Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy gấp áo phông tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY GẤP ÁO PHÔNG TỰ ĐỘNG Trần Xuân Đức Duc.txca180115@sis.hust.edu.vn Ngành Cơ Điện Tử Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Minh Hải Viện: Cơ khí HÀ NỘI, 7/2020 LỜI CẢM ƠN Lời i i giảng viê h ng dẫn: TS Phạm Minh Hải, Tr ởng môn C thi t k máy robot đ ận ì hh ng dẫ v i i đ r ạy nhi u ki tạo u kiện thuận l i h h đ i r rì h hời hiê độ v h viê h h ậ v T i i h h đỡ, chia sẻ truy h ả hầy, cô giáo thuộc việ C Khí đ iúp đạt cho tơi nhi u ki n th c bổ ích trình tơi học tập Viện Đặc biệt, t i i ời đ tôi, nh họ ập v h h h h h Xin trân trọng ì h ả ê ậ v i ủ h hộ độ h h gửi t i i đì h viê tơi suốt ày ! Học viên Trần Xuân Đức rì h DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt PLC Programmable logic controller Bộ điều kiển Logic lập trình PVC Polyvinylclorua Nhựa nhiệt dẻo CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm TPU Thermoplastic Polyurethane Nhựa nhiệt dẻo RAM Random Access Memory Bộ nhớ khả biến EPROM Erasable Programmable ReadOnly Memory TTL Transistor-transistor logic CMOS Complementary Metal-OxideSemiconductor Bộ nhớ không khả biến Mạch logic transitor Công nghệ CMOS FBD Function Block Diagram Ngôn ngữ khối IP Internet Protocol Giao thức liên mạng SCL Structured Text Ngôn ngữ kiểu cấu trúc TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển giao vận MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN MÁY GẤP QUẦN ÁO TỰ ĐỘNG 1.1 Nhu cầu máy gấp quần áo tự động 1.2 Các hệ thống gấp áo phông tự động giới 1.3 Các hệ thống gấp áo phông tự động nước 1.4 Định hướng nghiên cứu 1.4.1 Các cách g p áo phông 1.4.2 Thông số áo phông 1.4.3 Yêu cầu toán 1.4.4 S đ tổng thể CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 13 2.1 Tính toán thiết kế động học 13 2.1.1 Tính tốn thi t k u g p 13 h 2.1.2 Tính tốn thi t k đổi chi u rộng g p 18 2.2 Thiết kế chi tiết máy 20 2.2.1 C u g p 20 2.2.2 B ải 21 2.3 Tính toán lựa chọn nguồn động lực 24 2.3.1 Khảo sát giải pháp truy 2.3.2 Chọ độ động 24 27 2.3.3 Phân phối tỷ số truy n 29 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 31 3.1 Lập sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển giải thuật 31 3.1.1 Thi ập đ hệ hố h – hí 31 3.2 Lựa chọn phần tử hệ thống điều khiển 46 3.2.1 ệ hố h v hí 46 3.2.2 Bộ u khiển 52 3.2.3 Độ h đ ng ba pha 58 3.2.4 Bi n tầ IG5A u khiể độ ph 60 3.3 Xây dựng giao diện người dùng 63 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 65 4.1 Đánh giá cấu chấp hành 65 4.2 Đánh giá hệ thống điều khiển 67 KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 71 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Tỉ số truyền nên dùng cho truyền hệ 30 Bảng 2: Phân cơng tín hiệu vào 32 Bảng 3: Phân cơng tín hiệu 33 Bảng 4: Thông số kỹ thuật động HEM 60 Bảng 5: Bảng thống kê sản phẩm biến tần IG5A[4] 61 Bảng 6: Kết chạy thực nghiệm hệ thống gấp áo phông tự động 68 Bảng 7: Bảng lựa chọn thông số kỹ thuật truyền đai 87 Bảng 8: Bảng thông số Pulleys 89 Bảng 9: 5mm Pitch Standard Metric Belts Type 5M 90 Bảng 10: Hệ thống chiều dài Belt 91 Bảng 11: Tỉ lệ công suất với 5M Belt 91 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Máy gấp quần qáo Laundroid Hình 2: Máy gấp quần áo Foldimate Hình 3: Máy FS-21 Hình 4: Máy FS-23 Hình 5: Máy STP 1000 Hình 6: Cách gấp Hình 7: Cách gấp Hình 8: Kích thước áo Hình 9: Áo phơng Hình 10: Sơ đồ tổng thể Hệ thống máy gấp áo phông tự động Hình 11: Đặt áo lên máy Hình 12: Gấp dọc áo 10 Hình 13: Áo đến điểm gấp 10 Hình 14: Gấp ngang áo 10 Hình 15: Áo đến điểm gấp 11 Hình 16: Đặt khn áo 11 Hình 17: Gấp ngang áo 12 Hình 18: Đưa áo đến phận đóng gói 12 Hình 19: Cơ cấu gấp thông thường 13 Hình 20: Cơ cấu gấp cải tiến 14 Hình 21: Cơ cấu gấp khâu lề 14 Hình 22: Xác định kích thước khâu trung gian BC 15 Hình 23: Cơ cấu gấp khâu với khâu AB cong 16 Hình 24: Cơ cấu gấp ngang 17 Hình 25: Tính tốn kích thước động học cấu gấp ngang 17 Hình 26: Điều chỉnh chuyển động trục gấp độc lập với động tịnh tiến 19 Hình 27: Điều chỉnh chuyển động trục gấp với động 19 Hình 28: Mơ tả chế hoạt động cấu thay đổi chiều rộng gấp 20 Hình 29: Cơ cấu gấp dọc 20 Hình 30: Cơ cấu gấp ngang 21 Hình 31: Bản vẽ lắp cấu gấp ngang dọc 21 Hình 32: Bản vẽ lắp cấu gấp cấu thay đổi chiều rộng gấp 21 Hình 33: Chiều dài sơ băng tải 22 Hình 34: Kích thước sơ băng tải 22 Hình 35: Tấm truyền băng tải 23 Hình 36: Kết cấu băng tải 23 Hình 37: Sơ đồ truyền sử dụng đai 25 Hình 38: Sơ đồ băng tải máy gấp áo phông 25 Hình 39: Hiệu suất truyền ổ lăn 27 Hình 40: Thơng số kỹ thuật động 28 Hình 41: Sơ đồ truyền động 29 Hình 42: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy gấp áo phông tự động 31 Hình 43: Sơ đồ khối cấu chấp hành hệ thống gấp áo phông tự động 31 Hình 44: Sơ đồ giải thuật phase 33 Hình 45: Sơ đồ giải thuật phase 34 Hình 46: Sơ đồ giải thuật phase 35 Hình 47: Sơ đồ giải thuật phase 36 Hình 48: Sơ đồ hệ thống y lanh khí n n 37 Hình 49: Trình tự phas 37 Hình 50: Đặt áo l n áy 38 Hình 51: ấp hai b n áo 38 Hình 52: 1- Trình tự phas 40 Hình 53: ấp 41 Hình 54: Đuôi áo đ gấp 41 Hình 55: 1- Trình tự phase 43 Hình 56: ấp đơi áo 43 Hình 57: Áo gấp đơi nửa n tr n khuôn áo 44 Hình 58: X – X Trình tự phas 45 Hình 59: Xy lanh CDM2E20-150Z 47 Hình 60: Các thơng số hình học y lanh 47 Hình 61: Trạng thái bình thường van đóng 48 Hình 62: Trạng thái cấp khí n n – van 49 Hình 63: an điện t cổng S 5120-5LZD-C6 50 Hình 64: Cả biến t -M9B 51 Hình 65: Sơ đồ cấu trúc PLC 55 Hình 66: PLC S7 1200 58 Hình 67: Sơ đồ lượng áy điện KĐB 59 Hình 68: Động không đồng pha HEM 60 Hình 69: Sơ đồ đấu dây biến tần IG5A[4] 62 Hình 70: Biến tần SV040IG5A-4 63 Hình 71: Giao diện người dùng HMI 64 Hình 72: Cơ cấu gấp dọc 65 Hình 73: Cơ cấu gấp ngang 66 Hình 74: Cụm chuyển động cấu kẹp áo đưa vào túi đóng gói 67 Hình 75: Hệ thống mạch điều khiển PLC 67 Hình 76: Xích tải đơn 71 Hình 77: Xích tải rộng 71 Hình 78: Băng tải lăn 72 Hình 79: Băng tải máy gấp quần áo 72 Hình 80: Thang đo độ cứng shore 73 Hình 81: mẫu P10 74 Hình 82: Mẫu E-15ENME 75 Hình 83: Mẫu Matt Black 76 Hình 84: Sơ đồ băng tải tính lực căng 77 Hình 85: Các loại lăn 80 Hình 86: Kích thước lăn 81 Hình 87: Thơng số kỹ thuật lăn 82 Hình 88: Hệ thống băng tải lăn 83 Hình 89: Lực tác động tr n lăn 84 Hình 90: Trục lăn chủ động 84 Hình 91: Lựa chọn truyền đai 86 Hình 92: Sơ đồ truyền đai 87 Hình 93: Đồ thị lựa chọn Belt 88 CHƯƠNG TỔNG QUAN MÁY GẤP QUẦN ÁO TỰ ĐỘNG 1.1 Nhu cầu máy gấp quần áo tự động Thế kỉ 21 kỉ công nghiệp 4.0 với vô số đổi thành tựu Trong số ngành cơng nghiệp dệt may có vai trị quan trọng trọng đầu tư phát triển Kinh tế đời sống xã hội ngày phát triển nhu cầu ăn d ng lại cịn để ặc khơng chỗ để phục vụ cho việc bảo vệ thể, sức khoẻ người mà đẹp thêm cho sống Thêm nữa, dệt ay ngành “ti n phong” chiến lược xuất hàng hóa Việt Nam thị trường giới, thu cho đất nước lượng ngoại tệ lớn Nhiều nă qua đ cho thấy ngành có đóng góp lớn ổn định vào mục ti u tăng trư ng xuất Về cấu công ty theo s hữu, doanh nghiệp tư nhân chiế đến 84% tổng số doanh nghiệp doanh nghiệp FDI chiếm tỷ trọng 15%, phần lại 1% doanh nghiệp nhà nước Tuy nhiên, xuất hàng dệt may khối FDI tháng nă nă 2017 đạt 11,6 tỷ US tăng nhẹ 9,5% so với kỳ trước chiếm 60,5% trị giá xuất hàng dệt may nước Một số doanh nghiệp v a nhỏ khó khăn việc kinh doanh, tiếp cận khách hàng đầu tư trang thiết bị, máy móc đại Về phương thức xuất khẩu: Hàng dệt may Việt Nam có chất lượng uy tín, đáp ứng đơn hàng lớn, sản lượng linh hoạt Xuất hàng dệt may Việt Nam chủ yếu may gia cơng theo hình thức CMT đơn giản cho h ng nước Muốn ngành dệt may vận hành hiệu nhất, thiết bị công nghệ vô quan trọng phải song song với suất trình độ người lao động Ngày nay, hàng may mặc ngày tr nên phổ biến, với quen thuộc sản phẩm sống, dường khiến cho người qu n tồn quy chuẩn đóng gói hàng hóa Quy trình đểđóng gói hàng may mặc tuân theo tiêu chuẩn gồ phẩ bước như: gấp sản phẩ đưa vào bao bì đóng thùng sản phẩ Với cơng đoạn gấp đóng gói hàng ay đóng gói sản để vận chuyển, xuất sản phẩm ặc tư ng ch ng đơn giản dễ Hình 84: Sơ đồ băng tải tính lực căng Phân tích lực căng t ng điể đặc trưng sơ đồ máy phụ thuộc vào lực cản chuyển động máy Theo nguyên tắc thì: Lực căng điểm i b ng lực căng điểm (i-1) trước cộng với lực cản chuyển động máy đoạn (i-1) đến i Si  Si 1  Wi 1/i 4.1 Ta áp dụng cho sơ đồ băng tải Hình 84 Điểm S1 S0 điểm vào tang dẫn động Băng tải đưa áo di chuyển th o phương ngang sau th o lăn dẫn hướng ột đoạn dài L mặt máy, nhánh khơng tải Các dạng lực cản tính sau:  W8/9 lực cản đ tính chương W8/9  Fms  2.058( N ) 4.2  Vì đoạn n m ngang ta khơng có vật cản nên W4/5 =W14/15  4.3  Những đoạn đai uống trọng lực thân băng tải chiều chuyển động giảm sức căng đai ta khơng tính ta cho W10/11 =W12/13 =W16/17 =W2/3  4.4  Những đoạn băng tải kéo lên trọng lực thân băng tải ngược chiều chuyển động tăng lực căng ta coi đoạn sau thẳng đứng tính 77 W0/1  m0/1 g    A0/1  g  1.5  150  200  106  9.8  0.441 4.5 W6/7  m6/7 g    A6/7  g  1.5   600  200 106  9.8  1.764 4.6  Những đoạn băng tải chạy qua lăn bị uống cong đổi hưỡng bị cản b i lực Wi / i 1  Si (kt  1) 4.7 Trong kt hệ số cản phụ thuộc góc ơm  T Hình 34 ta thấy có lăn chủ động lăn cuối băng tải có góc ơm lớn 9/10  180 4.8 Lực căng tương ứng là: S10  S9  W9/10  S9  0.4S9  1.06S9 4.9 Còn lại góc ơm khác ta coi 90 nên kt = 1,04 Wi /i 1  0.04Si i  1,3,5,7,11,13,15 4.10 Tính cho lực căng S1  S0  W0/1  S0  0.441 4.11 S2  S1  W1/2  S1  0.04S1  1.04S1 4.12 S3  S2  W2/3  S2   1.04S1 4.13 S4  S3  W3/4  S3  0.04S3  1.04S3  1.042 S1 4.14 S5  S4  W4/5  S4   1.042 S1 4.15 S6  S5  W5/6  S5  0.04S5  1.04S5  1.043 S1 4.16 S7  S6  W6/7  S6  1.764  1.043 S1  1.764 4.17 S8  S7  W7/8  S7  0.04S7  1.04S7  1.044 S1  1.83456 4.18 S9  S8  W8/9  S8  2.058  1.044 S1  3.89256 4.19 S10  1.06S9  1.06 1.044 S1  4.126 4.20 S11  S10  W10/11  S10   1.06 1.044 S1  4.126 4.21 78 S12  S11  W11/12  S11  0.04S11  1.04S11  1.06 1.045 S1  4.29104 4.22 S13  S12  W12/13  S12   1.06 1.045 S1  4.29104 4.23 S14  S13  W13/14  1.04S13  1.06 1.046 S1  4.4627 4.24 S15  S14  W14/15  S14   S14  1.06 1.046 S1  4.4627 4.25 S16  S15  W15/16  1.04S15  1.06 1.047 S1  4.641 4.26 S17  S16  W16/17  S16  1.06 1.047 S1  4.641 4.27 Theo công thức Euler S17  S0e  4.28 Trong  hệ số ma sát tấ băng tải vả lăn dẫn (chọn b ng 0.15) băng lăn dẫn   200  3.489(rad )  góc ơm tấ S17  S0e  S0e0.153.489 4.29 T 4.28 4.30 suy S0e0.153.489  1.06 1.047 S1  4.641 4.30  S0e0.153.489  1.06 1.047  S0  0.441  4.641 4.31  S0  e0.153.489  1.06 1.047   1.06 1.047  0.441  4.641 4.32  0.2928S0  5.256  4.641  5.256 4.33  S0  5.256  17.95( N ) 0.2928 T suy lực căng lớn 4.34 đầu vào lăn dẫn S17  1.06 1.047 S1  4.641  1.06 1.047 17.95  4.641  29.68( N ) T lực căng lớn vị trí đầu vào lăn dẫn F17  29.68( N ) ta chọn vật liệu có lực kéo tối đa nhỏ lực Trong loại vật liệu đ tì loại P-10 thỏa 4.35 được, ta chọn n điều kiện bền có trọng lượng nhẹ, bề dày mỏng 79 A3 Thiết kế ăn Con lăn (tang quay) bình thường có loại tang dẫn tang bị dẫn Tang dẫn tang dẫn động trực tiếp tang lại quay nhờ băng tải chạy qua nhờ ma sát kéo cho quay Tang bị dẫn thường để đỡ phần băng tải làm việc dẫn hướng phần tấ băng quay lại tang dẫn động (Hình 85) Để thiết kế trước tiên ta phải chọn sơ vài thơng số Kích thước động học  D thông số quan trọng cần phải chọn Đường kính lăn  D phụ thuộc vào:  kết cấu hệ thống  sản phẩm có s n nhà sản xuất  độ bền băng tải Nếu chọn  D to làm cồng kềnh kích thước hệ thống băng tải Nếu chọn  D nhỏ làm giả độ bền tấ băng phải lăn qua ặt cong bán kính nhỏ gây gấp khúc, gãy Ở ta chọn tang dẫn tang bị dẫn kích thước động học  D =60mm Hình 85: Các loại lăn 80 Hình 86: Kích thước lăn Kết cấu ăn Trên thị trường có nhiều cơng ty nhà ng sản xuất lăn th o kích thước tiêu chuẩn ta tham khảo Ở ta tha khảo sản phẩm công ty Intech Vietnam Mẫu sản phẩm với kích thước, tích hợp ổ lăn ti u chuẩn lăn với ngõng trục thụt vào nhờ lò xo tiện cho lắp ráp (Hình 88,Hình 89) Vật liệu ta chọn thép khơng gỉ inox 304 Ứng suất bền inox 304  b  520MPa 81 Hình 87: Thơng số kỹ thuật lăn 82 Hình 88: Hệ thống băng tải lăn ì lăn dẫn lăn chịu lực căng lớn nên ta tính lực căng tác dụng lên lăn dẫn 83 Hình 89: Lực tác động tr n lăn Tổng hợp lực cho hai lực S0 S17 lực tác dụng lên tang dẫn F0  S0  S17  2S0 S17 cos 200  17.952  29.682  17.95  29.68cos 200 4.1  14.21( N ) Ứng suất dập  F0 lD 4.2 Trong l chiều rộng tấ băng l=30*3=90(mm)=0.09(m)  4.3 F0 14.21   2.631( Pa) lD 0.09  60 4.4 Ứng suất dập nhỏ nhiều so với ứng suất bền  Thiết kế trục lăn chủ động Hình 90: Trục lăn chủ động Đường kính trục lăn dẫn tính theo cơng thức 84 d T2 0.2   4.1 Trong   chọn b ng 15Mpa d T2 8.1103 3  13.92(mm) 0.2   0.2 15 106 4.2 Chọn d  15(mm) Chiều dài trục phụ thuộc vào chiều dài lăn đ chọn điều kiện bền Ltruc=480(mm) A4 Thiết kế truyền đ i Theo tài liệu thiết kế cũ đai thiết kế th o odun Nhưng tr n thực tế hãng sản xuất dùng tiêu chuẩn bước n n để chọn ua ta nên tham khảo cách tính t cataloge nhà sản xuất Trong thiết kế ta tham khảo tài liệu Timing Belt Cataloge hãng Cross & Morse 85 Hình 91: Lựa chọn truyền đai Ta tính tốn th o bước t đến (Hình 91) 86 Hình 92: Sơ đồ truyền đai  Drive Ratio (Tỷ số truyền): Ta đ chọn u là: 4.21 n1 5 n2  Calculate the Design Power (Tính Cơng suất thiết kế) Pd  P( f1  f3  f ) f với P công suất động f1, f2 tra bảng 1, bảng f3 có sử dụng puly trung gian 0.2 f4 máy dùng khơng liên tục thời vụ 0.4 Bảng 7: Bảng lựa chọn thông số kỹ thuật truyền đai Tra Bảng ta f1=2.2; f2=1.25 87 Pd  P( f1  f3  f ) f  0.25(2.2   0)1.25  0.78125  0.8(kW )  Select Belt pitch (Chọn bước đai) Sử dụng Công suất thiết kế Pd tốc độ quay puly b để tì phù hợp đồ thị trang 5-6 Hình 93: Đồ thị lựa chọn Belt 88 4.22 bước Ta chọn loại đai hệ met, t đồ thị ta ác định bước 5M  Pulley Selection (Chọn puly) Bảng 8: Bảng thông số Pulleys Với tỷ số truyền ta tì cắp puly to, nhỏ 112 22  t r in B lt l ngth and C nt r distanc (Xác định chiều dài đai khoảng cách trục) Để tính chiều dài đai ta tính số tr n đai dựa khoảng cách trục sơ Khoảng cách trục sơ ta chọn b ng A0  250(mm) 4.23 Số tr n đai tính theo cơng thức NC  A0 Z1  Z 2.533 p( Z  Z1 )2   p 100 A0 4.24 Trong A0  250(mm) 4.25 89 Z1  22 Z  112 p5 Thay vào 19 ta NC  Thỏa  250 22  112 2.533   (112  22)2    171.1  171 100  250 4.26 n điều kiện NC  0.9(Z1  Z2 )  0.9(112  22)  120 Bảng 9: 5mm Pitch Standard Metric Belts Type 5M T số NC tra bảng tì chiều dài đai 850( ) Khoảng cách trục ác tính lại b ng cơng thức sau: Z  Z2 Z  Z  2.027( Z  Z1 ) p  A   NA    NA    4 2  10       5 22  112 22  112  2.027(112  22)2  A  178   178    4 2 10    4.27    267   4.28  Factors to correct for Teeth in Mesh and Belt Length (Hệ số để số ăn khớp chiều dài đai) Vì số puly b 22 18 n n ta khơng cần tính số ăn khớp 90 Bảng 10: Hệ thống chiều dài Belt Với chiều dài đai 890 tì f6=0.9 Tính lại cơng suất chọn PS  PD f5 f6  0.8 1 0.9  0.72(kW ) 4.29  Belt Width Selection (Chọn chiều rộng đai) T công suất thiết kế Pd, puly nhỏ tốc độ trục động tra bảng sau tìm hệ số cơng suất PR Bảng 11: Tỉ lệ công suất với 5M Belt Wf  4.30 Ps 0.72   2.011 Pr 0.358 Suy bề rộng đai 25 91 ... MÁY GẤP QUẦN ÁO TỰ ĐỘNG 1.1 Nhu cầu máy gấp quần áo tự động 1.2 Các hệ thống gấp áo phông tự động giới 1.3 Các hệ thống gấp áo phông tự động nước 1.4 Định hướng nghiên cứu. .. nhân động lực để thực đề tài: ? ?Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển cho máy gấp áo phông tự động? ?? kỹ sư Nam trực tiếp thực 1.4 Định hướng nghiên cứu 1.4.1 Các cách gấp áo phơng Quy trình gấp áo. .. CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Lập sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển giải thuật 3.1.1 Thiết lập sơ đồ hệ thống y lanh – khí n n Sơ đồ hối: Hình 42: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy gấp