Phân tích
39
Hệ thống lưu kho yêu cầu hoạt động một cách tự động, tuần tự, liên tục, độ chính xác cao, đặc biệt phải phù hợp và có tính ứng dụng cao trong công nghiệp vì vậy cần phải lựa chọn bộ điều khiển thích hợp.
Giải pháp Vi điều khiển
Hình 2.26 Vi điều khiển [28]
Ưu điểm
+ Tùy biến được tốt hơn , lập trình được các trình phức tạp nên phù hợp cho các mạch điều khiển công suất nhỏ.
+ 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. Nhược điểm
+ Tốn dây điện.
+ Khả năng chống nhiễu thấp. + Độ ổn định thấp.
+ Phải khuếch đại tín hiều đầu ra vì dòng đầu ra nhỏ.
+ Ngôn ngữ lập trình phức tạp đòi hỏi chuyên môn người dùng.
40
Bộ điều khiển PLC: S7-1200
Hình 2.27 Bộ điều khiển PLC [29]
Ưu điểm
+ Độ ổn định và tin cậy rất cao.
+ Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển.
+ Chống nhiễu tốt, phù hợp trong môi trường công nghiệp.
+ Tối ưu 80% dây điện, giảm thiểu số lượng Rơle, Timer và không hạn chế số lượng tiếp điểm.
+ Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng vào/ra, mở rộng chức năng khác.
+ Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ đọc dễ hiểu.
+ Dung lượng chương trình lớn, có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp. Nhược điểm
+ Giá thành cao, một số hãng phải mua phần mềm lập trình.
Kết luận: Từ các ưu nhược điểm đã phân tích ở trên , nhóm quyết định chọn PLC để điều khiển hệ thống do PLC rất thích hợp cho việc điều khiển tuần tự, độ chính xác cao, hoạt động liên tục, ổn định, có tính áp dụng cao trong công nghiệp.
41
→ Bộ điều khiển: PLC S7-1200.
- Cấu tạo:
+ Bộ nhớ chương trình RAM, ROM.
+ Một bộ vi xử lý trung tâm CPU, có vai trò xử lý các thuật toán.
+ Các modul vào/ra tín hiệu.
- Nguyên lý hoạt động:
+ Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn.
+ Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle).
+ Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms). Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi.
42
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1. Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1. Thiết kế kết cấu khung để hàng hóa
Hình 3.1 Khung giá để hàng hóa
Hình 3.2 Thông số kích thước giá để hàng
43
3.1.2. Thiết kế cơ cấu vận chuyển hàng
Hình 3.3 Cơ cấu vận chuyển hàng hóa
Hình 3.4 Thông số kích thước cơ cấu vận chuyển hàng hóa
44
Hình 3.5 Mô hình hệ thống
3.1.3. Tính toán thiết kế bộ truyền vitme [3]
Yêu cầu thiết kế
+ Tốc độ quay trục chính: 250 vòng/phút.
+ Trọng lượng trục Z = 10kg => Tải trọng dọc trục: Fa = 100 N. + 1 đầu được nối vào motor một đầu bị ngàm.
+ Vật liệu: Thép – đồng thanh.
Tính toán trục chuyển động của vitme
Đường kính trung bình của ren:
2
≥
Trong đó:
::
Hệ số chiều cao đai ốc = 0,5 với ren vuông. [ ]
Vật liệu vít và đai ốc là thép – đồng thanh nên chọn Thay vào công thức (3.1) ta có:
2 ≥
Kiểm nghiệm độ bền theo thuyết bền 4 ta có: =
√
2 + 3 2= (
Trong đó:
T : Momen xoắn trên tiết diện nguy hiểm của vật.
⌊ ⌋
⌊ ⌋
Tiết diện nguy
trị lớn hơn trong 2 giá trị
= tan( + )
Trong đó:
: Góc vít.
= arctgf : góc ma sát.
2: Đường kính trung bình của ren vít.
Các thông số của ren:
Chiều cao profin ren h=1 (mm). Bước vít :
ℎ= ℎ.
46
Trong đó:
ℎ : Bước vít.
ℎ : Số mối ren.
Góc vít: :Bước ren.
= −1
Với hệ số ma sát f=0,1 ( thép – đồng thanh) ta tính ra được góc ma sát =arctg(0.1)=
=100. Chọn mặt tì : 0
=
Ta có= hệ.0,1.100.22sốmasát f=0,1 (thép- đồng≤ thanh) khi đó theo công thức (3.5) thì:
=73,3 (N.mm)
Lấy lực T=
Thay số vào công thức (3.2) ta
=
√(4.1002)2 + 3(144,83)2=6,8 (MPa)
có:
6
Với thép 45
Do <⌊ ⌋nên điều kiện được đảm bảo.
Momen quán
= 4 (0,4 + 0,6 1)
12
Thay số vào công thức (3.6) ta được: 47
= 4
6
2
48
Bán kính quán tính của tiết diện vít me:
= 2
√ 41
Thay số vào (3.7) ta được:
= √ 33,94 Độ mềm của vitme là: = = 0,7.6001.1 Trong đó : hệ sốcả 2 đầu được vít cố định bằng bản lề. = 0.7
=1 khi khi một đầu được vít, đầu kia bị ngàm (đai ốc tựa được coi như
ngàm).
=0.5
l: chiều=2
Vì >100 dùng công thức owle đi tính tải trọng giới hạn ta có:
ℎ = 2. .
Thay số vào công thức (3.9) ta được :
ℎ 2 Kiểm nghiệm2,1.10 độ bền cho vitme: (Với E= = ℎ download by : skknchat@gmail.com
(3 .1 0)
50
[ : =2,5…..4: hệ số an toàn ổn định cho phép.
Thay số vào công]
[ =
>
Điều kiện ổn định được đảm bảo.
Hình 3.6 Vitme T8 đai ốc [15]
Thông số kĩ thuật
+ Đường kính vitme: 8mm. + Chiều dài: 600mm. + Bước ren: 4mm.
+ Chất liệu trục vitme: thép không rỉ. + Chất liệu đai ốc: đồng.
51
Trong đó
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống điện và điều khiển
Cảm biến Bộ điều khiển
Bộ chuyển đổi nguồn AC-DC
Công tắc hành trình Driver
Nguồn điện
Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống điện và điều khiển
3.2.1. Tính chọn động cơ [30]
Tính chọn động cơ trục X
Theo thông số thiết kế ta có:
- Khối lượng trục X: m = 2kg. - Chiều dài trục X: l = 100mm. - Bước vít: PB = 4mm.
- Đường kính vit me: DB = 8mm. - Thời gian tăng tốc: 2s.
Tính momen xoắn cho động cơ:
=(+).
Trong đó:
: momen tải.
52
: momen tăng tốc. : hệ số an toàn. = (2. .ƞ . + 0. 2. 0. ) . 1 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 0: độ dôi dự tính ( 0=1/3F).
0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). : bước của vít me (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: = + (sin + cos ) Trong đó: : ngoại lực. : hệ số ma sát bề mặt (0,1). : góc nghiêng của trục X (0 ). (3.12) (3.13) Hình 3.8 Lực làm trục X di chuyển Coi ngoại lực tác dụng là
không đáng kể, khối lượng trục X là 2 (kg) và góc nghiêng trục X bằng 0 độ.
53
Thay số vào công thức 3.13 ta có : F= 0 + 0,1.2.10=2 (N)
Do động cơ được nối với cơ cấu truyền động vitme bằng khớp nối cứng nên hệ số truyền tải bằng 1:
2.4 . 10−3
Suy ra momen của tải theo công thức (3.12) ta có:
=
2. . 0,95
(
Công thức tính momen tăng tốc : (áp dụng cho các động cơ)
= 0 9,55. + . ( 1
Trong đó:
0 : momen quán tính roto (380.10−7). : momen quán tính
tải.
: tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
= +
Momen quan tính của trục vitme:
Trong đó:
: đường kính trục vit me. : chiều dài vit me (0,1m). : khối lượng riêng của thép.
(3.14)
(3.15)
(3.16)
Thay số vào công thức 3.16 ta có:
= 32 . 7,9. 103. 0,1. 0,0084 = 1,31. 10−6(Kg. 2)
55
Momen quán tính của bàn máy :
= . 2 2
(4. 10− 3)2
Thay số vào công thức 3.17 ta được:
= 2.
Trong đó: 2
: khối lượng bàn máy.
: bước của vit me.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15:
= 0.31. 10−6 + 0,51. 10−5 = 0,54. 10−5( . 2)
Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
= 0,54. 10−5
Chọn hệ số an
= (1,1. 10−3
Tính chọn động cơ trục Y
Theo thông số thiết kế ta có:
+ Khối lượng trục Y: m=6kg.
+ ĐườngChiều dài trục Y: l=900mm.
+ Bước vít
+
+ Thời gian tăng tốc: 2s.
Tính momen xoắn cho động cơ:
= ( + ). (3.11)
57
Trong đó: : momen tải. : momen tăng tốc. : hệ số an toàn. = (2. .ƞ . + 0. 2. 0. ) . 1 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 0: độ dôi dự tính ( 0=1/3F).
0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). : bước của vít e (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: = + (sin + cos ) (3.12) (3.13) Trong đó: : ngoại lực. : hệ số ma sát bề mặt (0,1). : góc nghiêng của trục Y (0 ). Coi ngoại lực tác dụng là không đáng kể,
khối lượng trục Y là 6 (kg) và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ.
Thay số vào công thức 3.13 ta có: F= 0 + 6.10.0,1=6 (N)
58
Do ngoại lực tác dụng lên là không đáng kể, khối lượng trục Y là 6kg và góc nghiêng trục Y bằng 0 độ.
= (6.4. 10−3
Suy ra momen của tải theo công thức (3.12) ta có:
+ 2. . 0,95
Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng cho các động cơ)
= 0 9,55. + . ( 1
Trong đó:
0 : momen quán tính roto (380.10−7). : momen quán tính
tải.
: tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
= +
Momen quán tính của trục vit me:
Trong đó:
: đường kính trục vit me. : chiều dài vit me (0,9m). : khối lượng riêng của thép. Thay số vào công thức 3.16 ta có:
= 32 . 7,9. 103. 0,9. 0,0084 = 2,86. 10−6(Kg. 2) 59
(3.15)
(3.16)
Momen quán tính của trục Z:
60
= . 2 2
Thay số vào công thức 3.17 ta được:
= 6.
(4. 10−3)2
Trong đó: 2
: khối lượng bàn máy.
: bước của vitme.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15:
= 2,86. 10−6 + 1,53. 10−5 = 1,816. 10−5( .
2) Chọn tốc độ quay của trục vitme =250 (vòng/phút).
Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
= 1,816. 10−5
Chọn hệ số an
= (0,74. 10−3
Tính toán chọn động cơ trục
Z Theo thông số thiết kế ta có: + Khối lượng trục Z: m=10 kg. + Chiều dài trục Z: l=600 mm. + Bước vít: =4 mm.
+ Đường kính vit me: =8 mm. + Thời gian tăng tốc: 2s.
Tính momen xoắn cho động cơ bước:
=( + ).
Trong đó: (3.11)
61
: momen tải. : momen tăng tốc. : hệ số an toàn. = (2. .ƞ . + 0. 2. 0. ) . 1 Trong đó: F : lực làm bàn máy di chuyển. 0: độ dôi dự tính ( 0=1/3F).
0: hệ số ma sát khớp nối ren (0,1 -0,3 lấy bằng 0,3). Ƞ : hiệu suất động cơ (0,85 – 0,95 lấy bằng 0,95). : bước của vít e (4 mm). Lực làm bàn máy dịch chuyển: = + (sin + cos ) Trong đó: : ngoại lực.
Thay số vào công thức 3.13 ta có:90
F= 0 + 10.10.1=100 (N) Thay số vào công thức (3
=
(
Công thức tính momen tăng tốc: (áp dụng cho các động cơ) 62
(3.12)
= 0
9,55. 2+ . ( 1 ) Trong đó:
0 : momen quán tính roto
(380.10−7). : momen quán tính tải.
: tốc độ quay của trục vit me. Tính momen quán tính tải:
= +
Momen quan tính của trục vitme:
Trong đó:
: đường kính trục vit me. : chiều dài vit me (0,5m). : khối lượng riêng của thép. Thay số vào công thức 3.16 ta có:
= 32 . 7,9. 103. 0,6. 0,0084 = 1,91. 10−6(Kg. 2)
Momen quán tính bàn máy:
= . 2 2
Thay số(4vào.10công) thức 3.17 ta được:
= 6. 2−3 2 = 2,55. 10−5( . 2) 63 (3.14) (3.15) (3.16) (3.17)
: khối lượng bàn máy.
64
: bước của vitme.
Suy ra momen quán tính tải theo công thức 3.15: = 1,91. 10−6 + 2,55. 10−5 = 2,74. 10−5( . 2)
Momen tăng tốc theo công thức 3.14:
= 2,74. 10−5 Chọn hệ số an
= (0,86. 10−3 + 7,34. 10−2). 2 = 74,26( . )
Kết luận: Từ kết quả tính trên ta chọn động cơ bước 17PM-K142U. Có momen xoắn là 280mN.m, momen giữ là 11,8mN.m.
Thông số kĩ thuật
+ Điện áp làm việc: 12 – 24VDC. + Bước góc: 1.8º.
+ Kích thước: 42x42x41.5 mm. + Đường kính trục: 5 mm.
Phương pháp điều chế xung điều khiển động cơ bước
Để điều khiển động cơ bước động vitme đến một vị trí xác định ta cần cài đặt chế độ làm việc cho driver và tính toán số xung cấp cho động cơ bước với các thông số:
+ Vitme T8 bước 4mm. + Động cơ có góc bước 1.8º.
+ Driver cài đặt chế độ vi bước 1/16.
Ta có số xung cần cấpαcho=1 động.360 .cơ16để=di1 chuyển.360.16các= 800trục X, Y, Z 1mm:
65
4 1.8
66
Trong đó:
: Bước ren.
: Góc bước động cơ dẫn động.
16: Lựa chọn chế độ vi bước trên driver.
Ta có công thức tính số xung cấp cho động cơ bước theo từng vị trí:
α
Trong đó:
x: Số xung cần cấp.
α: Số xung để vitme dịch chuyển 1mm. s: Khoảng cách.
3.2.2. Bộ điều khiển trung tâm
- Lựa chọn: Bộ điều khiển PLC S7-1200.
Bảng 3.1 Thông số kĩ thuật PLC S7-1200 [29] Chức năng Kích thước vật lý Bộ nhớ người dùng: Bộ nhớ làm việc Bộ nhớ nạp Bộ nhớ giữ lại I/O tích hợp cục bộ: Kiểu số Kiểu tương tự Kích thước ảnh tiến trình Bộ nhớ bit (M)
Độ mở rộng các Module tín hiệu Bảng tín hiệu Module truyền thông Bộ đếm tốc độ cao Đơn pha
Vuông pha
Các ngõ ra xung
Thẻ nhớ
Thời gian lưu trữ đồng hồ thời gian thực PROFINET Tốc độ thực thi tính toán thực Tốc độ thực thi Boolean
Module truyền thông (CM)
68
Hình 3.9 PLC S7-1200 [29] (1) Nguồn cấp PS.
(2) Thẻ nhớ MMC.
(3) Kết nối với các module mở rộng. (4) Đèn Led hiển thị I/O trên board. (5) Kết nối Profinet.
=> Với yêu cầu điều khiển sử dụng nhiều ngõ vào ra số chúng ta sử dụng PLC S7-1200 CPU 1214C để có thể đáp ứng yêu cầu của đề tài.
Điều khiển động cơ bước bằng phương pháp băm xung:
PTO/PWM: Đây đều là những bộ tạo xung, nhưng khác nhau như sau:
- Chế độ PWM (Pulse Width Modulation):sẽ có tỷ lệ Ton Tchu kỳ biến thiên. Phương pháp này thường dùng để điều khiển động cơ một chiều, bộ gia nhiệt hay điều khiển biến tần.
- Chế độ PTO (Pulse train output): tạo ra chuỗi xung vuông với tỷ lệ Ton/Tchu kỳ là không đổi. Phương pháp này thường được dùng để phát xung điều khiển cho Driver của động cơ Servo hay động cơ Step. PTO bổ sung thêm nhiều tính năng hơn so với PWM như:
- Tốc độ max (mặc định là 100KHz). 69
- Tốc độ min (mặc định là 5kHz). + Thời gian tăng tốc (mặc định 1s). + Thời gian giảm tốc (mặc định 1s). Một số lệnh phát xung cơ bản:
- MC_Power: Cho phép và vô hiệu một trục điều khiển chuyển động. - MC_Home: Thành lập mối quan hệ giữa chương trình điều khiển trục và
hệ thống định vị cơ học trục.
- MC Move Relative: Khởi động một chuyển động định vị có liên quan đến vị trí khởi đầu.
- MC Move Absolute: Khởi động chuyển động đến một vị trí tuyệt đối. Chức năng kết thúc khi vị trí đích được đạt đến.
- MC Reset: Đặt lại tất cả các lỗi điều khiển chuyển động. Tất cả các lỗi điều khiển chuyển động có thể biết được đều đã được biết.
- MC_Halt: Hủy bỏ tất cả việc xử lý chuyển động và làm chuyển động theo trục dừng lại. Vị trí dừng không được định rõ.
Trong đó:
+ Enable: Cho phép chạy lệnh. + Axis: Chọn trục điều khiển. + Error: Báo lỗi.
+ Done: Báo chạy xong lệnh.
+ Execute: Bắt đầu lệnh với 1 bit tích cực. + Position: Giá trị vị trí cần điều khiển. + Mode: Chế độ điều khiển.
+ Velocity: Giá trị tốc độ. + Distance: Khoảng cách.
70