Ta có thông số đầu vào: F= 900 (N), v= 0.1(m/s) Với: F là lực mà cơ cấu cần tịnh tiến
v là vận tốc cơ cấu tịnh tiến
a) Xác định công suất cần thiết của động cơ.
𝑃𝑐𝑡= 𝑃η𝑡 (3.10)
Trong đó: 𝑃𝑐𝑡 là công suất cần thiết của động cơ
𝑃𝑡 công suất tính toán trên trục máy động cơ η là hiệu suất
Trong đó: 𝑃𝑡= 𝑃𝑙𝑣= 1000𝐹.𝑣 = 900.0.11000 = 0.09 (Kw) (3.11) Với 𝑃𝑙𝑣 là công suất làm việc
Hiệu suất hệ dẫn động:
η = η𝑏𝑟 . ηđ𝑎𝑖 = 0.96.0.95 = 0,912 (3.12) Trong đó: η𝑏𝑟 là hiệu suất 1 cặp bánh răng
ηđ𝑎𝑖 là hiệu suất bộ truyền đai
𝑃𝑐𝑡= 𝑃η𝑡 = 0.9120.09 = 0.097 (KW) (3.13) b) Xác định tốc độ đồng bộ của động cơ.
Số vòng quay sơ bộ của động cơ xác định theo công thức:
𝑛𝑠𝑏= 𝑛𝑙𝑣. 𝑢𝑠𝑏 (3.14)
Trong đó: 𝑛𝑠𝑏 số vòng quay sơ bộ của động cơ
𝑛𝑙𝑣 số vòng quay của trục tang 𝑢𝑠𝑏 tỉ số truyền
Với: 𝑛𝑙𝑣 = 60000.𝑣
𝜋.𝐷 = 60000.0.1
𝜋.20 = 95,5 (vòng/phút) (3.15) Trong đó: D là đường kính tang quay
𝑢𝑠𝑏 = đườ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ 𝑝𝑢𝑙𝑦 𝑙ớ𝑛
đườ𝑛𝑔 𝑘í𝑛ℎ 𝑝𝑢𝑙𝑦 𝑛ℎỏ = 65,7
30,69 = 2.14 (3.16)
Từ công suất và số vòng quay của động cơ ta chọn được động cơ động cơ bước 3 pha 110BYG350D:
Hình 3-46: Động cơ cánh tay robot Bảng 3-2: Thông số động cơ bước
Kích thước mặt bích 110mm x 110 mm
Mô-men xoắn 20Nm
Góc bước 1.2 độ
Số phase 3 pha, 3 dây
Đường kính trục ra 19mm
Chiều dài thân 221 mm
Cường độ dòng danh định 6.8A
Nhiệt độ bề mặt 80 °C Max
Độ chính xác góc bước 5%
Nhiệt độ môi trường hoạt động -20°C~+50°C
Điện trở cách điện 100MΩ 500V DC
Điện thế cách điện 500V AC 1min
Ta chọn bánh đai lớn M5 42 răng với thông số như sau: B = 20 mm B là bề rộng răng
D = 65,7 mm D là đường kính đỉnh răng Ta chọn bánh đai nhỏ M5 20 răng với thông số sau:
B = 20 mm B là bề rộng răng
D = 30.69 mm D là đường kính đỉnh răng Xác định modun và chiều rộng đai
Chọn đai răng vì:
- Kích thước bộ truyền nhỏ
- Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai - Hiệu suất cao
Modun được xác định theo công thức:
m = 35 . √P1 n1 3 = 35 . √0.2 270 3 = 3 (3.18)
Trong đó: P1 Công suất bánh đai chủ động Kw
n1 Số vòng quay của bánh đai chủ động vg/phút Theo bảng 4.28-T69 Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1 Ta có chiều rộng đai răng: b = 20 (mm)
d) Xác định các thông số bộ truyền
Số răng z1 của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng 4.29 nhằm đảm bảo tuổi thọ đai. Số răng bánh đai lớn:
z2= u. z1= 2,1.20 = 42 răng (3.19) Trong đó: u là tỉ số truyền
Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện:
amin ≤ a ≤ amax (3.20) Với:amin = 0.5m(z1 + z2) + 2m = 102,3 mm amax = 2m(z1+ z2) = 384 mm (3.21) (3.22) Chọn a bằng 110 mm
Số răng đai zd: zd = 2a p + z1+z2 2 + (z2−z1)2.p 40a =2.110 5 + 20+42 2 + (42−20)2.5 40.110 = 75,55 (3.23)
Chọn zd = 71 răng theo bảng 4.30 Tính toán thiết hệ dẫn động cơ khí. Chọn được chiều dài đai theo bảng 4.30: ld = 668,8 mm
Tính lại khoảng cách a: a = ( λ + (√λ2−8∆2) 4 = ( 513,8 + (√513,8 2−8.332) 4 = 254,7 mm (3.24) Với: λ = ld - p(z1+z2) 2 = 668,8 - 5(20+42) 2 = 513,8 (3.25) ∆ = m(z2−z1) 2 = 3(42−20) 2 = 33 (3.26) Vậy khoảng cách a = 254,7 mm 3.4.3 Tính chọn Xi lanh – Piston
Thông số đầu vào:
Hành trình xilanh: L = 400 mm Thời gian dẫn động: T = 5s Tải trọng đáp ứng: 8 kg Ta có:
Áp suất khí nén của các máy nén khí thông dụng là:
P = 6 bar = 6.1183 (kg/𝑐𝑚2) (3.27) Đường kính xilanh:
D = √p.πF.4 = √ 8.4
6.1183.π = 3,98 cm = 39,8 mm (3.28) Chọn đường đường kính Xilanh D = 40 mm
Hành trình L = 400 mm
Hình 3-47: Xi lanh khí nén Bảng 3-3: Thông số xi lanh khí nén Kích thước nòng 40 mm Hành trình 400 mm Kiểu tác động Hai tác động, 1 trục Lưu chất Khí nén Gá lắp Gá mặt bích đầu
Áp suất phá hủy 1.5 Mpa
Áp suất hoạt động tối đa 1.0 Mpa (tiêu chuẩn 0.7 Mpa) Áp suất hoạt động tối thiểu 0.05 Mpa
Nhiệt độ lưu chất và môi trường
-10 ~ 700C (không đóng băng)
Tốc độ piston 50 ~ 500 mm/s
Tùy chọn vòng từ Không có vòng từ
3.4.4 Tính chọn bánh răng thanh răng
Với đặc tính của động cơ đã chọn ở mục 4.1 ta chọn vật liệu bánh răng như nhau. Theo bảng 6.1 tính toán thiết kế dẫn động cơ khí tập 1.
- Bánh nhỏ: thép 40X tôi cải thiện có: HB = 230 – 260 lấy HB = 250
σb1 = 850 (Mpa); σch1= 700 (Mpa) - Thanh răng: thép 40X tôi cải thiện có: HB = 230 – 260 lấy HB = 250
σb1 = 850 (Mpa); σch1= 700 (Mpa)
b) Xác định thông số bánh răng và thanh răng
Bảng 3-4: Thông số bánh răng
Thông số Ký hiệu, đơn
vị Công thức tính Giá trị
Modun bánh răng tiêu chuẩn M M 2
Vòng đỉnh răng D, mm m.(z + 2) 44
Vòng đáy răng da, mm m(z - 2,5) 35
Vòng chia d, mm m.z 40
Chiều cao đầu răng hf, mm 1,25m 2,5
Chiều cao chân răng ha, mm m 2
Chiều cao răng h, mm hf + ha 4,5
Số răng z, răng Z 20
Bảng 3-5: Thông số thanh răng
Thông số Ký hiệu, đơn vị Công thức tính Giá trị Modun bánh răng tiêu
chuẩn M M 2
Bước răng t, mm π.m 6,28
Chiều rộng răng T, mm 1,5709.m 3,14
Chiều cao đầu răng h1, mm M 2
Chiều cao chân răng h2, mm 1,25m 2,5
Chiều cao phần làm việc
của răng h3, mm 2m 4
Khe hở chân răng C, mm 0,25m 0,5
Chiều cao toàn bộ răng h, mm h1+ h2+ C 5
Nửa góc đỉnh răng ∝, ° ∝ 20
Số răng z, răng Z
3.4.5 Sơ đồ đấu nối cảm biến
Hình 3-48: Sơ đồ đấu nối chân cảm biến màu sắc
Hình 3-50: Sơ đồ đấu nối chân cảm biến quang phản xạ gương
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết quả mô phỏng hệ thống trên PLC Sim
Để quan sát và kiểm tra quá trình vận hành hệ thống, nhóm tiến hành mô phỏng lần lượt ở hai chế độ độc lập: Auto và Manual. Kết quả thu được hiển thị như sau:
Hình 4-1: Chạy mô phỏng hệ thống thông qua PLCSIM
a)Vận hành ở chế độ tự động (Auto)
Sau khi nhấn nút Start, hệ thống cấp phôi vào đầu băng tải ở trạm phân loại, đồng thời băng tải chuyển phôi. Băng tải Pallet được bật đưa Pallet trống vào vị trí đặt cảm biến quang phản xạ gương.
Hình 4-3: Phôi được cấp vào hệ thống
Hình 4-4: Tín hiệu 2 băng tải vận chuyển phôi đế trên HMI.
Phôi được băng chuyền đưa qua cảm biến màu sắc ở giữa băng tải. Từ đó, tín hiệu cảm biến truyền về bộ điều khiển PLC. Ngay lập tức, PLC gửi tín hiệu điều khiển cho cơ cấu tay gặt phôi.
Hình 4-5: Phôi đi qua cảm biến màu sắc
Cảm biến tiệm cận phía trước băng tải khi gặp phôi sẽ được bật. Băng tải vận chuyển phôi tới trạm lắp ráp.
Hình 4-6: Tín hiệu cảm biến
Phôi đế sau khi đi qua cảm biến (tín hiệu xung sườn âm), phôi nắp được cấp cho hệ thống lắp ráp.
Hình 4-7: Cấp nắp cho hệ thống lắp ráp
Sau khi phôi nắp đi qua cảm biến phía trước cơ cấu kẹp nắp (tín hiệu xung sườn âm) cơ cấu kẹp nắp được bật lên kẹp chặt nắp phôi.
Hình 4-8: Kẹp phôi nắp
Tương tự cơ cấu kẹp phôi đế, sau khi phôi nắp và đế được kẹp chặt thì cánh tay robot hoạt động, giác hút nắp đi xuống.
Hình 4-9: Kẹp phôi đế và robot đi xuống hút nắp
Hình 4-10: Tín hiệu các cảm biến của robot lắp ráp
Sau khi đầu giác hút xác định chính xác khu vực trung tâm trên diện tích bề mặt phôi nắp, cánh tay hút phôi đi lên và di chuyển sang băng chuyền phôi đế.
Hình 4-11: Lắp ráp phôi nắp và đế
Cánh tay robot đi xuống và nhả phôi nắp vào phôi đế. Cơ cấu kẹp phôi đế nhả và cánh tay về vị trí ban đầu. Tiếp theo, cữ chặn sản phẩm nâng lên.
Hình 4-12: Cữ chặn nâng lên sau quá trình lắp ráp
Sau khi phôi lắp ráp xong và được đưa đến cuối băng tải, cảm biến nhận biết phôi được kích hoạt (tín hiệu xung sườn dương) và băng tải lập tức dừng.
Hình 4-13: Robot di chuyển đến tọa độ lấy sản phẩm
Cánh tay robot di chuyển tới vị trí lấy sản phẩm đã được đặt trước đó và hút sản phẩm.
Hình 4-14: Giác hút hút sản phẩm
Sản phẩm được xếp vào các vị trí khác nhau trên Pallet. Vị trí xếp trên pallet được tính toán và hiển thị chính xác trên HMI nhằm giúp hệ thống kiểm soát được số lượng sản phẩm và tối ưu hóa hiệu suất dây chuyển.
Hình 4-15: Vị trí xếp sản phẩm 1
Hình 4-16: Vị trí xếp sản phẩm 2
Hình 4-18: Vị trí xếp sản phẩm 4
Khoảng 1s đến 3s sau khi Pallet đã được xếp đủ 4 sản phẩm, băng tải được bật để đưa Pallet trống vào vị trí chờ.
b)Vận hành ở chế độ thủ công (Manual):
Khi vận hành ở chế độ thủ công, nhóm thiết kế mô hình điều khiển đồng thời trên cả bảng tủ cảm ứng kèm nút bấm và trên màn hình HMI. Hệ thống khi vận hành thủ công vẫn được tích hợp nhiều chức năng thông qua các nút bấm để đảm bảo tính tùy biến và đa dạng cho cả dây chuyền sản xuất. Một số chức năng khi vận hành ở chế độ Manual được biểu diễn như sau:
Hình 4-20: Chuyển sang chế độ chạy bằng tay
Hình 4-22: Điều khiển cánh tay robot trạm lắp ráp
Hình 4-24: Điều khiển robot đến vị trí lấy sản phẩm
Hình 4-26: Nhập tọa độ robot
Hình 4-27: Nhập tọa độ tùy ý
4.2 Kết quả vận hành hệ thống trên PLC S7 – 1215C
Sau khi mô phỏng thành công, nhóm tiến hành quá trình nạp chương trình và kiểm nghiệm điều khiển hệ thống trên PLC thật. Dòng PLC nhóm ứng dụng là PLC S7-1215C DC/DC/DC.
Hình 4-28: Chạy mô phỏng hệ thống qua PLC thật
Hình 4-30: Nạp màn hình điều khiển lên HMI
Hình 4-32: Chuyển chế độ điều khiển tay trên tủ điện
Hình 4-33: Điều khiển trạm phân loại
Hình 4-35: Đặt tọa độ robot ở trạm xếp pallet
Hình 4-36: Thông báo xác nhận thoát màn hình HMI
4.3 Hạn chế
STT Hạn chế Nguyên nhân Giải pháp
1
Hệ thống cấp vào nguyên liệu thô và xử lý trực tiếp nguyên liệu thô trên chu trình sản xuất chưa được kiểm soát
Sự hạn chế của phần mềm thiết kế
Thường xuyên theo dõi và update phần mềm để có đầy đủ tính năng phục vụ cho thiết kế chu trình
2
Băng tải vận chuyển phôi đế đến trạm lắp ráp không hoạt động.
Cảm biến đầu băng tải không chạm vào phôi đế.
Chỉnh lại khoảng cách đọc giá trị của cảm biến.
3
Module phân loại phôi bị lỗi không hoạt động khi chạy trên PLC thật
Hệ thống cấp phôi không hoạt động
Sửa lại chương trình lập trình với tính logic của module và hệ thống kiểm tra lại kết nối điện và tín hiệu truyền của các thành phần cảm biến và các chi tiết 4 Sản phẩm xếp lên Pallet bị lệch ●Tọa độ lấy và xếp sản phẩm bị lệch
●Phôi đi quá giới hạn cảm biến
Thiết kế cơ cấu chặn và kẹp sản phẩm ở cuối băng tải
5
Hoạt động của hệ thống trên mô phỏng PLC sim so với PLC thực tế chưa được đồng bộ, còn có sự chênh lệch nhiều Do chương trình lập trình trên mô phỏng theo điều kiện lý tưởng của Factory IO
Cải thiện chương trình lập trình đơn giản, hiệu quả và đáp ứng đủ yêu cầu hệ thống, đồng thời tối ưu cho cả PLC Sim mô phỏng và PLC thực tế
6
Chữ viết khác kích thước khi nạp lên HMI thật
Xung đột giữa tỉ lệ thu phóng màn hình của máy tính với phần mềm
Điều chỉnh lại tỉ lệ thu phóng màn hình về 100%
7 Trạng thái cảm biến hiển thị chậm
Thời gian biến đổi trạng thái cảm biến ngắn(100ms)
Tăng thời gian hiển thị trạng thái lên 500ms
4.4 Hướng phát triển
Trên cơ sở của nghiên cứu mô hình các trạm MPS, nhóm nhận thấy để có thể ứng dụng hiệu quả hệ thống trong sản xuất công nghiệp thực tế hay trong một lĩnh vực nào đó thì cần phải tính toán và thiết kế hết sức kĩ lưỡng đến từng chi tiết nhỏ, kể cả phần điều khiển. Tùy theo từng chức năng của yêu cầu cụ thể mà có thể tính toán thiết kế sao cho phù hợp. Với mô hình hệ thống trong đề tài, nhóm đề xuất một số giải pháp nhằm nâng cao chất lượng vận hành và hiệu suất sản xuất của dây chuyển như sau:
● Thiết kế kết nối Web Server giám sát thông số. ● Thiết kế giao diện Web để quản lý hệ thống từ xa. ● Thiết kế thêm trạm gia công ở đầu hệ thống
● Thiết kế thêm hệ thống lưu kho tự động nhằm đảm bảo một chuỗi các chu trình hoạt động khép kín hoàn chỉnh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Trọng Doanh, Điều khiển PLC, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2013.
[2] Lê Ngọc Duy, Giáo trình Cảm biến và Hệ thống đo, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2019.
[3] Bùi Thanh Lâm, Hệ thống tự động thủy khí, Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, 2019.
[4] Nguyễn Trọng Thắng - Trần Thế San, Điện công nghiệp và Điều khiển động cơ, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2013.
[5] Trần Thế San- Châu Ngọc Thạch, Cơ điện tử - Tự thiết kế - Lắp ráp mạch điện thông minh chuyên về điều khiển tự động, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2011.
[6] PGS.TS Trần Đức Quý, Hướng Dẫn Thiết Kế Đồ Án Công Nghệ Chế Tạo Máy, Nhà xuất bảnkhoa học kỹ thuật, 2015.
[7] Trần Văn Hiếu, Thiết kế hệ thống HMI/SCADA với Tia Portal, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2019.
[8] Ngô Văn Thuyên và Phạm Quang Huy, Lập trình với PLC S7 1200 & S7 1500, Nhà xuất bản Thanh Niên, 2019.
[9] Nguyễn Thanh Hà, Giáo trình ứng dụng PLC vào thiết kế màn hình giám sát HMI, Nhà xuất bản Thống kê, 2020.
[10] Jon Stenerson and David Deeg, Programming Siemens Step 7 (TIA Portal), a Practical and Understandable Approach, Independently published, 2019.
[11] Trịnh Chất và Lê Văn Uyển, Tính toán và thiết kế hệ dẫn động cơ khí, Nhà xuất bản Giáo dục, 2006.
[12] Nguyễn Viết Ngư, Điều khiển hệ thống khí nén, Nhà xuất bản Xây dựng, 2019.
PHỤ LỤC 1: BẢNG ĐỊA CHỈ
Tín hiệu đầu vào PLC (I_INPUT)
STT Tên cảm biến Kiểu dữ liệu
Địa
chỉ Ghi chú
1 Green Moving
X Bool I0.0
Cảm biến báo tay gắp xanh lá đang di chuyển theo trục X
2 Green Moving Z Bool I0.1 Cảm biến báo tay gắp xanh lá đang di chuyển theo trục Z
3 Green Detected Bool I0.2 Cảm biến chạm bề mặt nắp xanh lá
4 Ss Green Lid Bool I0.3 Cảm biến báo cấp nắp xanh lá
5 Green Lid
Clamped Bool I0.4 Cảm biến báo đã kẹp nắp xanh lá
6 Green Limit Lid Bool I0.5 Cơ cấu kẹp nắp xanh lá đang ở dưới
7 Ss Green Base Bool I0.6 Cảm biến báo cấp đế xanh lá