Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống thay dao tự động

Các nước phát triển công nghiệp tự động hoá các ngành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỷ trước. Yếu tố quyết định đó là kỹ thuật điều khiển và các máy tính điều khiển. Các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) được dùng phổ biến ở các nước phát triển. Trong những năm gần đây các máy này đã được du nhập vào Việt Nam ta và được sử dụng rộng rãi tại các công ty và trường dạy học… Máy công cụ điều khiển số hiện đại (CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động. Vậy để làm chủ được công nghệ cần làm chủ được các thiết bị điều khiển. Trong các máy CNC, thì mong muốn các quá trình thực hiện một cách tự động hoàn toàn để giảm thiểu thao tác của con người. Trong đó, việc sử dụng hệ thống thay dao tự động là một đề tài nghiên cứu rất ứng dụng. Nó nâng cao công suất lao động và hiệu quả kinh tế. Việc đi sâu tìm hiểu hệ thống thay dao tự động cho phép ta có thể chế tạo hệ thống thay dao tự động riêng cho phù hợp với từng máy, góp phần tăng hiệu quả của việc sử dụng máy CNC. Việc tăng năng suấ của máy là một nhu cầu cần thiết. Dù đã cố gắng hoàn thành đồ án này, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết và kinh nghiệm còn kém nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự góp ý và giúp đỡ của các thày cô trong bộ môn để trang bị thêm được nhiều kiến thức

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Mục lục Danh mục hình minh họa Lời mở đầu Tổng quan máy phay CNC 1.1 Tổng quan máy phay CNC 1.2 Hệ thống thay dao tự động máy phay CNC 1.2.1 Khái niệm đặc điểm hệ thống thay dao tự động 1.2.2 Phân loại hệ thống thay dao tự động máy phay CNC 1.2.3 Thiết kế động học nguyên lý hoạt động hệ thống: 12 1.3 Ưu nhược điểm hệ thống thay dao tự động so với thay dao tay 13 Tính tốn kích thước hệ thống thay dao 14 2.1 Xác định gốc tính tốn cho hệ thống thay dao 14 2.2 Sơ đồ tính tốn, thiết kế hệ thống thay dao tự động 14 2.3 Tính tốn Tang chứa dao 16 2.4 Tính toán cấu Man: 21 2.5 Tính tốn lựa chọn ổ lăn 29 2.6 Tính tốn trục đỡ Tang 32 2.7 Tính tốn hệ thống dẫn động cho cấu thay dao 33 2.8 Kích thước hệ thống tính tốn kí hiệu 41 Mơ hình hóa hệ thống điều khiển 43 3.1 Các bước trình thay dao 43 3.2 Chu trình làm việc hệ thống thay dao tự động 44 3.2.1 Trường hợp trục khơng có dao 44 3.2.2 Trường hợp trục có dao 45 3.3 Mơ hình hóa cho trục chuyển động theo phương Ox tang chứa dao trục 45 3.3.1 Tang chứa dao xi-lanh khí nén 46 3.3.2 Cụm trục 47 Mơ hình hệ thống điều khiển thay dao 48 Phân tích thiết bị cảm biến cấu chấp hành sử dụng cho thay dao55 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Xác định hàm điều khiển 66 6.1Tổng hợp hàm điều khiển 66 6.2 Xây dựng vẽ mạch 68 6.2.1 Sơ đồ điều khiển cấu kẹp dao 69 6.2.2 Sơ đồ điều khiển cấu xoay tang dao 70 Code ngôn ngữ LAD PLC S7-300 điều khiển thay dao tự động 74 8.Mô hoạt động hệ thống phần mềm Solidworks 84 8.1 Q trình mơ thay dao tự động Solidworks 84 Kết luận 89 Tài liệu tham khảo 90 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Danh mục hình minh họa Hình 1: Máy phay CNC Hình 2: Sơ đồ kết cấu động học máy CNC Hình 3: Hệ thống tang chứa dao Hình 4: Hệ thống cấu Mantit Hình 5: Ổ chứa dao trình tự thay dụng cụ ổ chứa dao có tay kẹp kép 10 Hình 6: Ổ chứa dao tự hành trình tự thay dao 10 Hình 7: Hình vẽ mơ trình tự thay dao 11 Hình 8: Sơ đồ động hệ thống thiết kế 12 Hình 9: Bầu kẹp dao phay BT40 16 Hình 10: Sơ đồ tính tốn kích thước hình học đĩa tích dao 18 Hình 11: Chỉ số tang dao 19 Hình 12: Sơ đồ tính tốn cấu Man 21 Hình 13: Sơ đồ tính động lực học cấu Man 26 Hình 14: Động điện hàng DKM 28 Hình 15: Sơ đồ bố trí ổ lăn hệ thống thay dao 29 Hình 16: Hình vẽ ổ đũa côn 30 Hình 17: Sơ đồ phân bồ lực 30 Hình 18: Hình vẽ ổ bi đỡ dây 32 Hình 19: Sơ đồ hệ thống khí nén dẫn động đài dao 33 Hình 20: Các vị trí đài dao so với trục 35 Hình 21: Kích thước Xilanh-Piston khí nén 37 Hình 22: Sơ đồ bố trí trục dẫn hướng hệ thống thay dao 39 Hình 23: Biểu đồ lực biểu đồ momen 40 Hình 24: Hình vẽ bước trình thay dao tự động 43 Hình 25: Sơ đồ tang chứa dao xi lanh khí nén 46 Hình 26: Cụm trục 47 Hình 27: Cơng tắc hành trình Z-15GW2-B hãng OMRON 56 Hình 27: Sơ đồ đấu nối cơng tắc hành trình với PLC 56 Hình 28: Cảm biến tiệm cận 59 Hình 29: Cảm biến tiệm cận 59 Hình 30: sơ đồ đấu nối cảm biến tiệm cận 60 Hình 31: Ngun lí hoạt động cảm biến tiệm cận dùng từ trường 60 Hình 32: Xy lanh khí nén 61 Hình 33: Kí hiệu xy lanh khí nén tác động kép khơng giảm chấn 61 Hình 34: Kí hiệu xy lanh khí nén tác động kép có giảm chấn 62 Hình 36: Sơ đồ điều khiển xy lanh khí nén tác động kép 63 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Hình 37: Xy lanh khí nén tác động đơn 64 Hình 38: Sơ đồ điều khiển xy lanh khí nén tác động đơn 64 Hình 39: Sơ đồ đảo chiều động khơng đồng pha 65 Hình 40: Hình vẽ xi lanh khí nén 69 Hình 41: Hình biểu diễn động quay đĩa Mantit 73 Hình 42: Bảng điều khiển thông tin đầu vào 75 Hình 43: Hình vẽ 3D mơ hệ thống thay dao 84 Hình 44: Hình ảnh thể Motion study 85 Hình 45: Cụm trục di chuyển xuống 85 Hình 46: Tang dao tiến vào vị trí kẹp dao 86 Hình 47: Cụm trục nhả dao sau lên 86 Hình 48: Tang dao quay chọn dao cần thay 87 Hình 49: Cụm trục xuống sau kẹp dao cần thay 87 Hình 50: Tang dao trở lại vị trí ban dầu 88 Hình 51: Trục vị trí ban kết thúc q trình thay dao 89 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Lời mở đầu Đóng góp vào phát triển nhanh chóng khoa học cơng nghệ thời gian gần đây, tự động hố đóng vai trị quan trọng Vì vậy, cần phải có chiến lược cơng nghiệp hố đại hố kinh tế đất nước, công nghiệp tự động cần ưu tiên phát triển Các nước phát triển công nghiệp tự động hoá ngành kinh tế, kỹ thuật có khí chế tạo thực từ nhiều thập kỷ trước Yếu tố định kỹ thuật điều khiển máy tính điều khiển Các máy công cụ điều khiển số (NC CNC) dùng phổ biến nước phát triển Trong năm gần máy du nhập vào Việt Nam ta sử dụng rộng rãi công ty trường dạy học… Máy công cụ điều khiển số đại (CNC) thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành khí tự động Vậy để làm chủ công nghệ cần làm chủ thiết bị điều khiển Trong máy CNC, mong muốn trình thực cách tự động hoàn toàn để giảm thiểu thao tác người Trong đó, việc sử dụng hệ thống thay dao tự động đề tài nghiên cứu ứng dụng Nó nâng cao cơng suất lao động hiệu kinh tế Việc sâu tìm hiểu hệ thống thay dao tự động cho phép ta chế tạo hệ thống thay dao tự động riêng cho phù hợp với máy, góp phần tăng hiệu việc sử dụng máy CNC Việc tăng suấ máy nhu cầu cần thiết Dù cố gắng hồn thành đồ án này, với nhiệt tình hướng dẫn cụ thể thầy môn, hiểu biết kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi sai sót Rất mong góp ý giúp đỡ thày cô môn để trang bị thêm nhiều kiến thức Cuối em xin chân thành cảm ơn quan tâm bảo thầy cô viện đặc biệt hướng dẫn thầy TS.Lê Đức Bảo giúp em hoàn thành đồ án Sinh viên thực Thành Lê Quang Thành Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Tổng quan máy phay CNC 1.1 Tổng quan máy phay CNC - CNC (computer numerical controlled) công cụ gia công kim loại tinh tế tạo chi tiết phức tạp theo yêu cầu công nghệ đại Thuật ngữ CNC liên quan đến nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển chuyển động thực q trình gia cơng kim loại - Máy phay CNC sử dụng phổ biến phân xưởng khí chế tạo khn mẫu nước ta Các máy phay CNC sử dụng máy nhập từ nước ngồi, chủng loại kiểu máy khác tùy thuộc vào hãng sản xuất Hiện máy phay CNC máy khoan thường tổ hợp với thành trung tâm gia công CNC để mở rộng khả công nghệ máy Hình 1: Máy phay CNC - Máy phay đứng CNC bao gồm phận như: cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy máy phay điều khiển CNC - Cụm trục nơi gá lắp dụng cụ cắt tạo tốc độ cắt gọt Trục dẫn động động servo trục (1) điều khiển, điều chỉnh điều khiển CNC (2) có khả cung cấp số vòng quay cho trục phạm vi cho phép máy Hệ thống truyền động cụm trục tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ việc thay đổi tốc độ quay thời gian ngắn Tốc độ quay trục ln cảm biến đo phản hồi điều khiển CNC Trên trục có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động khí nén thủy lực nhằm tự động hóa hồn tồn q trình thay dao Chuyển động theo trục Z máy cụm trục thực hiện, dẫn động nhờ động servo trục Z (3) thông qua truyền động trục vít me đai ốc bi, điều khiển điều chỉnh điều khiển CNC kín có phản hồi Đồ án mơn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 - Hệ thống thay dao (2) máy phay CNC tự động hóa hồn tồn, thơng thường ổ chưa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao Hình 2: Sơ đồ kết cấu động học máy CNC cụm trục vị trí xác định nhà sản xuất nhằm không tạo khả va đập với chi tiết phận khác máy Ngồi hệ thống thay dao tự động nói số nhà sản xuất trung tâm gia cơng CNC cịn đưa hệ thống thay dao đơn giản ổ chứa dao tự hành, vừa có chức chứa dao vừa có chức thay dao tự động - Bàn máy máy phay CNC thơng thường có hai khả chuyển động theo trục X trục Y, dẫn động nhờ servo trục X(4) Y(5) thơng qua truyền động trục vít me đai ốc bi, điều khiển điều chỉnh điều khiển CNC kín có phản hồi - Bộ điều khiển CNC máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình NC nạp vào điều khiển, tiến hành xử lý thông tin phát lệnh điều khiển cấu chấp hành Các lệnh điều khiển phân nhánh thành hệ lệnh là: Hệ lệnh đường hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển trình hình thành hình dáng hình học chi tiết Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 1.2 Hệ thống thay dao tự động máy phay CNC 1.2.1 Khái niệm đặc điểm hệ thống thay dao tự động - Trong máy phay CNC, việc thay dao q trình gia cơng tiến hành hồn tồn tự động để tiết kiệm thời gian gia cơng tối đa - Quá trình chọn dụng cụ phù hợp ổ chứa để gia công chi tiết, gá đặt kẹp chặt dụng cụ tự động tháo dụng cụ khỏi cấu công tác đưa ổ chứa thực nhờ hệ thống cấp phát kẹp chặt tự động - Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động bao gồm phận sau: - Ổ chứa dụng cụ, máy phay CNC có ổ dụng cụ để chứa số dao cần thiết với nhiều loại hình dáng Hình 3: Hệ thống tang chứa dao - Cơ cấu chọn dụng cụ cần thiết từ ổ dụng cụ để chuẩn bị dụng cụ thay (thường cấu mantit để động làm quay đĩa mantit đến vị trí chứa dao) Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Hình 4: Hệ thống cấu Mantit - Tay máy để thay dụng cụ (trong trường hợp máy CNC_V30 không cấu này) Cơ cấu kẹp chuôi côn đài gá dao cấu công tác 1.2.2 Phân loại hệ thống thay dao tự động máy phay CNC - Hệ thống thay dao tự động máy phay CNC hay trung tâm gia cơng CNC có hai dạng ổ chứa dao kết hợp tay kẹp dụng cụ kép ổ chứa dao tự hành Dạng thứ trình bày hình 1.4 với cấu thực sau: - Đưa dụng cụ gọi vào vị trí sẵn sàng thay dao - Điều khiển trục (2) chuyển động lùi vị trí thay dao -Tay quay kẹp dụng cụ (3) quay 90 độ đồng thời kẹp hai dụng cụ trục ổ chứa dao - Quá trình tháo hai dao khỏi cụm trục ổ chứa dao thực phối hợp hệ thống tháo lỏng dụng cụ tay kẹp xuống - Tay kẹp quay 180 độ đổi vị trí hai dụng cụ, chuyển dộng lên đưa dụng cụ vào cụm trục ổ chứa dao Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Hình 5: Ổ chứa dao trình tự thay dụng cụ ổ chứa dao có tay kẹp kép Dạng thứ hai trình bày hình 1.5 với cấu thực sau: - Cụm trục (1) chuyển động mặt phẳng thay dao - Ổ chứa dao (2) chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục kẹp dụng cụ cần thay (3) trục Hình 6: Ổ chứa dao tự hành trình tự thay dao - Hệ thống kẹp dụng cụ trục điều khiển tháo lỏng, trục chuyển động lên tháo hồn tồn dụng cụ khỏi cụm trục - Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ gỏi vào vị trí thay dao nằm trục - Trục chuyển động xuống kẹp chặt dụng cụ ổ chứa dao tịnh tiến 10 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 76 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 77 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 78 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 79 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 80 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 81 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 82 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 83 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 8.Mô hoạt động hệ thống phần mềm Solidworks 8.1 Q trình mơ thay dao tự động Solidworks Sử dụng phần mềm Solidworks để vẽ mơ hình 3D sơ lược chi tiết hệ thống Sau lắp ghép chi tiết với ta hình ảnh tồn hệ thống thay dao tự động hình dưới: Hình 43: Hình vẽ 3D mơ hệ thống thay dao 84 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Ta tiến hành bước mô phỏng: - Bước 1: Tạo motion study mới: chọn vào motion study Hình 44: Hình ảnh thể Motion study - Bước 2: Bắt đầu trình hoạt động, cụm trục di chuyển xuống để tiến hành thay dao, di chuyển chạm công tắc hành trình dừng lại: Hình 45: Cụm trục di chuyển xuống Page | 85 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 - Bước 3: Sau cụm trục xuống vị trí thay dao, xy lanh bắt đầu đẩy tang dao vào tới chạm công tắc hành trình bên phải dừng lại, tay kẹp kẹp lấy dao trục chính: Hình 46: Tang dao tiến vào vị trí kẹp dao - Bước 4: Sau tay kẹp giữ chặt dao, cụm trục nhả dao lên khỏi chiều cao tang dao, nghĩa chạm cơng tắc hành trình phía dừng lại: Hình 47: Cụm trục nhả dao sau lên 86 Đồ án mơn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 - Bước 5: Động điện dẫn động cấu mante quay, tang dao quay đến vị trí dao yêu cầu (nhận biết cảm biết vật đếm số dao qua): Hình 48: Tang dao quay chọn dao cần thay - Bước 6: Trục xuống kẹp lấy dao: Hình 49: Cụm trục xuống sau kẹp dao cần thay Page | 87 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 - Bước 7: Xy lanh khí nén đẩy tang dao trở đến chạm cơng tắc hành trình bên trái dừng: Hình 50: Tang dao trở lại vị trí ban đầu - Bước 8: trục lên, kết thúc q trình thay dao 88 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 Hình 51: Trục vị trí ban kết thúc trình thay dao Kết luận Hiện áp dụng tự động hóa để rút ngắn thời gian làm việc áp dụng ngày nhiều vào công việc để nâng cao hiệu suất công việc Hệ thống thay dao tự động trong q trình làm giảm thời gian cho cơng đoạn thay dao máy CNC để nâng cao suất cơng việc Sau q trình làm đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống thay dao tự động, đúc kết điều sau: - Hệ thống máy CNC hệ thống máy phổ biến sử dụng gia công ưu chuộng, số máy phổ biến bậc công nghiệp nhờ ưu điểm cỗ máy tự động chất lượng gia công - Hệ thống thay dao tự động hệ thống tự động máy CNC giảm thời gian để thay dao xác hệ thống yếu tố quan trọng đến q trình gia cơng máy - Trong trình thực đồ án phải biết tự tìm hiểu làm việc nhóm Qua thực u cầu đồ án yêu cầu tìm hiểu thầy đưa em biết thêm về: - Ứng dụng Solidworks việc thiết kế mô Page | 89 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 20163702 - Hiểu biết PLC cách sử dụng - Quá trình thay dao tự động máy CNC - Sử dụng Piston-khí nén Mặc dù q trình thực cịn nhiều thiếu sót hạn chế, nhờ hướng dẫn tận tình thầy hướng dẫn TS Nguyễn Đức Bảo đúc kết học hỏi thêm nhiều kiến thức quý báu Em xin trân trọng cảm ơn thầy TS Nguyễn Đức Bảo giúp đỡ em suốt trình làm đồ án Tài liệu tham khảo [1] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, “Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí tập 1, tập 2”, nhà xuất Giáo Dục, 2006 [2] Trương Hữu Chí, Võ Thị Ry, “Cơ điện tử, hệ thống chế tạo máy”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 [3] Nguyễn Văn Khang, “Bộ điều khiển logic khả lập trình PLC ứng dụng”, nhà xuất Bách Khoa, 2009 [4] Hướng dẫn tính tốn thiết kế hệ thống thay dao tự dạng đĩa động cho máy phay CNC_V30, Viện khí, ĐH Bách Khoa Hà Nội [5] Motor: http://dkmmotor.mov.mn/ [6] Tay kẹp: https://www.aliexpress.com/item/32953546869.html 90 ... gian thay dao hệ thống là: 3/ 7 (s) Trong đó: T = (s) thời gian thay dao nhanh hệ thống dao cần thay gần vị trí thay dao T = (s) thời gian thay dao lâu hệ thống dao cần thay xa vị trí thay dao. .. tính tốn, thiết kế hệ thống thay dao tự động 14 Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 201 637 02 Các liệu đầu vào Tính tốn Tang dao Tính tốn hệ dẫn động cho cấu thay dao Xác định... Kẹp dao 2: Động 3: Trục vít me Hình 26: Cụm trục 47 Đồ án mơn học: Thiết kế hệ thống điện tử | Lê Quang Thành 201 637 02 4.Mơ hình hệ thống điều khiển thay dao Bảng điều khiển Trục Động Điều khiển