Tự động hóa quá trình sản xuất

LỜI NÓI ĐẦUCùng với sụ phát triển không ngừng của câc thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén – thủy lực, các loại máy móc áp dụng công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển ở hầu hết cá

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sụ phát triển không ngừng của câc thiết bị truyền dẫn, điều khiển khí nén – thủy lực, các loại máy móc áp dụng công nghệ tự động hóa ngày càng phát triển ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy xây dựng, máy bay, tàu thủy….Do những loại máy móc này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng trong các dây truyền liên hoàn.Trong mọi ngành công nghiệp ngày nay, các nhà sản xuất luôn luôn cải tiến áp dụng các loại máy tự động nhằm nâng cao năng xuất lao động, độ chính xác cho sản phẩm và qua đó giảm giá thành.

Môn học “ Tự động hóa quá trình sản xuất” là môn học rất cần thiết cho các bạn sinh viên chuyên ngành kỹ thuật như: cơ khí , điện , điện

tử, …nhằm trang bị các kiến thức cơ bản về tự động hóa phục vụ cho công việc sau này Trong quá trình học môn học, sinh viên được giao nhiệm vụ làm bài tập lớn theo nhóm nhằm giúp sinh viên hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của một hệ thống tự động hóa thường gặp trong thực tế cũng như nâng cao khả năng làm việc theo nhóm.

Dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Hoàng Tiến Dũng nhóm sinh viên lớp LT CD-ĐH Cơ khí 2 – K6 đã hoàn thành bài tập lớn môn học “ Tự động hóa quá trình sản xuất” Trong quá trình làm bài tập nhóm đã cố gắng tìm hiểu các kiến thức liên quan đến đề tài để hoàn thành bài tập một cách tốt nhất Tuy nhiên do điều kiện thời gian hoàn thành bài tập không dài nên không thể tránh khỏi những thiếu xót.Rất mong nhận được sự chỉ bảo thêm của thầy giáo.

Phần I: TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN

XUẤT

1 Khái quát về tự động hóa quá trình sản xuất

1.1 Một số khái niệm cơ bản về tự động hóa

Tự động hóa quá trình sản xuất là giai đoạn phát triển tiếp theo của nền sản xuất cơ khí hóa Nó sẽ thực hiện phần công việc mà cơ khí hóa không thể đảm đương được đó là điều khiển quá trình

Với các thiết bị vạn năng và bán tự động, các chuyển động phụ (tác động điều khiển) do người thợ thự hiện, còn trên các thiết bị tự động hóa và máy tự động , toàn bộ quá trình làm việc (kể cả các tác động điều khiển) đều được thực hiện tự động nhờ các cơ cấu và hệ thống điều khiển tự động, không cần đến sự tham gia trực tiếp của con người

Như vậy, tự động hóa quá trình sản xuất là tổng hợp các biện pháp được sử dụng khi thiết kế quá trình sản xuất và công nghệ mới, tiến hành các hệ thống có năng suất cao, tự động thực hiện các quá trình chính và phụ bằng các cơ cấu và thiết bị tự động mà không cần đến sự tham gia của con người Tự động hóa các quá trình sản xuất luôn gắn liền với ứng dụng các cơ cấu tự động vào các quá trình công nghệ cụ thể Chỉ có trên cơ sở quá trình công nghệ cụ thể mới có thể thiết lập và ứng dụng các cơ cấu hệ thống điều khiển tự động

Máy tự động và máy bán tự động

- Máy tự động là loại máy chỉ tự động trong chu kỳ gia công, khi chuyển sang chu kì mới cần có sự giúp đỡ của con người

- Máy tự động có khả năng tự lấy phôi, gá đặt, tiến hành gia công , tháo sản phẩm ra, tự động thực hiện chu kỳ mới mà không cần sự giúp đỡ của con người

1.2 Mục tiêu của tự động hóa

Tự động hóa nhằm nâng cao tính cạnh tranh sản phẩm, muốn vậy tự động hóa cần làm chủ các vấn đề sau:

- Làm chủ giá thành

- Làm chủ chất lượng sản phẩm

- Khả năng linh hoạt hóa, thay đổi mẫu mã đáp ứng nhu cầu thị trường

- Phát triển sản phẩm

2 Các phương tiện tự động hóa

Ngày nay, để tự động hóa quá trình sản xuất, người ta xây dựng chủ yếu trên nền tảng cá hệ thống thủy lực và khí nén Các hệ thống thủy khí đống vai trò quan trọng trong các dây truyền tự động và các máy tự động Vì vậy chúng ta nghiên cứu chủ yếu các hệ thống thủy khí và các phần tử của chúng

2.1 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển thủy lực và khí nén bao gồm các phần tử điều khiển và

cơ cấu chấp hành được kết nối với nhau thành hệ thống hoàn chỉnh để thực hiện những nhiệm vụ khác nhau theo yêu cầu của hệ đặt ra

- Tín hiệu đầu vào: nút ấn, công tắc, cảm biến, công tắc hành trình …

- Phần tử xử lý thông tin: Xử lý tín hiệu nhập vào theo một logic nhất định làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển : van logic, or , and …

- Phần tử điều khiển: Điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trạng thái của cơ cấu chấp hành : Van chỉnh áp, van đảo chiều, van tiết lưu …

- Cơ cấu chấp hành: Thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lượng ra của mạch điều khiển: xy lanh, động cơ…

- Năng lượng điều khiển bao gồm: phần thong tin và công suất

+Phần thông tin: Điện tử, điện cơ, khí, dầu, quang học, sinh học +Phần công suất: Điện, khí, thủy

2.1.1 Ưu nhược điểm của hệ thống thủy khí

Hệ thống thủy khí có rất nhiều các ưu điểm cho việc áp dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động

a) Khí nén

Ưu điểm:

- Tính đồng nhất năng lượng giữa phần I và P

- Không yêu cầu cao đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lượng

- Khả năng quá tải lớn của động cơ khí

- Độ tin cậy khá cao, ít trục trặc kỹ thuật

- Tuổi thọ lớn

- Có khả năng truyền tải năng lượng xa, tổn thất ít

- An toàn, sạch , không gây ô nhiễm môi trường

Nhược điểm:

- Thời gian đáp ứng chầm so với điện tử

- Lực truyền tải trọng thấp

- Dòng khí nén thoat ra ở đường dẫn gây ồn

- Khả năng lập trình kém

b) Thủy lực

Ưu điểm:

- Truyền động được công suất cao và lực lớn nhờ cơ cấu tương đối đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao, đòi hỏi ít về chăm sóc, bảo dưỡng

- Điều khiển được vận tốc làm việc

- Kết cấu nhỏ gọn, kết nối giữa các thiết bị với nhau dễ dàng

- Tự động hóa đơn giản dùng các phần tử tiêu chuẩn

- Dễ đề phòng quá tải nhờ van an toàn

- Dễ theo dõi và điều chỉnh áp suất bằng áp kế

Nhược điểm:

- Mất mát trong đường ống dẫn và rò rỉ bên trong các phần tử, làm giảm hiệu suất và phạm vi ứng dụng

- Khó giữ được vận tốc không đổi khi phụ tải thay đổi do dầu có tính nén được

- Nhiệt độ và độ nhớt thay đổi làm ảnh hưởng đến độ chính xác điều khiển

- Dầu thải rò rỉ gây ô nhiễm môi trường

2.1.2 Phạm vi ứng dụng của hệ thống thủy lực và khí nén

- Hệ thống điều khiển khí nén được sử dụng rộng rãi ở những lĩnh vực mà ở

đó vấn đề nguy hiểm, hay xảy ra các cháy nổ: các đồ gá kẹp các chi tiết nhựa, chất dẻo hoặc sử dụng trong các ngánh cơ khí cấp phôi gia công hoặc trong môi trường vệ sinh sạch như y tế, sản xuất linh kiện điện tử…

- Hệ thống điều khiển thủy lực được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp như: máy ép, đột dập, CNC ,nâng chuyển, máy xúc…

2.2 Các thành phần của hệ thống

2.2.1 Các phần tử đưa tín hiệu và sủ lý tín hiệu:

a Các phần tử đưa tín hiệu

- Nút nhấn

- Công tác

- Giới hạn hành trình

- Cảm biến

b Các phần tử xử lý tín hiệu

- Các phần tử: YES, NOT, AND, OR, NAND, NOR

2.2.2 Các phần tử chấp hành

2.2.2.1 Động cơ

Nhiệm vụ: biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học – chuyển động quay

Đại lượng đặc trưng của động cơ là độ lớn cua momen xoắn đối với hiệu

áp suất ở đường vào và đường ra xác định vói lượng lưu chất cần tiêu thụ trong một vòng quay Q (l/ph)

Các loại động cơ thường được sử dụng:

- Động cơ bánh răng: Bơm bánh răng…

- Động cơ cánh gạt: Bơm cánh gạt

- Động cơ Píton

2.2.2.2 Xi lanh truyền động ( cơ cấu chấp hành)

a Nhiệm vụ:

Xi lanh là cơ cấu chấp hành dung để biến đổi thế năng của dầu thành cơ năng thực hiện chuyển động thẳng

b Phân loại

Xi lanh được chia làm hai loai: xilanh lực và xilanh quay (hay còn gọi là xilanh momen)

Trong xilanh lực chuyển động tương đối giữa piston với xilanh là chuyển động tịnh tiến

Trong xilanh quay chuyển động tương đối giữa piston với xilanh là chuyển động quay

Piston bắt đầu chuyển động khi lực tác động lên một trong hai phía của nó (có thể là lực áp suất, lực lò xo hoặc lực cơ khí) lớn hơn tổng các lực cản có hướng ngược lại chiều chuyển động ( lực ma sát, phụ tải…)

Ngoài ra xilanh truyền động còn phân theo:

- Theo cấu tạo:

+ Xi lanh đơn: lùi về nhờ ngoại lực hoặc lò xo

+ Xilanh kép:

- Lùi về băng thủy lực

- Lùi về băng thủy lực có giảm chấn

- Tác động cả hai phía

- Tác động quay

+ Xilanh visai : Xilanh đơn và xilanh kép

c) Cấu tạo Xilanh

d) Một số xi lanh thông dụng

- Xilanh tác dụng đơn: Chất lỏng làm việc chỉ tác động một phía của piston và tạo nên chuyển động một chiều Chiều ngược lại nhchuyeenr động nhờ tác động của lực lò xo

- Xi loanh tác động kép: chất lỏng làm việc tác động vào hai phía của piston và tạo nên chuyển động hai chiều

2.2.3 Các loại van

a.Van áp suất:

- Nhiệm vụ: Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm hệ số áp trong hệ thống điều khiển bằng thủy khí

- Phân loại: Van áp suất gồm có các loại sau:

+ Van tràn và van an toàn:

Van tràn và van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong

hệ thống thủy lực vượt qua trị số quy định Van tràn làm việc thường xuyên còn van an toàn làm việc khi quá tải

Van kiểu bi Van kiểu piston trượt +Van giảm áp

Trong nhiều trường hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấpNăng lượng cho nhiều cơ cấu chấp hành khác nhau Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất nhất và dùng van giảm áp đặt trước cơ cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết

+Van cản

Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống Hệ thống luôn

có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập

b.Van đảo chiều

Nhiệm vụ

Van đảo chiều dùng đóng mở các ống dẫn khi khởi động các cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành

Các khái niệm

+ Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay dầu ra Thường là 2, 3 và 4, 5 Trong những trường hợp đặc biệt có thể nhiều hơn

+ Số vị trí: là số định vị con trượt của van Thông thường van đảo chiều có

2 hoặc 3 vị trí Trong những trường hợp đặc biệt có thể nhiều hơn

Các loại van đảo chiều thông dụng và kí hiệ của chúng

Van đảo chiều 2/2: có 2 cửa và 2

vị trí

Van đảo chiều 3/2: có 3 cửa và 2

vị trí

Van đảo chiều 4/2: có 4 cửa và 2

vị trí

Van đảo chiều 5/2: có 5 cửa và 2

vị trí

Van đảo chiều 4/3: có 4 cửa và 3

vị trí

Van đảo chiều 5/3: có 5 cửa và 3

vị trí

c.Van tiết lưu

Van tiết lưu dùng để điều chỉnh lưu lượng dầu và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thông thủy lực

Có 2 loại:

Điều chỉnh được lưu lượng Không điều chỉnh được lưu lượng d.Van chặn

Van chặn gồm các loại:

- Van một chiều

Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một hướng, và hướng kia dòng chất lỏng bị ngăn lại

Ứng dụng của van một chiều:

• Đặt ở đường ra của bơm (để chặn dầu chảy về bể)

• Đặt ở của hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm)

2.2.4 Các loại tín hiệu tác động

a.Tác động bằng tay

b Tác động bằng cơ

c Tác động bằng điện

d Tác động bằng khí và dầu

2.2.5 Thiết bị điều khiển

a Nhiệm vụ: Thiết bị điều khiển trong hệ thống tự động làm nhiệm

vụ thu thập các thông tin từ cảm biến, từ chương trình điều khiển bằng tay sau đó xử lý các thông tin đó theo một thuật toán định trước và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành thao tác đúng trình tự công nghệ.

b.Phân loại thiết bị điều khiển

- Theo phương pháp

- Điều khiển servo

- Điều khiển tương tự

- Điều khiển số

- Theo cấu tạo

- Điều khiển băng cơ khí

- Điều khiển băng khí nén

- Điều khiển băng cơ điện

- Điều khiển băng PLC

- Vi sử lý và vi điều khiển

Phần II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẬP SẢN PHẨM

TỰ ĐỘNG

Nguyên lý hoạt động của máy dập liên hoàn

Khi băng chuyền tải đưa phôi vào thùng chuẩn bị, piton cấp phôi 2

sẽ dịch chuyển đưa chi tiết tới vị trí gia công, nhận được tín hiệu phôi

đã vào vị trí sẵn sang để gia công,piton 1 mang chày dập đi xuống để gia công chi tiết.Sau khi piton 3 hoàn thành quá trình gia công sẽ trở lại vị trí ban đầu và phát tín hiệu để piston 4 hoạt động tiến hành đẩy sản phẩm đã gia công ra ngoài.Chu kì được lặp lại khi piston 4 trở về

vị trí ban đầu và phất tín hiệu cho piston 2 hoạt động Dưới đáy cối có một lò xo nhằm đẩy chi tiết lên khi piston 3 mang chày đi lên.

Trang thai

Xi

lanh

A

Xi

lanh

B

Xi

lanh

C

1.2 2.2

2.1

3.1 1.1

3.2

Biểu đồ trang thái

2

3.2

2

2.2

2

1.2

2

1.1

2

2.1

3.1

2

2.1 2.2

Sơ đồ thủy lực

Do các piston đẩy phôi vào và đẩy chi tiết ra ngoài có lực không đang

kể nên ta chỉ tính toán cho piston mang chày dập là thành phần chính

và đòi hỏi lực lớn

1. Thông số của chi tiết và xilanh

+ Tải trọng yêu cầu để dập gia công 100 KG

+ Trọng lượng chày dập m là 0.5 kg

+ Vận tốc công tác = 500 (mm/phút)

+ Vận tốc chạy không = 1000 (mm/phút)

+ Xilanh được đặt thẳng đứng hướng từ trên xuống

+ Điều khiển bằng van đảo chiều

* Các phần tử thủy lực

+ Xi lanh tải trọng

+ Van tràn

+ Đồng hồ đo áp suất

+ Van tiết lưu

+ Bơm dầu( bơm bánh răng)

2 Tính toán các thông số của piston

Sơ đồ thủy lực tổng quát:

Từ sơ đồ thủy lực ta có:

+ Lực quán tính Fa = ma

+ Lực ma sát trong xilanh Fs = 10% lực tổng cộng tức là là : Fs = 0.1F + Lực tổng cộng tác dụng lên Piston sẽ là:

F = + Fs + Ft

Trong đó

là tải trọng công tác = 100 (KN)

m : Khối lượng của chày dập 0.5Kg

a : Gia tốc chuyển động 9.8 cm/s2

Fs : là lực ma sát trong piston – Xilanh

Fms = 0.1F

⇒ F = + 0.1F + 100

⇒ F = 111.12KN

Ta có phương trình cân bằng tĩnh của lực tác động lên piston

P1A1 = P2A2 + F

Từ đó ta xác định:

là diện tích piton ở buồng công tác

= = = 572.5 mm2

là diện tích piton ở buồng chạy không

= = = 459.5mm2

Với D, d: Đường kính xi lanh và cần piston

Chọn tiêu chuẩn: D = 27mm, d = 12mm

là áp suất của buồng mang cần piston

chọn5 Kg/c

⇒P1 = = = 4 Kg/c

Lưu lượng dầu vào xi lanh để piston chuyển động với vận tốc cực đại là:

Q1max = Vmax.A1 = 1000.459,5 = 459500 mm3/s = 27.5 l/ph Lưu lượng dầu ra xi lanh để piston chuyển động với vận tốc cực đại là:

Q2max = Vmax.A2 = 500.572,5 = 286250 mm3/s = 17.14 l/ph 3.Tính toán các thông số của bơm

+ Lưu lượng lớn nhất của bơm

Ta có: Qb = ( bỏ qua tổn thất ) == 27.5 (l/phút)

Áp suất lớn nhất của bơm = = 5 KG/ c

+ Công suất của bơm

= kw

= = 0.22 Kw

4 Tính toán thông số của động cơ điện cho bơm

Ta có :

=

là công suất của động cơ điện

là hiệu suất của bơm = ( 0,6 0,9 )

Chọn = 0,7

là hiệu suất truyền động của động cơ của bơm

Chọn nd = 0.98

= 0.32 ( Kw )

5 Tính toán ống dẫn

Ta có lưu lượng chảy qua ống dẫn:

Q =

Q là lưu lượng chảy qua ống (l/phút)

D là đường kính trong của ống

v là vận tốc chảy qua ống ( m/s)

d = 4,6

Đối với ống nén thì V = ( 4 -5 m/s )

Chọn V = 4 (m/s)

= 4,6 = 12.06 (mm)

Đối với ống hút thì V = ( 0,5

Chọn V = 1,5 m/s

= 4,6 = 19.67 (mm)

Đối với ống xả thì V = ( 0,5

Chọn V = 1,5

= 4,6 = 19.67 (mm)