ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI LỜI NÓI ĐẦU Đồ án dấu mốc quan trọng sinh viên trước trường, kết tích lũy q trình học tập, vận dụng kiến thức học vào thực tế, giúp cho sinh viên thực hoá khả sáng tạo thân, tự tin trường Trong q trình hồn thành đề tài : “Thiết kế mơ hình máy khoan tự động điều khiển điện khí nén.”, thân em học hỏi nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu thực đề tài với giúp đỡ nhiệt tình thầy Trần Ngọc Hải Tuy có nhiều cố gắng q trình thực đề tài khơng tránh khỏi sai sót, mong q thầy bỏ qua giúp đỡ để em hồn thành tốt nhiệm vụ củng cố kiến thức ngày vững vàng Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Ngọc Hải quan tâm, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp em hồn thành đề tài thời hạn giao Đà Nẵng, tháng 10 năm 2018 Sinh viên thực Nguyễn Trung Dũng Dương Văn Thái SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :1 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài Tên đề tài : ”Thiết kế mơ hình máy khoan tự động điều khiển điện khí nén” Máy khoan cơng cụ lắp với phụ kiện điểu khiển để tạo lỗ tròn vật liệu Các phụ kiện đính kèm nắm chặt kep đầu máy xoay thực tiến đến vật liệu mục tiêu Đầu cạnh phụ kiện cắt làm công việc cắt vào vật liệu mục tiêu Khoan thường sử dụng cơng trình chế biến gỗ , kim loại , xây dựng Có nhiều máy thiết kế đặc biệt để sử dụng y khoa, ngồi khơng gian ứng dụng khác Các loại máy khoan phân biệt thông qua nguồn điện công suất Ngày nay, với phát triển khoa học - kĩ thuật, yêu cầu sử dụng hệ thống điều khiển tự động cho thiết bị, máy móc mà can thiệp người rất cần thiết để giảm sức người tang suất lao động Một số quy trình hồn tồn tự động Lợi ích lớn điều khiển tự động tiết kiệm lao động, nhiên, sử dụng để tiết kiệm lượng nguyên vật liệu nâng cao chất lượng với độ xác cao Ngồi ra, điều khiển sản xuất tự động làm việc mơi trường độc hại, có nhiệt độ cao, xạ, nơi người Điều khiển sản xuất tự động ứng dụng nhiều lĩnh vực ngành Cơ khí cơng nghệ đúc, cơng nghệ hàn, cắt kim loại, công nghệ phun sơn, tháo lắp vận chuyển phôi, ráp sản phẩm… Đất nước ta giai đoạn cơng nghiệp hố đại hố, tiêu biểu cách mạng cơng nghiệp 4.0 Công nghiệp 4.0 xu hướng thời việc tự động hóa trao đổi liệu công nghệ sản xuất Trong tương lai không xa ngành Cơ Khí phải trang bị lại để tiến kịp nước khu vực giới, tiếp cận công nghệ đẩy nhanh trình phát triển đất nước Trong đó, điều khiển sản xuất tự động quan trọng nhất, ứng dụng rộng rãi đem lại hiệu to lớn sản xuất cơng nghiệp, quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ… Điều khiển sản xuất tự động môn hầu hết trường đại học kĩ thuật nước ta đưa vào nghiên cứu giảng dạy Và với nhiệm vụ môn học “ Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển tự động” nhóm chúng em xin nhận đề tài Thiết kế mơ hình máy khoan tự động SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI 1.2 Cơ sở lý thuyết ứng dụng Điều khiển q trình hệ thống, tác động hay nhiều đại lượng vào, đại lượng thay đổi theo quy luật định hệ thống Một hệ thống điều khiển bao gồm : thiết bị điều khiển đối tượng điều khiển Tín hiệu nhiễu Dây chuyền sản xuất X1 Thiết bị điều khiển Đối tượng điều khiển Tín hiệu điều khiển X2 Hình 1: Sơ đồ hệ thống điều khiển  Đối tượng điều khiển thiết bị máy móc kĩ thuật  Thiết bị điều khiển (mạch điều khiển) bao gồm: phân tử đưa tín hiệu vào, phần tử xử lý điều khiển, cấu chấp hành  Tín hiệu điều khiển: đại lượng thiết bị điều khiển đại lượng vào đối tượng điều khiển  Tín hiệu nhiễu: đại lượng tác đọng từ vào hệ thống gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống Phần tử đưa tín hiệu Ví dụ: Cơng tắc, nút ấn Phần tử xử lý điều khiển Cơ cấu chấp hành Van đảo chiều Xylanh Cơng tắc hành trình Van chặn Động khí nén Cảm biến tia Van tiết lưu Van áp suất Phần tử khuếch đại Hình : Các phần tử mạch điều khiển SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :3 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI Biểu đồ trạng thái : Một hệ thống điều khiển có nhiều mạch điều khiển, có nhiều phần tử điều khiển phần tử chấp hành, để thể phối hợp logic phần tử hệ thống điều khiển ta biểu diễn chức q trình biểu đồ trạng thái Hình : Kí hiệu số phần tử - Biểu đồ trạng thái dùng để biểu diễn trạng thái làm việc phần tử mạch điều khiển, mối liên hệ trình tự chuyển mạch phần tử - Trục thẳng đứng biểu diễn trạng thái (hành trình chuyển động, áp suất, góc quay,…), trục nằm ngang biểu diễn bước thực thời gian trình Hành trình làm việc chia thành bước, thay đổi trạng thái bước biểu diễn đường đậm, liên kết tín hiệu biểu diễn đường nét mảnh chiều tác động biểu diễn mũi tên - Xilanh tịnh tiến kí hiệu dấu (+) lùi ký hiệu dấu (-) SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :4 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Các phần tử điều khiển kí hiệu vị trí “0” vị trí “1” (hoặc “a”, “b”) Hình : Biểu đồ trạng thái Mạch điều khiển điện khí nén : Sơ đồ mạch điện khí nén gồm phần : - Sơ đồ mạch điện điều khiển - Sơ đồ mạch khí nén Một số mạch điều khiển điện khí nén:  Mạch điều khiển trực tiếp : Hình : Mạch điều khiển trực tiếp SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :5 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI  Mạch điều khiển gián tiếp Hình : Mạch điều khiển gián tiếp  Mạch có tiếp điểm tự trì Hình : Mạch điều khiển có tiếp điểm tự trì SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :6 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI  Mạch có tiếp điểm bảo vệ Hình : Mạch có tiếp điểm bảo vệ  Mạch điều khiển theo hành trình nam châm Hình 9: Mạch điều khiển theo hành trình nam châm SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :7 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI  Mạch điều khiển theo cấu trúc tầng điện - Cấu trúc điều khiển theo tầng thực mạch điện : Các phần tử chuyển đổi tầng rơle điện từ, số rơle điện từ dành cho chuyển tầng n – (với: n số tầng), số tín hiệu chuyển tầng số tầng, tín hiệu lại khơng tham gia chuyển tầng nằm tầng dùng để điều khiển trực tiếp van đảo chiều bước thực Hình 10 : Mạch điều khiển tầng tầng SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :8 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI CHƯƠNG : THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 2.1 Phân tích chọn phương án thiết kế  Truyền động thủy lực * Ưu điểm nhược điểm hệ thống truyền động thủy lực  Ưu điểm: - Truyền động công suất cao tải trọng lớn, cấu đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao - Điều chỉnh vô cấp vận tốc cấu chấp hành - Vị trí phần tử dẫn bị dẫn bố trí khơng phụ thuộc lẫn - Có khả giảm khối lượng kích thước cấu nhờ chọn áp suất cao - Bơm động thủy lực có qn tính nhỏ, dầu có tính chịu nén nên sử dụng vận tốc cao mà không sợ bị va đập mạnh hệ truyền động khí hay truyền động điện - Dễ đề phòng tải nhờ van an tồn - Có thể theo dõi tình trạng làm việc hệ thống, kể hệ phức tạp, nhiều mạch nhờ áp kế - Thuận lợi việc thực tự động hóa đơn giản, kể thiết bị phức tạp, cách sử dụng phần tử tiêu chuẩn hóa  Nhược điểm: - Tổn thất đường ống dẫn rò rỉ bên phần tử, làm giảm hiệu suất làm việc - Do dầu có tính đàn hồi nên khó ổn định vận tốc tải thay đổi  Truyền động khí nén * Ưu điểm nhược điểm hệ thống truyền động khí nén:  Ưu điểm: - Có khả truyền lượng xa, độ nhớt động học khí nén nhỏ tổn thất áp suất đường dẫn nhỏ SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :9 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Do có khả chịu nén (đàn hồi) lớn khơng khí nên tích chứa khí nén thuận lợi Vì vậy, có khả ứng dụng để thành lập trạm trích chứa khí nén - Khơng khí dùng để nén, có số lượng khơng giới hạn thải mơi trường - Hệ thống khí nén sạch, có rò rỉ khơng khí nén hệ thống ống dẫn khơng bị ô nhiễm - Chi phí cho hệ thống truyền động khí nén thấp Hiện nay, hầu hết xí nghiệp, nhà máy có sẵn hệ thống cấp khí nén - Hệ thống phòng ngừa áp suất giới hạn đảm bảo nên tính nguy hiểm q trình sử dụng hệ thống truyền động khí nén thấp - Các phần tử hệ thống khí nén có cấu tạo đơn giản giá thành rẻ - Các van khí nén phù hợp với chức điều khiển logic, phù hợp cho sử dụng để điều khiển trình phức tạp với mức độ phối hợp cấu cao  Nhược điểm  Lực để truyền tải trọng đến cấu chấp hành thấp  Khi tải trọng hệ thống thay đổi vận tốc truyền thay đổi theo, khả đàn hồi khí nén lớn (nên khó thực chuyển động thẳng quay đều)  Dòng khí đường dẫn gây nhiều tiếng ồn => Đối với đề tài “Thiết kế mơ hình máy khoan tự động” phù hợp với mơ hình sản xuất nhỏ nên độ xác thấp - lấy sản phẩm không yêu cầu cao Do ta sử dụng phương án truyền động điều khiển điệnkhí nén để tận dụng nguồn khí sẵn có Hơn nữa, để kết cấu máy nhỏ gọn giá thành hợp lý ta không sử dụng phương án truyền động thủy lực khí nén SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI rơle K (cả nút ấn S0 trở vị trí mở) Nút ngắt S1 làm cho rơle K điện tiếp điểm K trở trạng thái mở ban đầu - Mạch điều khiển theo hành trình nam châm : với S1, S2 cơng tắc hành trình điện Rơle K1 để trì mạch, rơle K2 điều khiển hai cuộn dây Y1, Y2, điều khiển piston tịnh tiến lùi - Mạch điều khiển theo cấu trúc tầng điện : Tín hiệu E1 dùng để thiết lập tầng 1, tín hiệu E2 dùng để thiết lập tầng SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :16 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển o Biểu đồ trạng thái làm việc xilanh động cơ: Trong : S0: nút ấn khởi động S1: nút ngắt điện a0, a1 : hai công tắc hành trình dùng để xác định vị trí cuối hành trình lùi hành trình duỗi thẳng piston A b0, b1 : hai cơng tắc hành trình dùng để xác định vị trí cuối hành trình lùi hành trình duỗi thẳng piston B c0, c1 : hai cơng tắc hành trình dùng để xác định vị trí cuối hành trình lùi hành trình duỗi thẳng piston C SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :17 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI o Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén : Từ biểu đồ trạng thái, ta xác định điều kiện để xilanh làm việc: Bước 1: Piston A với tín hiệu điều khiển A+ : A+ = a0 b0 c0 S0 Bước : Piston B với tín hiệu điều khiển B+ : B+ = a1 b0 c0 Bước : Piston B lùi với tín hiệu điều khiển B- : B- = a1 b1 c0 Bước : Piston A lùi với tín hiệu điều khiển A- : A- = a1 b0 c0 Bước : Piston C với tín hiệu điều khiển C+ : C+ = a0 b0 c0 Bước : Piston C lùi với tín hiệu điều khiển C- : C- = a0 b0 c1  Phương trình logic : A+ = a0 b0 c0 S0 B+ = a1 b0 c0 B- = a1 b1 c0 Trùng Trùng A = a1 b0 c0 C+ = a0 b0 c0 C- = a0 b0 c1 So sánh phương trình trên, ta thấy điều kiện để thực B+ ≡ A- A+ ≡ C+ Như phương diện điều khiển điều khơng thể thực Để phân biệt bước thực B+ A- , A+ C+ có điều kiện phương trình phải thêm điều kiện phụ, tức phần tử nhớ trung gian Z với x x tín hiệu phần tử nhớ trung gian Phương trình logic sau thêm vào phần tử nhớ viết lạo sau: A+ = a0 b0 c0 S0 x B+ = a1 b0 c0 x thêm vào B = a1 b1 c0 x A- = a1 b0 c0 x C+ = a0 b0 c0 x chuẩn bị trước C = a0 b0 c1 x SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :18 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI Trong quy trình thêm phần tử nhớ trung gian (Z), ta có tín hiệu để điều khiển phần tử nhớ : X+ = a1 b1 c0 x X- = a0 b0 c1 x Như ta có phương trình khơng trùng : A+ = a0 b0 c0 S0 x B+ = a1 b0 c0 x X+ = a1 b1 c0 x B- = a1 b1 c0 x A- = a1 b0 c0 x C+ = a0 b0 c0 x X- = a0 b0 c1 x C- = a0 b0 c1 x Với phương trình ta có sơ đồ mạch logic sau: Rút gọn phương pháp biểu đồ Karnaugh: Thiết lập biểu đồ Karnaugh với biến : a1 phủ định a0 b1 phủ định b0 c1 phủ định c0 x phủ định x SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :19 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI Biểu đồ Karnaugh với biến : - Đơn giản hành trình xilanh A : Ta có : A+ = c0 x S0 A- = b0 x SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :20 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Đơn giản hành trình xilanh B : Ta có : B+ = a1 x B-= x - Đơn giản hành trình xilanh C: Ta có : C+ = a0 x C- = x SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :21 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Đơn giản phần tử nhớ trung gian Z: Ta có : X+ = b1 X- = c1  Vậy phương trình logic sau đơn giản biểu đồ Karnaugh là: A+ = c0 x S0 B+ = a1 x X+ = b1 B- = x A-= b0 x C+ = a0 x X- = c1 C- = x SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :22 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI Biểu diễn sơ đồ mạch logic đơn giản: Từ phương trình logic, mạch logic đơn giản ta thiết kế sơ đồ mạch điện điều khiển xilanh : SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :23 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI Mạch điều khiển động điện : 4.3 Lựa chọn động phần tử điều khiển - Động : động điện có cơng suất 0,02kW , số vòng quay : 60 vòng/phút - Xilanh khí nén tác động chiều : SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Van đảo chiều 5/2: - Van tiết lưu : SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :25 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Bộ chuyển nguồn điện : - Rơle điện từ: SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :26 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Ống dây khí nén : - Cơng tắc hành trình: SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :27 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI 4.4 Xây dựng vẽ hệ thống điều khiển SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :28 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Đắp, Trần Xuân Tùy, ”Điều khiển tự động lĩnh vực khí” NXB Giáo dục, Hà Nội, 1998 [2] Trần Xuân Tùy, “Điều khiển tự động thủy lực” NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 [3] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, “Điều khiển thủy khí lập trình PLC”, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, 2010 [4] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, “Giáo trình hệ thống truyền động thủy lực khí nén”, NXB Xây dựng, 2011 SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :29 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG : TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Cơ sở lý thuyết ứng dụng CHƯƠNG : THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ MÁY 2.1 Phân tích chọn phương án thiết kế 2.2 Thiết kế động học 11 2.3 Xây dựng vẽ nguyên lý 11 CHƯƠNG : THIẾT KẾ KẾT CẤU 12 3.1 Tính tốn cơng suất 12 3.2 Tính tốn cấu của máy 12 3.3 Xây dựng vẽ kết cấu chung 13 CHƯƠNG : THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 14 4.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển ứng dụng cho đề tài 14 4.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 17 4.3 Lựa chọn động phần tử điều khiển 24 4.4 Xây dựng vẽ hệ thống điều khiển 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 29 SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :30 ... :12 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI 3.3 Xây dựng vẽ kết cấu chung Hình 12 : Bản vẽ kết cấu chung toàn máy SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :13 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ. .. môn học “ Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển tự động” nhóm chúng em xin nhận đề tài Thiết kế mơ hình máy khoan tự động SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :2 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD:... VĂN THÁI Trang :24 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN NGỌC HẢI - Van đảo chiều 5/2: - Van tiết lưu : SVTH: NGUYỄN TRUNG DŨNG, DƯƠNG VĂN THÁI Trang :25 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HT ĐKTĐ GVHD: ThS TRẦN