Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Thiết kế hệ thống cơ điện tử

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 4

1.1 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động 4

1.1.1 Khái niệm sơ đồ động 4

1.1.2 Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động 4

1.2 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động 5

1.2.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động 5

1.2.2 Tính toán Đĩa tích dao 7

1.2.3 Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao 15

1.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén 16

1.2.3.2 Tính toán hệ thống dẫn động khí nén 16

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO 18

2.1 Khái niệm sơ đồ thuật toán 18

2.2 Phân tích quá trình trả dao/lấy dao 18

2.3 Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao 19

CHƯƠNG 3: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHÍ NÉN 23

3.1 Sơ đồ tổng quan 23

3.2 Sơ đồ điều khiển chi tiết (lí thuyết) 24

3.2.1 Chế độ điều khiển tự động 24

3.2.2 Chế độ điều khiển bằng tay 24

3.3 Sơ đồ điều khiển cơ cấu xoay đài dao 25

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN PLC 26

4.1 Chương trình điều khiển theo lí thuyết 26

4.2 Chương trình điều khiển theo thực nghiệm 26

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG

BẰNG PHẦN MỀM MATLAB 27

5.1 Xây dựng mô hình mô phỏng 27

5.2 Lập trình điều khiển và xây dựng giao diện điều khiển 28

5.2.1 Giao diện điều khiển 28

5.2.2 Code điều khiển 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 31

CHƯƠNG TRÌNH PLC VIẾT TRÊN GX DEVELOPER 32

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại nhữg lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần Để nâng cao đời sống nhân dân

và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa Để thự hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung

và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị công cụ (máy móc, robot…) của mọi ngành kình tế quốc dân Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong sản xuất

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như : Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu,…Đồng thời cũng giúp chúng em nắm bắt thêm một số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế ,mô phỏng như Matlab, solidword, ngoài ra còn giúp chúng

em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này

Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao, cùng sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết còn hạn chế và hơn nữa chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi được

những thiếu sót và bất cập Vì vậy em rất mong sự góp ý và sửa chữa của các thầy cô để

em có thể rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô trong

Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của

thầy PGS.TS.Bùi Văn Hạnh đã giúp em hoàn thành đồ án này

Hà Nôi, ngày 8 tháng 1 năm 2018

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO

TỰ ĐỘNG

1.1 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động

1.1.1 Khái niệm sơ đồ động

Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền,các cơ cấu

liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động,xác định những chuyển động cần thiết của máy Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện,

đường kính bánh đai,số răng của bánh răng ,số đầu mối của trục vít,số răng của bánh vít

1.1.2 Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động

Từ định Nghĩa sơ đồ động và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống thay dao tự động CNC cùng với quy ước vẽ của sơ đồ động:

9: Tang chứa dao

10: Dao

11: Cảm biến từ

12: Hệ thông bơm khí nén

1.2 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động

1.2.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động

Với các dư liệu đầu vào

- Số dao đài dao chứa : 16

- Đường kính lớn nhất của dao : 80 (mm)

- Loại chuôi dao : BT50

- Chiều cao chuôi dao : 85 (mm)

- Khối lượng dao : 7 kg

- Đường kính lớn nhất của cụm trục chính :max = 120 mm

- Khoảng cách từ tâm trục trính đến thân máy Ltrc = 505 mm

- Kích thước thân máy 360x400mm

- Hành trình dẫn đài mang dao L = 250 mm

Lập quy trình tính toán:

Từ điểm gốc của hệ thống thay dao cùng với nguyên lý thay dao ta có thể lập

qui trình tính toán như sau:

- Xác định tâm của đường tròn chứa dao và vị trí của các đài dao trên đường

tròn

- Kết cấu tay kẹp dụng cụ và tấm định vị

- Tính toán Tang chứa dụng cụ

- Tính toán cơ cấu quay phân độ _ cơ cấu Man

- Tính toán và lựa chọn động cơ cho cơ cấu quay phân độ

- Tính toán và lựa chọn ổ lăn

- Tính toán loxo tạo ra lực kẹp dao

- Lựa chọn trục dẫn hướng

- Tính toán và lựa chọn hệ thống xylanh khí nén dẫn động đài dao

- Kiểm tra độ bền cho hệ thống thay dao

Các dữ liệu đầu vào

N: Số lượng dao của ở chứa dao N = 16

Dmax: đường kính lớn nhất cảu dao Dmax = 80mm

BT50: Loại chuôi dao

M: khối lượng 1 con dao m = 7kg

b, Khoảng cách giữa các dao gần nhau

trong đĩa tích dao

c, Kiểm tra độ an toàn khi trục vào thay

dao

d, Lựa chọ cơ cấu kẹp trên đĩa

e, Tính toán các thông số hình học của đĩa

Tính toán cơ cấu Malte cho đĩa dao

a, tính toán các thông số hình học của

Malte

b, Tính toán động học của Malte

c, Tính toán động lực học của Malte

d, Tính toán và lựa chọn đông cơ

Tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén

a, Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí hệ thống

b, Tính toán hệ thông khí nén

b, Chọn sơ bộ kích thước

c, Tính và kiểm khả năng tải của ô

d, Lựa chọn ổ bi lăn

1.2.2 Tính toán Đĩa tích dao

1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao

- Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 16

- Đường kính lớn nhất của dao Dmax = 80 mm

- Chuôi dao BT50

- Đường kính của trục chính Dtrc = 120 mm

- Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đổi dụng cụ Ltd = 130 mm

a Xác định bán kính từ tâm của dao đến tâm của đĩa chứa dao R0

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán kích hình học của Tang

R0 > C

Tính toán trục đỡ dao

C: là chu vi của đa giác chứa dao

Vậy R0 >1280

2π = 203, 7183 mm

Để giữa các dao có khoảng cách ta lấy R0 = 340 mm

Khi đó chu vi của vòng chứa dao là

C = 2πR0 = 2.3,14.330 = 2135,2 mm

b Xác định khoảng cách các dao gần nhau trong đĩa tích dao

Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác đinh gần đúng

c Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao

Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục chính vào thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và đài dao số 16 hay không

Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm)

Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT40 là:∅c = 69,85 mm

Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 133,45 mm

Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài dao số 1 đến độ côn của các đài dao số 2 và đài dao số 16 la LT

𝐿𝑇 = 𝐿 −∅c

2 = 133,45 −

69,85

Để trục chính không va chạm vào các đài dao xung quanh thì phải thỏa mãi điều kiện sau:

max

2 < 𝐿𝑇120

2 < 98,525

Vậy thỏa mãn điều kiện

d Lựa chọn cơ cấu tay kẹp dao trên Tang

Để trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị trí xác định trên Tang chứa dao.Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của dao trên Tang

Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao tự động của trung tâm gia công CNC_V30.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹp trái_Tay kẹp phải_Chốt định vị_và một loxo tạo ra lực kẹp dao

Các thông số hình học của tay kẹp:

Hình 1 2 Các thông số của tay kẹt

Các thông số hình học tấm định vị

Hình 1.3 Thông số hình học của tấm định vị

Tính toán khẻ hở giữa các tay kẹp dao:

Ta có thể xác đinh gần đúng theo công thức hình học :

C = N(2r + 2h + L) Trong đó:

C: chu vi vòng tròn từ tâm dao đến đường tâm của đĩa dao C = 2135,2 mm

L: khe hở cần tính để tránh va đập giữ các tay kẹp

N: số dạo kẹp đĩa tích có thể chứ

 𝐿 = 𝐶

𝑁− 2𝑟 − 2ℎ =2135,2

16 − 2.34,925 − 2.23 = 17,6 𝑚𝑚 Kiểm tra khi mở tay kẹp

Khi thay dao tay sẽ quay quanh đểm O1 một góc α = 5o vậy lượng mở lớp thêm tay kẹp ứng với bề dầy nhất là:

Lk 83.tg  83.tg5o  7,26 < 17,6 mm

Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao

e Tính toán các thông số hình học của Tang

• Tính bán kính vòng ngoài của Tang R1

𝑅1 = 𝑅0− ℎ − 𝑅𝑚𝑎𝑥Trong đó:

R0: bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R0 = 340 mm

h: lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16 mm

Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao 𝑅𝑚𝑎𝑥𝑑 = ∅𝑚𝑎𝑥𝑑

2 = 100

2 = 50 𝑚𝑚

𝑅1 = 340 − 16 − 50 = 274𝑚𝑚

• Bán kính vòng trong của Tang R 2 :

Để có không gian cho tay kẹp di chuyển va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp ta cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R2

𝑅2 < 𝑅1 − 𝐿𝑘 – L

L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)

Lk : Chiều dài chuôi tay kẹp Lk= 58 (mm)

R2 < 274 –58 – 16 = 200 (mm)

Lấy R2= 180 (mm)

• Tính kích thước chiều cao Tang

Chiều cao của đài dao h = 181,8mm

Với chiều cao của dao ta có thể lấy chiều cao của Tang gần bằng chiều cao của dao.Ta lấy H = 180 mm

 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man :

Đĩa chứa dao:

Ro = 340 (mm) là khoảng cách giữa đường tâm Đĩa tích dao đến đường tâm dao

R1 =274 (mm) là bán kính vòng ngoài của Đĩa tích dao

R2 =180 (mm) bán kính vòng trong của Đĩa tích dao

Cơ cấu Man :

R =147 (mm)bán kính của đĩa man

L =150 (mm ) là khoảng cách từ đường tâm của Đĩa tích dao đến đường tâm của động cơ

h = 36 (mm ) là chiều dài rãnh đĩa man

Rc = 29 (mm ) là bán kính đĩa động cơ dẫn động Đĩa tích dao

 = 11,25o là góc giữa đường tâm của động cơ đến đường tâm con gạt Đĩa tích dao

1.2.2.2 Tính toán cơ cấu Man cho đĩa tích dao chứa dao

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1 Chuyển động gián đoạn của đĩa O1 chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay

dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8, ,16,18,10

Với hệ thống thay dao gồm có 16 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là :

Hình 1.4 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Điều kiện bắt buộc để chống va đập là:  +  = 90o

Các thống số hình học của cơ cấu Man được xác đinh:

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L:

𝑐𝑜𝑠𝛼 =

147𝑐𝑜𝑠11,25𝑜 = 149,879 𝑚𝑚 Lấy L = 150 mm

Chiều dài của rãnh đĩa Man:

ℎ = 𝐿(𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 − 1) + 𝑟

ℎ = 150(𝑠𝑖𝑛11,25𝑜+ cos 11,25𝑜 − 1) + 9) = 35,38𝑚𝑚 Lấy h = 36 mm

1.2.2.3 Tính toán và lựa chọn ổ lăn

Với kết cấu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ một dãy và một

ổ lăn dạng ổ đũa côn Ổ bi chỉ chịu tác dụng của lực hướng tâm,còn ổ côn chịu tác dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục Ở đây lực hướng tâm không lớn lắm so với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích thước của ổ côn

- Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ

Ổ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của đĩa tích dao và dụng cụ được gá đặt trên đĩa tích dao Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, đĩa tích dao quay với vấn tốc lớn nhất là=3,03 rad/s, số vòng quay n = 119,3 vòng/phút mỗi lần hoạt động đĩa tích dao chi tiết quay 1 đến 2 vòng, nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh cho ổ

Với các thông số của ổ bi côn d=75mm và D=115mm

Ta lựa chọn ổ bi đỡ 1 dãy loại 115 (theo GOST 8338 -75)

Với các thông số của ổ bi lăn:

d=75mm, D=115mm, B=20 mm, r=2 mm, C=30,40 kN, Co=24,6 kN

1.2.3 Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao

Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tính tiến của Tang về phía trục chính Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thự hiện quá trình

chuyển động thẳng nên để tạo chuyển động của Tang về phía trục chính ta dùng hệ thống

xy lanh khí nén

1.2.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén

Nguyên lý hoạt động:

Khi cuộn hút van 5/2 được câp điện, dưới tác dụng của lực từ do cuộn dây sinh ra, con trượt cua van điều khiến 5/2 bị kéo sang phải Khí nén được đưa vào buồng bên trái cua xi lanh ( buồng A) sinh lực đẩy pittong sang phải (đài dao được đưa đến điếm thay dao) Ngược lại, khi cuộn hút van 5/2 mất điện, dưới tác dụng cua lực kéo lò xo làm con trượt của van điều khiến 5/2 bị kéo sang trái, khí nén được đưa vào buồng bên phải của xi lanh ( buồng B) hệ thống đài dao được đưa trở lại vị trí ban đầu

Trong hệ thống dẫn động khí nén, van lọc có tác dụng tách các phần tử chất bấn và hơi nước ra khỏi khí nén Van điều áp có tác dụng giữ cho áp suất lên

xylanh được điều chỉnh không đối ờ áp suất p Van tra dầu có tác dụng giảm lực

ma sát, sự ăn mòn và sự gi của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí nén

1.2.3.2 Tính toán hệ thống dẫn động khí nén

Tải trọng mà xylanh cần đẩy P=1862 N

Ta đi tính tải trọng đáp ứng

Ta phải đi tính tải trọng đáp ứng

Ta phải đi tính lực quán tính cần đặt vào đầu piston xylanh

Coi quãng đường 250mm mà piston cần di chuyển nhanh dần đều với thời gian di chuyển là t=0,5 s vì khả năng giảm chấn của xylanh khí nén rất tốt nên quãng

đường hãm và thời gian nhỏ

Tính Fms giữa lót bạc và trục đỡ toàn hệ thống trong điều kiện có bôi trơn ma sát tốt hệ số ma sát =0,01- 0,1 Ở đây ta lấy =0,04 do đó Fms=P.=1862.0,04=74,48

N

Vậy lực đáp ứng của xylanh khí nén:

𝐹 = 𝐹𝑞𝑡 + 𝐹𝑚𝑠 = 380 + 74,48 = 454,48 𝑁 Các dữ liệu ban đầu:

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO

2.1 Khái niệm sơ đồ thuật toán

Phương pháp dùng Sơ đồ khối mô tả thuật toán là dùng theo sơ đồ trên mặt

các bước của thuật toán.Sơ đồ khối có ưu điểm là rất trực quan ,dễ bao quát

Để mô tả thuật toán bằng sơ đồ khối ta cần dựa vào các nút sau đây :

Hoạt động của thuật toán theo lưu đồ được bắt đầu từ nút đầu tiên.Sau khi thực hiện các thao tác hoặc kiểm tra điều kiện ở mỗi nút thì bộ xử lý sẽ theo một cung để đến nút

khác.Quá trình thực hiện thuật toán dừng khi gặp nút kết thúc hay nút cuối

2.2 Phân tích quá trình trả dao/lấy dao

Sau khi gọi lệnh Txx-M06 thì hệ thống thay dao sẽ thực hiện các bước để thay dao

đó là sẽ kiểm tra DTC(dao trục chính) có phải là DYC (dao yêu cầu) cần thay hay không

TH1.Nếu DYC = DTC thì quá trình thay dao sẽ không xẩy ra.Tín hiệu so sánh sẽ gửi cho hệ thống PLC.Điều khiển trục chính về vị trí Home.Kết thúc quá trình thay dao

TH2.Nếu DYC # DTC thì quá trình thay dao sẽ xẩy ra với các bước sau đây:

Lưu đồ 8 bước thay dao

Bước 1: Trục chính về mặt phằng thay dao, xoay định hướng góc then

Bước 2: Ổ chứa dao tự hành đi vào kẹp dao trên trục chính

Bước 3: Hệ thống khí nén được kích hoạt để thực hiện xy lanh mở chấu kẹp và đầy dao không mút vào mặt côn của trục chính

Bước 4: Trục chính đi lên hết chiều cao của đài dao về vị trí Home

Bước 5: Ổ chứa dao quay phân độ đưa dao cần thay vào miệng trục chính