48  

Hình 4.26 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ đến đáp ứng 48  

Hình 4.27 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh tỉ lệ đến đáp ứng 49  

Hình 4.26 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ đến đáp ứng 49  

Hình 4.28 Biểu đồ ảnh hưởng của bộ hiệu chỉnh vi tích phân tỉ lệ đến đáp ứng 50  

Hình 4.29 Gia công trên thép dày 0.2 mm 51  

Hình 4.30 Bảng vẽ chi tiết trên AutoCAD 52  

Hình 4.31 Kết quả sau gia công 52  

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Yêu cầu thiết kế của máy đột tự động 2

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật D-M9N 13

Bảng 4.1 Ảnh hưởng của các hệ số đến bộ hiệu chỉnh PID 50

Bảng 4.2 Thông số kĩ thuật của mô hình 53

Chương 1

MỞ ĐẦU 1.1 Dẫn nhập:

Trong sản xuất hiện nay, phương pháp gia công áp lực chiếm vị trí quan trọng bởi những đặc điểm ưu việt của nó so với các phương pháp khác Sản phẩm đa dạng,

có khả năng sử dụng được ngay sau gia công áp lực Bên cạnh đó là khả năng tự động hóa cao, gia công với tốc độ nhanh và số lượng lớn

Thấy được điều này kết hợp với kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập

đã đưa đến ý tưởng thiết kế chế tạo máy dập lỗ tự động có khả năng đưa vào ứng dụng thực tế sản xuất vừa và nhỏ

1.2 Mục tiêu thực hiện:

1.2.1 Mục tiêu chung:

Thiết kế máy dập lỗ tự động có khả năng sử dụng dữ liệu từ bản vẽ AutoCAD, thông qua chương trình điều khiển cơ cấu chấp hành thực hiện gia công dập lỗ Bên cạnh đó máy cần có các biện pháp an toàn như: công tắt hành trình giới hạn chuyển động các trục, dừng khẩn cấp khi có sự cố, khởi tạo lại điều kiện làm việc ban đầu…

1.2.2 Mục tiêu cụ thể:

 Khảo sát một số máy dập lỗ trong thực tế để lấy cơ sở cho việc thiết kế

 Nghiên cứu chế tạo mô hình máy dập lỗ thỏa các điều kiện ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Yêu cầu thiết kế của máy đột tự động

 Khảo sát sơ bộ khả năng làm việc của máy

Chương 2 TỔNG QUAN

Để phục vụ việc thế kế và chế tạo mô hình cần tiên hành nghiên cứu tìm hiểu kiến thức tổng quan về: CNC, bộ hiệu chỉnh PID, các linh kiện thiết bị điện tử, lý thuyết tính toán bền, các phần mềm hỗ trợ…

2.1 Tổng quan về CNC (Computer(ized) Numerical(ly) Control(led)):

2.1.1 Cấu trúc hệ điều khiển số CNC:

Điều khiển CNC là một hệ điều khiển có thể lập trình và ghi nhớ Nó bao hàm một máy tính cấu thành từ các bộ vi xử lý kèm theo các bộ phận ngoại vi Các chương trình CNC và các hàm logic được lưu trên các vi mạch máy tính đặc biệt (các thanh ghi bộ nhớ của máy tính) dưới dạng các phần mềm thay vì được nối kết cứng (nối dây)

do đó các chương trình làm việc có thể thiết lập trước

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển

 Điều khiển điểm- điểm

 Điều khiển đoạn thẳng

 Điều khiển đường

2.2 Giới thiệu về thuật toán PID (Proportional Intesgral Derivative):

Trong các hệ thống thống tự động hiện nay đang sử dụng nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, từ đơn giản như on-off, hoặc phức tạp hơn như PID, điều khiển mờ…Với những ưu điểm vượt trội PID được sử dụng phổ biến nhất trong điều khiển hiện nay

Ba thông số chính trong giải thuật tính toán của PID là hệ số tỉ lệ (KP), hệ số tích phân (KI) và hệ số vi phân (KD)

2.2.1 Bộ hiệu chỉnh tỉ lệ P:

 Hàm truyền:

 Đặc điểm:

o Hệ số khuếch đại càng lớn sai số xác lập càng nhỏ

o Hệ số khuếch đại càng lớn độ vọt lố càng cao đáp ứng hệ thống càng dao động

o Hệ số khuếch đại vượt giới hạn thì hệ thống mất ổn định

Hình 2.2 Đáp ứng của bộ hiệu chỉnh tỉ lệ

2.2.2 Bộ hiệu chỉnh vi phân tỉ lệ PD:

 Hàm truyền: Trong đó: với TD

gọi là thời hằng vi phân của bộ điều khiển

 Là trường hợp riêng của bộ hiệu chỉnh sớm pha nên có những đặc điểm sau:

o Làm nhanh đáp ứng của hệ thống, giảm thời gian quá độ

o Cải thiện đáp ứng quá độ

Hình 2.3 Đáp ứng của bộ vi phân tỉ lệ

2.2.3 Bộ hiệu chỉnh tích phân tỉ lệ PI:

 Hàm truyền: Trong đó: với TI

gọi là thời hằng tích phân của bộ điều khiển PI

 Là trường hợp riêng của bộ hiệu chỉnh trễ pha nên có những đặc điểm sau:

o Làm chậm đáp ứng quá độ, tăng độ vọt lố

o Làm giảm sai số xác lập

o Triệt tiêu nhiễu tần số cao

 Là trường hợp riêng của bộ hiệu chỉnh sớm trễ pha nên có những đặc điểm sau:

o Cải thiện đáp ứng quá độ (giảm vọt lố, giảm thời gian quá độ)

o Giảm sai số xác lập

Hình 2.5 Sơ đồ khối bộ hiệu chỉnh PID

2.3 Tổng quan về các thiết bị điều khiển

2.3.1 Vi điều khiển Pic

 Giới thiệu chung:

Hiện nay vi điều khiển được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ thống tự động và bán tự động vì khả năng tính toán, xử lí tín hiệu cao

Hiện nay có nhiều họ vi điều khiển như: 8051, AVR, ARM, Pic… mỗi họ vi điều khiển lại có những đặc tính riêng biệt: khả năng xử lí tín hiệu, bộ nhớ, chuẩn giao tiếp cho phép… Căn cứ vào yêu cầu của hệ thống ta lựa dòng vi điều khiển Pic dựa vào một số nguyên nhân sau:

 Họ vi điều khiển Pic được sử dụng khá phổ biến tạo điều kiện thuận lợi cho cho việc tìm hiểu, trao đổi kinh nghiệm lập trình cũng như thiết kế phần cứng

 Các dòng Pic có đầy đủ tính năng để hoạt động độc lập

 Các công cụ lập trình, trình biên dịch, mạch nạp Pic được hỗ trợ cao từ phía nhà sản xuất

 Có nhiều bộ phận ngoại vi ngay trên chip: cổng vào/ra số, bộ biến đổi ADC,

bộ nhớ EEFROM, bộ định thời, bộ điều chế độ rộng xung (PWM), cổng giao tiếp I2C, SPI, USART…

 Pic 16F877A:

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài 14 bit Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock Tốc độ hoạt động tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns Bộ nhớ chương trình 8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung lượng 256 byte Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:

 Ba bộ định thời: Timer0 (8 bit), Timer1 (16 bit), Timer2(8 bit)

 Hai bộ Capture/so sánh/ điều chế độ rộng xung

 Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C

 Chuẩn giao tiếp USART với 9 bit địa chỉ

 Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển ngoài RD, WR, CS

 Đặc tính Analog gồm: tám kênh chuyển đổi ADC 10 bit, hai bộ so sánh

 Các bộ định thời (Timer):

Timer1:là bộ định thời 16 bit

 Giá trị được lưu trong hai thanh ghi (TMR1H:TMR1L)

 Giá trị được lưu trong một thanh ghi (TMR2)

 Xung vào qua bộ chia tần số prescaler 4 bit được điều khiển bởi các bit

T2CKPS1:T2CKPS0

 Chế độ hoạt động chủ yếu dùng để định thời cho việc điều xung PWM

 Ngoài ra Timer2 còn kết nối SSP, do đó Timer2 còn có vai trò tạo xung

clock đồng bộ cho khối giao tiếp SSP

 Chuẩn giao tiếp USART:

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) là một trong hai chuẩn giao tiếp nối tiếp USART còn được gọi là giao diện giao tiếp nối tiếp nối tiếp SCI (Serial Communication Interface) Có thể sử dụng giao diện này cho các giao tiếp với các thiết bị ngọai vi, với các vi điều khiển khác hay với máy tính Các dạng của giao diện USART ngọai vi bao gồm:

trường hợp này ta phải set bit TRISC<7:6> và SPEN (RCSTA<7>) để cho phép giao diện USART

 Ngắt ngoại (Interrupts):

Ngắt này dựa trên sự thay đổi trạng thái của pin RB0/INT Cạnh tác động gây ra ngắt có thể là cạnh lên hay cạnh xuống và được điều khiển bởi bit INTEDG (thanhghi OPTION_REG <6>) Khi có cạnh tác động thích hợp xuất hiện tại pin RB0/INT, cờ ngắt INTF được set Ngắt này có khả năng đánh thức vi điều khiển từ chế độ sleep nếu bit cho phép ngắt được set trước khi lệnh SLEEP được thực thi

 CCP (Capture/Compare/PWM):

Bao gồm các thao tác trên xung đếm cung cấp bởi các bộ đếm Timer1 và Timer2 Pic16F877A tích hợp sẵn hai khối CCP: CCP1 và CCP2 Mỗi CCP có một thanh ghi 16 bit (CCPR1H:CCPR1L và CCPR2H:CCPR2L) Chân điều khiển tương ứng là RC2/CCP1 và RC1/T1OSI/CCP2

Chức năng chính:

 Capture

 So sánh (Compare)

 Điều chế độ rộng xung (Pulse With Modulation)

Ở đây ta tập trung tìm hiểu chức năng điều chế độ rộng xung Dựa vào việc cấp xung kích đóng mở cho mạch cầu H có thể quy định đựoc mức diện áp ngõ ra cho động cơ Để xử dụng modul này cần qua một số thao tác sau:

 Thiết lập thời gian của một chu kì (hoặc tần số) của xung điều chế cho PWM (period) bằng cách đưa giá trị vào thanh ghi PR2

 Thiết lập độ rộng xung cần điều chế (duty cycle) bằng cách đưa giá trị vào thanh ghi CCPRxL và các bit CCP1CON <5:4>

 Cài đặt các chân CCP là output

 Thiết lập giá trị bộ chia tần số prescaler của Timer2 và cho phép Timer2 hoạt động

 Cho phép CCP hoạt động ở chết độ PWM

Công thức cần ghi nhớ:

Với: : tần số điều xung

: tần số thạch anh

Mode, period là hai thông số được thiết lập trong Timer2

Với: Value là giá trị điều khiển chứa trong thanh ghi 8 bit

2.3.1 Encoder:

 Sơ lượt:

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể

là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm hai loại: absolute encoder và incremental encoder

 Cấu tạo: gồm hai bộ phận chính:

 Bộ phần truyền nhận ánh sáng: gồm nguồn phát sáng (LED Light source) và

bộ tách sóng quang (Photodetector)

 Đĩa quay tạo mã: là một đĩa mỏng tròn có các rãnh tạo mã cách đều nhau cho phép ánh sáng từ nguồn phát truyền thẳng đến bộ tách sóng quang hoặc không cho phép truyền qua

Hình 2.6 Cấu tạo Encoder

 Nguyên tắc hoạt động:

Khi đĩa encoder quay tín hiệu nhận được ở bộ tách sóng quang là xung vuông với hai mức giá trị 1 và 0

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

 Absolute encoder:

 Xét bài toán cơ bản về số bit: với một số nhị phân có hai chữ số chúng ta có

tổ hợp sau: 00, 01, 10, 11 nghĩa là có bốn trạng thái Căn cứ vào điều này với số nhị phân trên ta có thể chia một vòng thành bốn phần bằng nhau

 Tương tự vậy nếu với một nhị phân có n chữ số ta có thể chia một vòng thành n2 phần bằng nhau

 Để đọc được n2 trạng thái này ta cần n led thu phát và đĩa encoder được thiết

 Incremental encoder, sẽ thay đổi một đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung của cặp thu phát vòng ngoài cùng

 Chiều quay Encoder được xác định dựa trên tín hiệu từ cặp thu phát vòng giữa

 Vòng lỗ trong cùng là lỗ định vị dùng để đếm số vòng nguyên đã quay của encoder Lỗ định vị có tác dụng khắc phục sai số bằng cách đối chiếu số xung đếm được từ lỗ này với số xung của vòng lỗ ngoài cùng

Hình 2.9 Đồ thị xung ra của Incremental encoder

 Do việc chế tạo đĩa encoder phức tạp, để tiết kiệm chi phí thay vì chế tạo hai vòng lỗ người ta chế tao một vòng nhưng đặt hai cặp led thu phát lệch nhau

 Nhận xét:

Absolute encoder có ưu điểm là có thể đọc trực tiếp vị trí của encoder, thích hợp với góc quay nhỏ Tuy nhiên việc chế tạo đĩa encoder quá phức tạp đòi hỏi chính xác cao, việc thiết kế led thu phát sẽ ảnh hưởng lớn đến kích thước encoder

Incremental encoder khắc phục đươc phần lớn nhược điểm của Absolute encoder nên được ứng dụng rộng rãi trong thực tế

2.3.2 Cảm biến từ D-M9N:

Là cảm biến tiệm cận điện từ dùng để nhận biết vị trí của piston trong xy lanh Hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi có đối tượng tiến gần cảm biến, cảm biến phát hiện

sự suy giảm từ tính do dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật dẫn do từ trường ngoài

Sự thay đổi này thông qua bộ biến đổi sẽ chuyển thành tín hiệu ra phục vụ điều khiển Trường điện từ xoay chiều sinh ra trên cuộn dây và thay đổi trở kháng phụ thuộc vào dòng điện xoáy trên bề mặt vật thể kim loại được phát hiện

Hình 2.10 Sơ đồ nguyên lý hoạt động

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật D-M9N

Dạng ngõ ra NPN

Hiệu điện thế sử dụng 5, 12, 24 VDC Dòng điện tiêu thụ 10 mA hoặc nhỏ hơn

Đèn tín hiệu Đèn LED sáng khi nhận được vật thể

Hình 2.11 Sơ đồ khối của cảm biến D-M9N

2.4 Tổng quan về cơ cấu chấp hành:

2.4.1 Lý thuyết về dập nguội:

 Đặc điểm:

 Chế tạo được các chi tiết có hình dáng phức tạp

 Sản phẩm sử dụng được ngay không cần phải qua gia công cắt gọt, độ cứng vững cao

 Tiết kiệm được vật liệu

 Có khả năng tự động hóa cao, sản xuất số lượng lớn giá thành hạ

 Phân loại gồm các nguyên công: dập cắt, uốn, dập vuốt, tạo hình, ép chảy…

Ở đây ta chủ yếu tìm hiểu nguyên công cắt hình, đột lỗ

 Các giai đoạn chính trong quá trình cắt hình đột lỗ:

 Giai đoạn biến dạng đàn hồi

 Giai đoạn biến dạng dẻo

 Giai đoạn cắt đứt

Hình 2.12 Các giai đoạn chính trong quá trình cắt hình đột lỗ

 Phương pháp tính toán lực:

Lực cắt hình hay đột lỗ phụ thuộc vào các yếu tố:

 Kích thước của hình hay lỗ

 Chiều dày tấm

 Cơ tính của vật liệu

 Khe hở giữa chày và cối

 Hình dáng và trạng thái mép cắt giữa chày và cối

Từ các yếu tố trên ta có được công thức tổng quát sau:

Trong đó:

k : 1,1~1,3 là hệ số tính đến sự không đồng đều về chiều dày và tính chất của vật liệu, mép cắt bị mòn, chế tạo và lắp ráp không chính xác L: Chu vi biên dạng cắt hay đột lỗ

S: Chiều dày vật dập

: Ứng suất cắt của vật liệu

Các phương pháp giảm lực cắt nhằm tăng độ bền của chày và cối:

 Nung vật liệu, nhiệt độ tăng làm giảm ứng suất cắt, do đó lực cắt giảm đi

 Dùng chày cối có mặt lượn sóng, thông thường là mặt nghiêng Chú ý với phương pháp này sau khi gia công cần tiến hành làm phẳng sản phẩm

 Một số điểm cần lưu ý:

 Lực tháo vật cắt và phế liệu:

o Sau khi gia công do đặc tính đàn hồi của vật liệu mà vật cắt hay phế liệu thường dính trong cối hoặc trên chày

o Lực tháo này phụ thuộc vào chiều dày, đặc tính vật liệu …

 Khe hở giữa chày và cối:

o Khe hở giữa chày và cối là hiệu số giữa kích thước làm việc của cối và chày

o Nếu khe hở hợp lý thì vết nứt trên và dưới khi gia công sẽ trùng nhau

o Nếu khe hở quá nhỏ thì vết nứt trên và dưới khi gia công sẽ không trùng nhau gây xù xì ở giữa

o Nếu khe hở quá lớn thì vết nứt trên và dưới khi gia công sẽ không trùng nhau Một bên bị vuốt dài lên một bên bị ba via xuống dưới

o Trị số khe hở phụ thuộc và tính chất và chiều dày của vật liệu Khi chế tạo chọn Zmin, khi làm việc đến Zmax thì khôi phục lại

2.4.2 Động cơ DC:

Đặc điểm chung là sử dùng nguồn điện một chiều, cấu tạo bao gồm hai phần Rotor và Stator Có thể chia làm hai loại: động cơ từ trường vĩnh cữu và động cơ từ trường khuyết một chiều kích từ

Hình 2.13 Nguyên tắc hoạt động của động cơ DC

Mô hình hóa toán học của động cơ một chiều:

Trong đó:

N: Vận tốc động cơ (vòng/phút)

Ua: Hiệu điện thế hai đầu Rotor (V)

Ia: Dòng điện đi qua cuộn cảm (I)

o Tỉ số truyền lớn thông thường (có thể lên đến 20)

o Hiệu suất cao

o Kích thước bộ truyền nhỏ

o Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai

o Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

 Lưu ý:

o Chi phí cao do phải chế tạo bánh đai

o Mất đi khả năng đề phòng quá tải

 Truyền động vít me đai ốc:

 Đặc điểm:

o Kết cấu đơn giản, nhỏ gọn dễ chế tạo

o Khả năng tải lớn, độ tin cậy cao, làm việc êm và không ồn, lợi nhiều về

lực

o Có khả năng chuyển động chậm với độ chính xác cao

 Lưu ý:

o Chi phí cao do đòi hỏi gia công chính xác

o Ma sát lớn nên mòn nhanh và hiệu suất thấp

o Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp xuất trên đường dẫn ít

o Không gây ô nhiễm môi trường

o Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo

 Nhược điểm:

o Lực truyền tải trọng thấp

o Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển động thẳng hoặc quay đều

o Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn

o Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện, điện tử Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu, nhược điểm của từng hệ thống điều khiển

 Van 5-2:

 Có tác dụng đổi hướng dòng khí cung cấp bằng cách đóng mở hay thay đổi

vị trí của cửa chặn

Hình 2.14 Ký hiệu van 5-2

 Nguyên lý hoạt động: Khi chưa có tín hiệu kích, cửa (3) bị chặn, cửa (1) nối với cửa (2), cửa (4) nối với cửa (5) Khi có tín hiệu kích vào nòng van dịch về phía bên phải, cửa (2) nối với cửa (3), cửa (4) nối với cửa (1) và cửa (5) bị chặn Khi ngừng tín hiệu kích dưới tác động của lò xo van trở về trạng thái ban đầu

Hình 2.15 Van 5-2 trong thực tế

 Xy lanh khí nén:

 Là cơ cấu chuyển năng lượng khí nén thành chuyển động định tiến

 Hai bộ phận cơ bản của xy lanh là vỏ xy lanh và piston

 Ba thông số quan trong của xy lanh là:

o Đường kính lòng xy lanh (bore), ký hiệu là D

o Đường kính cán (rod), ký hiệu là d

o Hành trình làm việc (stroke), ký hiệu là s

Hình 2.16 Cấu tạo và các kích thước của xy lanh

 Phương pháp tính lực:

 Công thức tính áp suất:

Trong đó:

P: Áp suất (N/m2) F: Áp lực (N)

S: Diện tích tác dụng (m2)

 Lưu ý: cần cách ly van khí nén với mạch điều khiển do khi kích van sẽ xuất

hiện từ trường gây nhiễu tín hiệu

2.3 Các phần mềm hỗ trợ:

2.5.1 Phần mềm biên dịch CCS C

Là phần mềm hỗ trợ chuyển đổi ngôn ngữ lập trình C sang mã hex để nạp vào

vi điều khiển PIC

Chương trình tích hợp trình biên dịch cho ba dòng PIC:

 PCB cho dòng PIC 12-bit opcodes

 PCM cho dòng PIC 14-bit opcodes

 PCH cho dòng PIC 16 và 18-bit opcodes

 File hex được dịch ra khi viết bằng CCS thường dài hơn so với viết bằng ASM

 Thư viện có sẵn chưa thực sự phong phú gây khó khăn cho người lập trình khi vừa phải viết dạng hàm chuẩn CCS Clại phải quay về viết dựa trên ASM

Hình 2.17 Giao diện phần mềm CCS C

2.5.2 Visual Basic:

Visual Basic (viết tắt VB) là một ngôn ngữ lập trình hướng sự kiện driven) và môi trường phát triển tích hợp (IDE) kết bó được phát triển đầu tiên bởi Alan Cooper dưới tên Dự án Ruby (Project Ruby), và sau đó được Microsoft mua và cải tiến nhiều Visual Basic đã được thay thế bằng Visual Basic NET Phiên bản cũ của Visual Basic bắt nguồn phần lớn từ BASIC và để lập trình viên phát triển các giao diện người dùng đồ họa (GUI) theo mô hình phát triển ứng dụng nhanh (Rapid Application Development, RAD); truy cập các cơ sở dữ liệu dùng DAO (Data Access Objects), RDO (Remote Data Objects), hay ADO (ActiveX Data Objects); và lập các điều khiển và đối tượng ActiveX

(event-Một lập trình viên có thể phát triển ứng dụng dùng các thành phần (component)

có sẵn trong Visual Basic.Các chương trình bằng Visual Basic cũng có thể sử dụng Windows API, nhưng làm vậy thì phải sử dụng các khai báo hàm bên ngoài

Hình 2.18 Giao diện phần mềm Visual Basic

Teechart là một ActiveX hỗ trợ phần mềm Visual Basic với các chức năng:

 Lưu trữ dữ liệu

 Biểu diễn dữ liệu dạng đồ thị

 Xuất dữ liệu dưới dạng các tập tin lưu trữ (Excel, PDF)

2.5.3 AutoCAD:

AutoCAD là phần mềm ứng dụng CAD để vẽ (tạo) bản vẽ kỹ thuật bằng vectơ 2D hay bề mặt 3D, được phát triển bởi tập đoàn Autodesk.Với phiên bản đầu tiên được phát hành vào cuối năm 1982, AutoCAD là một trong những chương trình vẽ kĩ thuật đầu tiên chạy được trên máy tính cá nhân, nhất là máy tính IBM

AutoCAD hỗ trợ nhiều giao diện lập trình ứng dụng (API) để đặc chế và tự động hóa, bao gồm AutoLISP, Visual LISP, VBA, NET, và ObjectARX ObjectARX

là một thư viện lớp C++; nó được sử dụng để phát triển phần mềm dựa trên AutoCAD cho những ngành riêng, như là AutoCAD Architecture (kiến trúc), AutoCAD Electrical (điện tử), AutoCAD Civil 3D (kỹ thuật xây dựng), hay các chương trình bên thứ ba

Hình 2.19 Giao diện phần mềm AutoCAD

2.5.4 Inventor:

Autodesk Inventor là phần mềm được xây dựng với công nghệ thích nghi (apdaptive technology) cùng với khả năng mô hình hóa solid, sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực cơ khí kỹ thuật Autodesk Inventor trang bị những công cụ mạnh thông minh, quản lý các đối tượng thông minh, trợ giúp quá trịnh thiết kế, làm tăng năng suất và chất lượng thiết kế.Autodesk Inventor cung cấp các công cụ cần thiết để thực hiện các bản vẽ thiết kế, từ bản vẽ phát ban đầu cho đến việc hình thành các bản vẽ kỹ thuật cuối cùng (TS.Nguyễn Hữu Lộc)

Các chức năng chính:

 Xây dựng bản vẽ 2D và 3D

 Xây dựng chi tiết thích nghi, các chi tiết và bản vẽ lắp, bản vẽ phân rã

 Sử dụng VBA để truy cập Autodesk Inventor API, lập trình thực hiện các thao tác

 Hỗ trợ các modul thiết kế chi tiết máy quy chuẩn

 Hỗ trợ các modul tính toán lực, ứng suất (Stress Analysis), mô phỏng động học (Dynamic Simulation)

 Tạo môi trường chung đồng nhất cho phép nhiều người tham gia thiết kế một dự án (Project)

Hình 2.20 Giao diện phần mềm Autodesk Inventor

Chương 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Nội dung

 Khảo nghiệm một số máy dập lỗ tự động trong sản xuất:

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết phục vụ quá trình thiết kế: CNC, PID… Từ đó quyết định phương án tiến hành

 Chế tạo mô hình thực tế

 Khảo nghiệm khả năng làm việc thực tế

3.2 Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo dựa trên mô hình máy dập CNC hai trục X, Y với

cơ cấu dập đứng yên và phôi dịch chuyển

 Lấy lý thuyết dập nguội làm cơ sở tính toán thiết kế bền cho máy

 Lấy lý thuyết về bộ hiệu chỉnh PID và phương pháp tính gần đúng làm cơ sở thiết kế bộ điều khiển

 Khảo sát thực nghiệm tìm hệ số điều khiển PID cho từng hệ truyền động

o Khảo sát ảnh hưởng của các hệ số PID

o Khảo sát tìm kiếm hệ số thích hợp

 Khảo sát thực nghiệm cơ cấu đột lỗ, kiểm tra khả năng làm việc

o Kiểm tra giới hạn làm việc (chiều dày tối đa của sản phẩm)

o Kiểm tra độ chính xác (kích thước, hình dáng, chất lượng sản phẩm sau gia công)

 Khảo sát thực nghiệm toàn hệ thống, thu thập kết quả đánh giá sai số

o Tiến hành gia công một sản phẩm theo bản vẽ cho trước

o Kiểm tra các bộ phận an toàn của hệ thống

Chương 4:

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Thiết kế mô hình máy:

4.1.1 Yêu cầu thiết kế:

 Bộ phận cơ khí có khả năng dịch chuyển và gia công phôi với độ chính xác cao

Cụ thể: kích thước phôi 200x150 mm, dịch chuyển với sai số nhỏ hơn 0.5 mm

 Bộ điều khiển có khả năng truy xuất từ các tập tin chứa dữ liệu gia công, điều khiển cấu máy tiến hành gia công sản phẩm

 Máy cần trang bị các bô phận cảnh báo an toàn cần thiết

4.1.2 Lựa chọn mô hình:

 Khảo sát một số máy dập lỗ trong thực tế:

Hình 4.1 Một số máy đột CNC trong sản xuất

 Thông qua việc khảo sát và dựa vào yêu cầu đề ra ban đầu:

 Chọn phương án thiết kế bàn dao dịch chuyển đồng thời XY cơ cấu gia công đứng yên do gia công với lực lớn

Hình 4.2 Sơ đồ khối hoạt động của hệ thống cần thiết kế

4.1.3 Tính toán thiết kế cơ khí:

 Yêu cầu chung:

Đảm bảo khả năng làm việc: ngoài các chỉ tiêu về độ bền, độ cứng, độ ổn định… Cơ cấu chấp hành còn phải đáp ứng yêu cầu của bộ điều khiển về độ chính xác, thời gian thực hiện

Việc thiết kế đòi hỏi tính công nghệ: dễ chế tạo tốn ít thời gian và chi phí Máy được thiết kế phải dễ láp ráp, thay thế, bảo dưỡng, vận hành…

Mức độ quy cách hóa và tiêu chuẩn hóa cao

 Tính toán thiết kế cơ cấu đột lỗ:

 Tính toán lực đột lỗ và lựa chọn xy lanh:

o Vật liệu gia công: giấy hoặc nhựa PVC (

o Biên dạng gia công là hình tròn đường kính tối đa 10 mm

o Chiều dày gia công tối đa là 1 mm

 Thiết kế cơ cấu đột: căn cứ vào lý thuyết đã tìm hiểu thiết kế cơ cấu có những đặc điểm sau:

 Đảm bảo biên dạng gia công và chất lượng gia công

 Đảm bảo độ bền cần thiết của cơ cấu trong thời gian dài

 Có bộ phận chặn tháo phôi ra khỏi dao

 Có khả năng thay đổi kích thước gia công theo yêu cầu (bằng tay)

Hình 4.3 Mô hình cơ cấu đột trên Inventor

ưu điểm về truyền động chính xác

o Để biến chuyển động quay thành chuyển động định tiến ta dùng bộ truyền vít me đai ốc bi nhằm tăng hiệu suất (có thể lên đến 0.95) và khử

 Thiết kế khâu X:

o Vận tốc dài của bàn dao: v=3mm/s

o Tải trọng của bàn dao: P=25N

o Công suất làm việc

o Thiết kế bộ truyền đai răng:

 Loại đai XXL

 Số răng: Z=112

 Tỉ số truyền 1

 Số răng của bánh đai Z1=Z2= 25

Hình 4.4 Thông số kiểm bền đai trục X trên phần mềm

o Thiết kế vít me bi:

 Vật liệu sử dụng thép CT3:

 Tính toán sơ bộ đường kính vít me:

 Đường kính 18 mm

 Bước ren 10 mm

 Chiều dài làm việc 210 mm

 Thiết kế khâu Y:

o Vận tốc dài của bàn dao: v=3 mm/s

o Tải trọng của bàn dao: P=50N

o Công suất làm việc

o Thiết kế bộ truyền đai răng:

 Loại đai XL

 Số răng: Z=70

 Tỉ số truyền 1

 Số răng của bánh đai Z1=Z2= 21

Hình 4.5 Thông số kiểm bền đai trục Y trên phần mềm

o Thiết kế vít me bi:

 Vật liệu sử dụng thép CT3: