3.5.1Phân tích
Hệ thống lưu kho này yêu cầu hoạt động một cách tựđộng, tu n tầ ự, liên tục, độ chính xác cao, đặc bi t phệ ải phù h p và có tính ợ ứng d ng cao trong công ụ
nghiệp vì v y c n ph i l a ch n b ậ ầ ả ự ọ ộ điều khi n thích hể ợp.
3.5.2Giải pháp
Sử dụng vi điều khiển
Ưu điểm
+ Tùy biến đượ ốt hơn, lập trình được các chương trình phứ ạc t c t p nên phù hợp dùng trong các mạch điều khi n công su t nh . ể ấ ỏ
+ Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính.
+ Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và kích thước hệ thống.
Nhược điểm
+ Tốn dây điện.
+ Khảnăng chống nhi u thễ ấp. + Độổn định thấp.
+ Phải khuyếch đại tín hiệu đầu ra vì dòng đầu ra rất nh . ỏ
+ Ngôn ng l p trình ph c tữ ậ ứ ạp, đòi hỏi chuyên môn người dùng.
Sử dụng PLC
Hình 3.15 Ví d v 1 lo i c a PLC ụ ề ạ ủ
Ưu điểm
+ Độổn định và tin cậy r t cao. ấ
+ Dễdàng thay đổi chương trình điều khiển.
+ Chống nhi u tễ ốt, phù hợp trong môi trường công nghiệp.
+ Tối ưu 80% dây điện, giảm thiểu sốlượng Rơle, Timer và không hạn chế
sốlượng ti p ế điểm.
+ Cấu trúc PLC dạng module, cho phép d dàng thay th , m rễ ế ở ộng đầu vào/ra, m r ng chở ộ ức năng khác.
+ Chức năng lập trình d ràng, ngôn ng d c và d ễ ữ ễ đọ ễhi u.ể
+ Dung lượng chương trình lớn, có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp.
Nhược điểm
+ Giá thành cao, một s hãng ph i mua thêm ph n m m l p trình.ố ả ầ ề ậ
Kết luận: T ừ các ưu nhược điểm đã phân tích ở trên, nhóm quyết định chọn
PLC đểđiều khiển hệ thống do PLC rất thích hợp cho việc điều khiển tuần tự,
độ chính xác cao, hoạt động liên t c, ụ ổn định, có tính ng dứ ụng cao trong công nghiệp và nhóm cũng đã được làm quen v i PLC, vi c l p trình PLC trong quá ớ ệ ậ
trình học ở trên trường. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.6Giải pháp ph n m m l p trình và mô phầ ề ậ ỏng
Phần m m TIA Portal: ề
Hình 3.16Giao diện phần mềm TIA Portal
TIA Portal (Total Intergrated Automation Portal) là tên m t ph n mộ ầ ềm
dùng để l p trình cho thi t b có tên là ậ ế ị bộđiều khi n logicể (Programmable Logic Controller) trong công nghi p. Không giệ ống như các phần m m lề ập trình trước,
TIA Portal tích h p h t các chợ ế ức năng từ ậ l p trình, giả ậ l p cpu hay thi t k cế ế ả
giao diện người - máy. Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế trọn bộ h ệthống điều khi n b ng PLCể ằ c a Siemens. ủ
Ngoài lập trình cơ bản TIA Portal còn hỗ trợ một số tính năng nổi bật như:
+ Hỗ trợ l p trình truyậ ền thông tr c ti p trên ph n m m: ự ế ầ ề giao di n HMI, ệ
+ Dễ dàng thi t lế ập c u hình k t n i gi a các thi t b trong m ng truyấ ế ố ữ ế ị ạ ền thông.
+ Hỗ trợ mô ph ng m t cách tr c quan các dòng PLC m i nh t c a Siemens ỏ ộ ự ớ ấ ủ
với PLCSIM.
Có thể nói TIA Portal là phần mềm được Siemens phát triển nhằm thay thế các phần mềm chuyên dụng khác cho các dòng PLC của hãng Siemens.
Phần m m WinCC ề
WinCC là m t trong nhộ ững chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada
trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệ và đã đượp c tích hợp trong gói phần mềm TIA Portal của Siemens.
WinCC (Windows Control Center) là ph n m m c a hãng Siemens dùng ầ ề ủ đểgiám sát, điều khi n và thu th p d ể ậ ữliệu trong quá trình s n xuả ất. Nói rõ hơn, WinCC là chương trình dùng để thiết kế các giao diện Người và Máy – HMI (Human Machine Interface) trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition).
Với chức năng chính là thu thập số liệu, giám sát và điều khiển quá trình sản xu t. Vấ ới WinCC, người dùng có thểtrao đổ ữi d liệu v i PLC c a nhiớ ủ ều
hãng khác nhau như: Siemens, Mitsubishi, Allen braddly, Omron,.. thông qua
cổng COM v i chu n RS232 c a PC và chu n RS485 c a PLC . ớ ẩ ủ ẩ ủ
Với WinCC, ta có th t n d ng nhi u giể ậ ụ ề ải pháp khác nhau cho để giải quyết công vi c, t thi t k cho hệ ừ ế ế ệ thống có quy mô nhỏđến quy mô l n, hớ ệ thống thực hi n sệ ản xu t ấ – MES (Manufacturing Excution System). WinCC có th ể
mô ph ng b ng hình nh các sỏ ằ ả ự kiện x y ra trong quá trình ả điều khiển dưới dạng chu i sổ ự kiện. Để đáp ứng yêu cầu công nghệ ngày càng phát triển, WinCC cung c p nhi u hàm chấ ề ức năng cho mục đích hiển th , thông báo, ghi ị
báo cáo, xửlý thông tin đo lường, các tham s công th c.. và là m t trong ố ứ ộ
những chương trình thiết k giao diế ện Người và Máy – HMI được tin dùng nhất hiện nay.
Phần m m Factory IO: ề
Phần mềm Factory IO c a Real game là 1 ph n mủ ầ ềm mô ph ng dùng trong ỏ
mô ph ng h ỏ ệthống PLC và training v kề ỹnăng lập trình PLC.
Hình 3.17Mô hình lưu kho trên phần mềm Factory IO
Ưu điểm:
+ Giao diện 3D, góc nhìn đa dạng (hỗ trợgóc nhìn 1st như các game hành động). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Kết nối đựơc nhiều lo i PLC th c khác nhau. ạ ự
+ Thiết k xây dế ựng nhà máy với hơn 30 loại linh ki n (cệ ảm biến, băng
chuyền, nút nhấn, pusher, elevator, robot arm..) và linh ki n càng phong ệ
phú thêm trong th i gian tờ ới.
+ Mô t 1 h ả ệthống nhà máy o v i các sensors và actuators (tín hi u analog ả ớ ệ
hoặc digital).
CHƯƠNG 4TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG LƯU KHO
4.1 Thiết k thành phế ần cơ khí
4.1.1Giá đỡ hàng hóa
Hình 4.1 Mô phỏng giá đỡ hàng hóa
Thông s ố kích thước
4.1.2Robot vận chuy n hàng hóa ể
Hình 4.3 Cánh tay Robot v n chuy n hàng hóa ậ ể
Thông s ố kích thước
4.1.3 Cơ cấu truyền động
Thông s ố kích thước
Hình 4.5 Thông s ố kích thước của Vitme
4.2Tính toán và l a ch n các thành ph n h ự ọ ầ ệthống
4.2.1Tính toán độ bền vitme
Thông s thi t k ố ế ế
+ Tốc độ quay trục chính: 250 v/ph. + Tải tr ng d c tr c: F = 60 N. ọ ọ ụ a
Tính toán tr c chuyụ ển động vitme-đai ốc [4]
Đường kính trung bình c a ren: ủ
𝑑2 ≥ √𝜋. 𝛹 𝐹𝑎
ℎ. 𝛹𝐻. [𝑞] (4.1)
Trong đó:
Fa: lực d c trọ ục
𝛹𝐻: hệ s chiố ều cao đai ốc
𝛹𝐻= 1,2..2,5 đố ới đai ối v c nguyên
𝛹ℎ: h s chiệ ố ều cao ren (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
𝛹ℎ= 0,5 v i ren vuông ớ
Vật liệu vít và đai ốc là thép –đồng thanh nên ch n [q] = 8 (Mpa), ọ 𝛹𝐻= 1,2 Thay vào công thức (4.1) ta có:
𝑑2≥ √𝜋.1,2.0,5.8 = 2 ( Lấy 𝑑60 2= 7 mm )
Kiểm nghiệm độ ề b n theo thuy t b n 4 ta có: ế ề
𝜎𝑡đ= √𝜎2+ 3𝜏2= √(4𝐹𝑎𝜋𝑑 12) 2 + 3 ( 𝑇 0,2𝑑13)2≤ [𝜎] (4.2) Trong đó:
T: momen xo n trên ti t di n nguy hi m c a v t ắ ế ệ ể ủ ậ
Fa: l c d c trự ọ ục
[𝜎]: ứng su t cho phép (kéo ho c nén) ấ ặ
[𝜎] =𝜎𝑐ℎ
3 với 𝜎𝑐ℎ là gi i h n ch y cớ ạ ả ủa vật liệu vít
𝑑1: đường kính trong c a ren vít (6 mm) ủ
Tiết di n nguy hi m là ti t di n nh n toàn b l c d c tr c F và momen là giá ệ ể ế ệ ậ ộ ự ọ ụ a trị lớn hơn trong hai giá trị T (momen ren) và T (momen g i tì) ta có: r g ố
𝑇𝑟= 𝐹𝑎. 𝑡𝑎𝑛. (𝛾 + 𝜑).𝑑22 (4.3)
Trong đó :
𝛾: góc vít
𝜑 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔f : góc ma sát
𝑑2: đường kính trung bình c a ren vít ủ
Các thông s c a ren: ố ủ
Chiều cao profin ren: h = 1 (mm)
Bước vít:
𝑃ℎ= 𝑧ℎ. 𝑝 = 2.2 = 4 (mm)
Trong đó: 𝑃ℎ:bước vít
Góc vít:
𝛾 = tan−1(𝑃ℎ/(𝜋 ∗ 𝑑2)) = tan−1(7𝜋) = 10,34 0 (4.4)
Với h s ma sát f = 0,1 (thép ệ ố – đồng thanh) ta tính được góc ma sát 𝜑 =
𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0.1) = 5,710thay vào công thức (4.3) ta có :
𝑇𝑟= 60. 𝑡𝑎𝑛( ,3 + 5, ) .10 71 2 = 68,9 (8 N.m)
Chọn mặt tì: D = 22 (mm), tr s momen g i tì: 0 ị ố ố
Tg =13 . f. Fa. 𝐷o (4.5)
Ta có h s ma sát f = 0,1 (thép ệ ố – đồng thanh) khi đó theo công thức (4.5) thì: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
𝑇𝑔 =3 . 0,1.60 221 . = (N.mm) < 𝑇44 𝑟 => L y lấ ực 𝑇 = 𝑇𝑟 = 68,9 (N.mm)
Thay s vào công th c (4.2) ta có: ố ứ
𝜎𝑡đ= √(𝜋. 64.602)2+ 3. (0,2.668,93)2= 3, ( MPa)48
Với thép 45 𝜎𝑐ℎ= 360 (MPa) => [𝜎 𝜎] = ch/3 = 120 (MPa)
Do 𝝈𝒕đ< [𝝈] nên điều kiện bền được đảm bảo.
Tính kiểm nghi m v ệ ề ổn định [4]
Momen quán tính c a ti t di n vít J: ủ ế ệ
J =𝜋. 𝑑4 (0,4 + 0,6.12 𝑑𝑑
1) (4.6)
Thay s vào công thố ức (4.6) ta được:
Bán kính quán tính c a ti t di n vitme: ủ ế ệ
i = √𝜋.𝑑𝐽12
4
(4.7)
Thay s vào công thố ức (4.7) ta được:
i = √33,9𝜋.62 4 = 1,1 Độ mềm c a vitme là: λ ủ 𝜆 =𝜇. li = 0,7.5001,1 = 318,2 (4.8) Trong đó :
𝜇: hệ số chiều dài tương đương, xác định như sau :
𝜇 = 1 khi c ả hai đầu vít được cốđịnh bằng bản lề.
𝜇 = 0,7 khi một đầu vít được c nh b ng b n lố đị ằ ả ề, đầu kia b ngàm ị (đai ố ựa được coi như ngàm). c t
𝜇 = 0,5 khi c ả hai đầu vít bị ngàm.
𝜇 = 2 khi một đầu vít b ngàm mị ột đầ ựu t do.
l: chi u dài c a vít (500 mm) ề ủ
Vì > 100 dùng công th𝜆 ức ơle đi tính tải trọng giới h n ta có: ạ
Fth = 𝜋2. 𝐸.( )𝜇. 𝑙𝐽 2 (4.9)
Thay s vào công thố ức (4.9) ta được :
Fth =𝜋2.2,1.10(0,7.500)5. 33,92 = 573,6 (N)
(với E = 2,1.10 MPa 5 môđun đàn hồi) Kiểm nghiệm độ ề b n cho vitme:
Trong đó :
So: h s an toàn v ệ ố ề ổn định
[𝑆o]= 2,5 … 4 : hệ ố s an toàn ổn định cho phép Thay s vào công thố ức (4.10) ta được: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
So = 573,6 60 = 9,6 [So] = [2,5 ; 4]> => Điều kiện ổn định được đảm b o ả
4.2.2Tính toán công suất động cơ
Tính toán chọn động cơ trục X
Theo thông s thi t k ta có: ố ế ế
+ Khối lượng trục X: m = 10 kg + Chiều dài tr c X: l =500 mm ụ
+ Bước vít: 𝑃𝐵= 4 mm
+ Đường kính vít me: 𝐷𝐵= 8 mm Tính momen xoắn cho động cơ bước: [6]
𝑇𝑀= (𝑇𝑎+ 𝑇𝐿). 𝑆𝑓 (4.11) Trong đó: 𝑇𝐿: momen t i ả 𝑇𝑎: momen tăng tốc 𝑆𝑓: h s an toàn ệ ố Công th c tính ứ 𝑇𝐿: 𝑇𝐿= (2.𝜋. 𝜂 +𝐹. 𝑃𝐵 𝜇0.𝐹2. 𝜋 ) .0.𝑃𝐵 1𝑖 (4.12) Trong đó: F: l c làm bàn máy di chuy n ự ể 𝐹0: độ dôi d tính (ự 𝐹0=1/3 F) 𝜇0: h s ma sát kh p n i ren (0,1-0,3 l y b ng 0,3) ệ ố ớ ố ấ ằ 𝜂: hi u suệ ất động cơ (0,85 - 0,95 lấy b ng 9,5) ằ 𝒾: t s truyỷ ố ền của h ệthống
Lực làm bàn máy d ch chuyị ển: 𝐹 = 𝐹𝐴+ 𝑚𝑔(sin 𝜃 + 𝜇. cos 𝜃) (4.13) Trong đó: 𝐹𝐴: ngo i l c ạ ự 𝜇: h s ma sát b mệ ố ề ặt (0,1) 𝜃: góc nghiêng c a trủ ục X ( ) 00 Hình 4.6 L c làm tr c X di chuy n ự ụ ể
Coi ngo i l c tác dạ ự ụng là không đáng kể, khối lượng tr c X là 10 (kg) và góc ụ
nghiêng tr c X bụ ằng 0 độ.
Thay s vào công th c (4.13) ta có: ố ứ
𝐹 = 0 + 0,1.10.10 10= (N)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme b ng kh p nằ ớ ối c ng nên h ứ ệ
số truy n t i b ng 1: ề ả ằ
Thay s vào công th c (4.12) ta có: ố ứ
𝑇𝐿= (10.4. 102. 𝜋. 0,95 +−3 0,3. .4.10 102.3.𝜋 −3) .11 = 7,34 10. −3(𝑁. 𝑚)
Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng chung cho các động cơ)
𝑇𝑎=𝐽0. 𝑖9,55 . (2+ 𝐽𝐿 𝑁𝑡𝑀
1) (4.14)
Trong đó:
𝐽0: momen quán tính roto (380.10−7)
𝐽𝐿: momen quán tính t ải
Hình 4.7 Đồthị ị d ch chuy n cể ủa cơ cấu
Tính momen quán tính t ải:
𝐽𝐿= 𝐽𝐵+ 𝐽𝑇 (4.15)
Momen quán tính c a tr c vitme: ủ ụ
𝐽𝐵=18 . 𝑚. 𝐷𝐵2=32 . 𝜌.𝐿𝜋 𝐵. 𝐷𝐵4 (4.16) Thay s ốvào công th c (4.16) ta có: ứ
𝐽𝐵=32 . 7,9. 10𝜋 3.0.5. 0,0084= 1,59 10. −6(𝐾𝑔.𝑚 )2
Hình 4.8 Momen quán tính tr c vít me ụ Trong đó: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
𝐷𝐵: đường kính tr c vít me ụ
𝐿𝐵: chi u dài vít me ề
𝜌: khối lượng riêng của thép Momen quán tính c a bàn máy: ủ
Thay s vào công thố ức (4.17) ta được: 𝐽𝑇= 10.(4.10−3) 2. 𝜋 2 = 2,55 10. −5(𝐾𝑔. 𝑚2) Trong đó:
m: khối lượng bàn máy
𝑃𝐵: bước c a vít me ủ
Suy ra momen quán tính t i theo công th c (4.15): ả ứ
𝐽𝐿= 1,59 10. −6+ 2,55 10. −5= 2,71 10. −5(Kg.𝑚 )2 Chọn tốc độ quay c a tr c vít me ủ ụ 𝑁𝑀= 250 (vòng/phút)
Momen tăng tốc theo công th c (4.14): ứ
𝑇𝑎=2,71 10. −59,55+380 10. −7.2502 = 0,85 10. −3(𝑁. 𝑚)
Chọn h s an toàn ệ ố 𝑆𝑓= 2 ta có momen xo n cắ ủa động cơ theo công thức (4.11):
𝑇𝑀= (0,85. 10−3+ 7,34 10. −3). 2 = 0,0164 (𝑁. 𝑚)
Tính toán chọn động cơ trục Y
Theo thông s thi t k ta có: ố ế ế
+ Khối lượng trục Y: m = 2 kg + Chiều dài tr c Y: l = 100 mm ụ
+ Bước vít: 𝑃𝐵= 4 mm
+ Đường kính vít me: 𝐷𝐵= 8 mm Tính momen xoắn cho động cơ: [6]
𝑇𝑀= (𝑇𝑎+ 𝑇𝐿).𝑆𝑓 (4.11)
Trong đó:
𝑇𝐿: Momen t i ả
𝑇𝑎: Momen tăng tốc
Công th c tính ứ 𝑇𝐿: 𝑇𝐿= (𝐹. 𝑃𝐵 2 𝜋 𝜂 +𝜇0. 𝐹2 𝜋 ) .0. 𝑃𝐵 1𝑖 (4.12) Trong đó: F: L c làm bàn máy di chuy n ự ể 𝐹0: Độ dôi d tính (ự 𝐹0=1/3 F) 𝜇0: H s ma sát kh p n i ren (0,1-0,3 l y b ng 0,3) ệ ố ớ ố ấ ằ 𝜂: Hi u suệ ất động cơ (0,85-0,95 lấy bằng 0,95) 𝒾: T s truyỷ ố ền c a hủ ệ thống. 𝑃𝐵: Bước c a vít me (4 mm) ủ Tính l c làm bàn máy d ch chuy n F: ự ị ể 𝐹 = 𝐹𝐴+ 𝑚𝑔(sin 𝜃 + 𝜇.cos 𝜃) (4.13) Trong đó: 𝐹𝐴: Ngo i l c ạ ự 𝜇: H s ma sát b mệ ố ề ặt(0,1) 𝜃: Góc nghiêng c a trủ ục Y ( ) 00
Coi ngo i l c tác dạ ự ụng là không đáng k , khể ối lượng tr c Y là 2 (kg) và góc ụ
nghiêng tr c Y bụ ằng 0 độ.
Thay s vào công th c (4.13) ta có: ố ứ
𝐹 = 0 + 0,1.2. = 2 (N)10
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme b ng kh p nằ ớ ối c ng nên h ứ ệ
số truy n t i b ng 1: ề ả ằ
Suy ra momen c a t i theo công th c (4.12): ủ ả ứ
Công thức tính momen tăng tốc 𝑇𝑎: (áp dụng chung cho các động cơ) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
𝑇𝑎=𝐽0. 𝑖2+ 𝐽𝐿 9 55 . (𝑁𝑡𝑀1)
(4.14)
Trong đó:
𝐽0: Momen quán tính roto (380.10−7)
𝐽𝐿: Momen quán tính t ải
𝑡1: Thời gian tăng tốc (2s)
𝑁𝑀: Tốc độ quay c a tr c vít me ủ ụ
Tính momen quán tính tải 𝐽𝐿:
𝐽𝐿= 𝐽𝐵+ 𝐽𝑇 (4.15)
Momen quán tính c a tr c vitme ủ ụ 𝐽𝐵:
𝐽𝐵=18 . 𝑚. 𝐷𝐵2=32 . 𝜌. 𝐿𝜋 𝐵.𝐷𝐵4 (4.16) Thay s vào công th c (4.16) ta có: ố ứ
𝐽𝐵=32 . 7,9. 10𝜋 3.0,1. 0,0084= 0,31 10. −6(𝐾𝑔. 𝑚 )2
Trong đó:
𝐷𝐵: Đường kính tr c vít me ụ
𝐿𝐵: Chi u dài vít me ề
𝜌: Khối lượng riêng của thép Momen quán tính c a bàn máy ủ 𝐽𝑇:
𝐽𝑇= 𝑚.𝑃2𝜋𝐵2 (4.17)
Thay s vào công thố ức (4.17) ta được:
𝐽𝑇= 2.(4.102. 𝜋−3)
2
Trong đó:
m: Khối lượng bàn máy
𝑃𝐵: Bước c a vít me ủ
Suy ra momen quán tính tải 𝐽𝐿 theo công th c (4.15): ứ
𝐽𝐿= 0,31 10. −6 +0,51 10. −5 =0,54.10−5 (Kg.𝑚2) Chọn tốc độ quay c a tr c vít me ủ ụ 𝑁𝑀= 250 (vòng/phút)
Momen tăng tốc 𝑇𝑎 theo công th c (4.14): ứ
𝑇𝑎=0,54 10. −59,55+380 10. −7.2502 = 0,5. 10−3(𝑁.𝑚)
Chọn h s an toàn ệ ố 𝑆𝑓= 2 ta có momen xo n cắ ủa động cơ theo công thức (4.11):
𝑇𝑀= (0,5.10−3+ 1,46 10. −3).2 = 3,92 10. −3 (𝑁. 𝑚)
Tính chọn động cơ trục Z (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo thông s thi t k ta có: ố ế ế
+ Khối lượng trục Z: m = 6 kg + Chiều dài tr c Z: l = 0 mm ụ 50 + Bước vít: 𝑃𝐵= 4 mm
+ Đường kính vít me: 𝐷𝐵= 8 mm Tính momen xoắn cho động cơ bước: [6]
𝑇𝑀= (𝑇𝑎+ 𝑇𝐿).𝑆𝑓 (4.11) Trong đó: 𝑇𝐿: momen t i ả 𝑇𝑎: momen tăng tốc 𝑆𝑓: h s an toàn ệ ố Công th c tính: ứ