Yêu cầu bài toán: Tính toán công suất cần thiết trên trục động cơ Pdc.
Thông số đầu vào của bài toán:
- Tải trọng lon tối đa: Pmax=2N.
- Năng suất mong muốn: N= 4 (lon/phút).
- t1: Thời gian xilanh 1 đẩy lon ra (t1=1s).
- t2: Thời gian trung bình các van điện đóng mở hoạt động (t2=5s).
- t3: Thời gian trộn sơn (t3=4s).
- t4: Thời gian dập nắp (t4=1s).
- S1: Quãng đường từ vị trí đầu băng chuyền đến vị trí chiết rót (S1=138mm).
- S2: Quãng đường từ vị trí chiết rót đến vị trí trộn (S2=121mm).
- S3: Quãng đường từ vị trí trộn đến vị trí dập nắp (S3=175mm) .
Công suất động cơ chuyền động cho băng chuyền được tính theo công thức:
P
P dc tt
= (3.21) Trong đó:
- Pdc: Công suất cần thiết trên trục động cơ.
- Ptt: Công suất tính toán trên máy công tác.
- : Hiệu suất truyền động hệ thống.
Tính Ptt:
Trong quá trình vận chuyển, tải trọng băng chuyền không đổi:
P = Ptt lv (3.22) Plv: Công suất làm việc trên trục máy công tác.
Băng chuyền làm việc dựa theo nguyên lý chuyển động nhờ lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đai dẹt. Tính toán băng chuyền tại thời điểm lon có khối lượng lớn nhất và lực tác dụng là lớn nhất.
Hình 3.1 Phân tích lực trên băng chuyền
Trong đó:
- Pmax: Trọng lực có khối lượng lớn nhất
- T: Lực căng của băng tải
- S: Lực liên kết
- 𝜶: Góc võng của băng chuyền xét tại thời điểm chịu lực lớn nhất Áp dụng định luật II Newton ta có:
Ox: T = S.cos (1) Oy: Pmax= 2S.sin (2) Từ (1) và (2) => T = P 2tan max => F = F = T. = s .P 2tan max k m Trong đó:
- Fk : Lực kéo băng tải
- Fms: Lực ma sát mà băng tải và con lăn tạo ra
- : Hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải => P = F .v = .P .v (3) 2tan max tb lv k tb
Với:
- vtb: Vận tốc trung bình của băng chuyền
Tính vtb:
Thời gian lon đi hết một chu trình là:
1 S1 2 S2 3 S3 4 t = t + t t t vtb + + vtb + + vtb + (3.23) Thay số ta được: 138 121 175 t = 1 + 5 4 1 vtb + + vtb + + vtb + 11 + 434 vtb = (s) (3.24) Với hiệu suất mong muốn: N = 4 ( lon/phút)
=> t.N = 60 => (11 + 434
vtb ).4 = 60
=> vtb = 72 (mm/s)
Thay số vào công thức (3):
vtb = 72 (mm/s)
Pmax = mmax.g = 0,2 . 10 = 2 (N)
= 0,35
: Hệ số ma sát giữa con lăn và mặt tiếp xúc bằng cao su
Băng tải có kích thước bé, tải trọng thấp cho nên góc võng là không đáng kể
0,5 max = . => P = 2 . 0,35 . 0,072 2.tan0.5 lv ( W ) (3.25) Tính :
Động cơ truyền cho băng tải thông qua một bộ bánh đai và một cặp ổ lăn:
= d . e (3.26)
- d : Hiệu suất của bộ truyền đai để hở
- e : Hiệu suất của cặp ổ lăn được che kín
Tra bảng 2.3 sách “ Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động” tập 1, Trịnh Chất- Lê Văn Uyển.
Ta có: d = 0,95; e=0,99 => = 0,95 . 0,99 =0,9405
Thay số vào (3.21) =>Pdc= 4 (W)
Lựa chọn động cơ băng tải:
Từ công suất tính toán được ở trên, nhóm tác giả lựa chọn động cơ JB37
Hình 3.2 Động cơ JB37 Thông số kỹ thuật: - Tốc độ quay: 170 vòng/phút. - Điện áp vào: 12VDC. - Công suất định mức: 5W. - Dòng điện định mức: 0.4A. - Đường kính trục: 8mm. - Trọng lượng: 200g.
Hình 3.3 Motor giảm tốc 030
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp định mức: 5V.
- Tốc độ không tải: 370 vòng / phút.
- Dòng không tải ≤ 100mA.
- Đường kính trục: 3mm
- Trọng lượng: 20 g
3.1.2 Tính chọn xy lanh Tính toán xilanh đẩy lon: Tính toán xilanh đẩy lon: Yêu cầu bài toán:
- Tính đường kính pistong của xi lanh đẩy lon: dd
Thông số đầu vào bài toán:
- Áp suất khí nén: P = 4.105 (N/m2).
- Hệ số ma sát giữa đáy lon và modun cấp lon: ms = 0,3 (hệ số ma sát tính giữa hai vật liệu khô là từ 0,3 – 0,7).
- Phản lực lớn nhất giữa đáy lon và modun cấp lon: Nmax=1N.
Hình 3.4 Phân tích lực trên lon
Theo Ox:
Fd = Fms (3.27)
=> Để xilanh có thể đẩy được lon với khối lượng m: x s F F ma d m (3.28) Trong đó:
- Fd: Lực cần thiết để đẩy piston
-
x s F
ma
m : Lực ma sát lớn nhất giữa mặt đáy và modun cấp lon Ta có: F s x = s . N x ma m m ma (3.29) x s => F = 1 . 0,3 = 0,3 (N) ma m Vậy x s F F <=> F 0,3 (N) ma d m 2 . P.S 0,3 (N) P. 0,3 4 d (N) 0,3 . 4 d P. d => d 9,8 ( mm) Chọn d = 16 mm
Hành trình đẩy của xilanh h = 75 (mm)
Dựa vào số liệu tính toán, ta lựa chọn được xy lanh cho hệ thống: 3 xy lanh MAL16x75-S-CM(xy lanh cấp lon, xy lanh gá động cơ trộn, xy lanh cấp nắp).
Hình 3.5 Xylanh khí nén MAL16x75-CA
- Đường kính trong: 16 mm.
- Hành trình: 75 mm.
- Size ren trục piston: M6x1.
Tính toán xi lanh đóng nắp: Yêu cầu bài toán:
- Tính đường kính pistong của xi lanh đóng nắp: dn.
Thông số đầu vào bài toán:
- Phản lực xuất hiện khi trục pistong tiếp xúc với nắp: Nn=300 N (Với kích thước lon 65x70 mm). - Áp suất khí nén, chọn P = 4.105 (N/m2). Hình 3.6 Xylanh đóng nắp Áp dụng định luật II Newton: Theo Oy: F = Nn n (3.30) Điều kiện để xilanh dập được nắp:
F n Nn (3.31)
Trong đó :
- Fn: Là lực cần thiết để đẩy pistong => 2 F 300 P.S 300 P. 300 4 n d .
=>d 300 . 4 P.
n
=> d 24 n mm
Chọn d = 25 n mm, hành trình h = 75 (mm)
Dựa vào số liệu tính toán, nhóm lựa chọn xy lanh MAL 25x75:
Hình 3.7 Xy lanh khí nén MAL 25x75
Thông số kỹ thuật:
- Đường kính piston: 25 mm
- Hành trình: 75 mm
- Size ren trục piston: M10x1.25
3.1.3 Tính toán bộ truyền đai răng Yêu cầu bài toán: Yêu cầu bài toán:
- Tính số răng của bánh răng chủ động: z1.
- Tính số răng của bánh răng bị động: z2.
- Tính bề rộng đai: b.
- Tính khoảng cách trục giữa bánh răng chủ động và bánh răng bị động: a.
- Tính số răng đai: zd
Thông số đầu vào bài toán:
- Bán kính con lăn: R=15 mm.
- Tỷ số truyền của bộ truyền đai răng: k=2,5.
- Vận tốc trung bình của băng tải: vtb = 72 mm/s
- Công suất trên bánh đai chủ động (bằng công suất động cơ): P=4 W.
Tốc độ góc của động cơ: .k 72.2,5 = = 12 R 15 tb v = (rad/s) (3.32) Tốc độ quay của động cơ:
.60 n = = 115 2 (vòng / phút) (3.33) Modun m của bộ truyền đai răng được xác định theo công thức:
1 3 1 P m = 35 n (3.34) Thay số ta được: 1 3 3 1 P 0,004 m = 35 = 35 = 1,14 n 115 (3.35) Ta có bảng tra thông số các thông số theo modun m:
Bảng 3.1 Bảng thông số bộ truyền đai theo modul m
Theo bảng trên chọn m=1, k = 2,5 < 7,7 ( thỏa mãn yêu cầu của bảng). Chiều rộng đai được tính theo công thức:
b = d . m = 8 ( )mm (3.36) Với m = 1, chọn z1 = 16
Khoảng cách trục a được chọn theo điều kiện:
amin ≤ a ≤ amax (3.37) Với : amin = 0,5m.( z1 + z2 ) + 2m ; amax = 2m.( z1 + z2).
Thay số ta được: 30 ≤ a ≤ 112 Vậy chọn a = 80 mm
Ta có công thức tính số răng đai
2 1 2 1 2 2a z z (z z ) z + + . p p 2 40a d + − = (3.38)
- p là bước đai ( Tra bảng 3.1 chọn p = 3,14) => zd = 80 (bước)
Từ những kết quả trên, nhóm chọn puli GT2 loại 16 răng làm puli chủ động , puli GT2 loại 40 răng làm puli bị động.
3.1.4 Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.4.1 Thiết kế module vận chuyển lon
Hình 3.9 Module vận chuyển lon
Với hệ thống vận chuyển loại lon 200 ml với kích thước 65x70 nhóm lựa chọn module vận chuyển lon là băng chuyền với kích thước chiều dài 700mm, chiều rộng 80mm, với khung băng chuyền được làm bằng nhôm định hình được gia công chắc chắn.
Cấu tạo module vận chuyển lon:
- Động cơ điện 1 chiều JB37.
- Ổ bi.
- Con lăn.
- Bộ truyền động đai.
- Dây đai băng chuyền.
3.1.4.2 Thiết kế module cấp lon
Với hệ thống kích thước nhỏ, nhóm tác giả lựa chọn module cấp lon dạng trụ với sức chứa lon tối đa là 4 lon, trụ cấp lon được chế tạo bằng ống nhựa PVC với độ bền cao.
Hình 3.10 Module cấp lon dạng trụ
Cấu tạo module cấp lon:
- Trụ chứa lon.
- Xi lanh đẩy lon.
- Cảm biến hồng ngoại phát hiện lon.
3.1.4.3 Thiết kế module chiết rót và trộn sơn
Sau khi lon được cấp từ trụ chứa lon, lon được di chuyển đến module chiết rót và trộn sơn.
Hình 3.11 Module chiết rót và trộn sơn
Cấu tạo module chiết rót và trộn sơn:
- Cảm biến lưu lượng
- Van điện từ đóng mở.
- Cảm biến hồng ngoại.
- Xi lanh đưa động cơ trộn xuống vị trí trộn.
- Khung đỡ.
- Động cơ trộn sơn.
3.1.4.4 Thiết kế module cấp nắp
Hình 3.12 Module cấp nắp
Sau khi chiết rót đủ lượng sơn và trộn, động cơ băng tải tiếp tục hoạt động và băng tải đưa lon đến vị trí cấp nắp, tại đây nhóm sử dụng module cấp nắp dạng máng trượt để thực hiện quá trình cấp nắp, nắp được phát hiện bởi một cảm biến hồng ngoại, quá trình đẩy nắp được thực hiện bởi một xi lanh MAL 16x75.
Cấu tạo module cấp nắp:
- Máng trượt.
- Cảm biến phát hiện có nắp.
- Xi lanh đẩy nắp.
3.1.4.5 Thiết kế module đóng nắp
Sau khi nắp được cấp, hệ thống thực hiện nhiệm vụ cuối cùng là đóng nắp sản phẩm, nhóm sử dụng module đóng nắp dạng ép với xi lanh khí nén lực ép lớn.
Hình 3.13 Module đóng nắp
Cấu tạo module đóng nắp:
- Xi lanh đóng nắp.
- Cảm biến hồng ngoại phát hiện lon đến vị trí đóng nắp.
3.1.4.6 Hệ thống cơ khí tổng thể
3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển Sơ đồ khối hệ thống điều khiển: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển:
Hình 3.15 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Chức năng của các khối:
- Khối nguồn đóng vai trò cấp nguồn điện cho các khối đầu vào, khối xử lý trung tâm, khối điều khiển và khối đầu ra
- Khối đầu vào gồm các loại cảm biến làm nhiệm vụ phát hiện các tín hiệu từ bên ngoài và đưa tín hiệu trả về đến khối xử lý trung tâm.
- Khối xử lý trung tâm làm nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ khối đầu vào và đưa tín hiệu điều khiển cho khối điều khiển.
- Khối điều khiển bao gồm các van điện khí nén 5/2 làm nhiệm vụ nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm và điều khiển khối đầu ra.
- Khối đầu ra nhận tín hiệu từ khối điều khiển và thực hiện điều khiển các cơ cấu chấp hành.
3.2.1 Khối đầu vào
3.2.1.1 Cảm biến hồng ngoại
Nhóm lựa chọn cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở. Cảm biến có dải điện áp rộng, rất thích hợp với PLC.
Hình 3.16 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN 6-36V – YUJW
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp: 6-36VDC.
- Phát hiện: Vật cản.
- Khoảng cách phát hiện: 10-30 cm.
- Đường kính: 18 mm.
3.2.1.2 Cảm biến lưu lượng
Với hệ thống pha chế sơn, nhóm sử dụng loại cảm biến lưu lượng dạng Tuabine YF-S401, với giá thành rẻ, dễ dàng vận hành và đạt độ chính xác cao.
Thông số kĩ thuật: - Điện áp làm việc: 3.5V - 24V. - Dòng điện max: 15 mA (DC 5V). - Khối lượng: 43g. - Nhiệt độ hoạt động: -25°C~+80°C. - Độ ẩm bên ngoài: 25%~90%RH. 3.2.1.3 Cảm biến từ xi lanh
Cảm biến từ xi lanh AirTac CS1-J là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp với giá thành rẻ và độ ổn định cao, loại cảm biến này thường được gắn tại các vị trí đầu và cuối hành trình của xi lanh.
Hình 3.18 Cảm biến từ xy lanh CS1-J
Thông số kĩ thuật:
- Model: CS1-J.
- Điện áp hoạt động: 5-240V DC/AC.
- Dòng chuyển đổi tối đa: 100mA.
- Công suất tối đa: 10W.
- Đèn báo: Led đỏ.
- Tần số chuyển đổi tối đa: 200Hz.
3.2.1.4 Nút nhấn
Nhóm sử dụng nút nhấn nhả CLM LA39:
Hình 3.19 Nút nhấn nhả CLM LA39
3.2.2 Khối xử lý trung tâm
Nhóm sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 -CPU 1214C DC/DC/DC với tốc độ xử lý nhanh, tính ổn định cao, số lượng đầu vào và đầu ra lớn.
Hình 3.20 Bộ điều khiển Siemens CPU S7-1200
Thông số kỹ thuật:
- Có sẵn: CPU 1214 DC/DC/DC.
- Bộ nhớ: 150 KB work memory và 4 MB Load memory.
- 6 bộ đếm xung tốc độ cao với tối đa 1MHz. - Tích hợp 2 cổng Ethernet.
- Tích hợp I/O: 14 DI, 10 DQ, 2 AI và 2 AQ.
- Khả năng mở rộng: 1 signal board (SB) 8 signal modules (SM) 3 communication modules (CM)
3.2.3 Khối điều khiển 3.2.3.1 Van điện từ 5/2 3.2.3.1 Van điện từ 5/2
Nhóm lựa chọn loại van AIRTAC 5/2 4V210-08:
Hình 3.21 Van điện từ khí nén AIRTAC 5/2 4V210-08
Thông số kĩ thuật:
- Kích thước cổng: 1/4''.(ren 13).
- Kích thước cổng xả: 1/8" (ren 9.6).
- Điện áp sử dụng: 24VDC.
- Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8 MPa.
- Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí. (1 đầu coil điện).
3.2.3.2 Van tiết lưu
- Nhóm sử dụng van tiết lưu khí nén có tiết diện điều chỉnh:
3.2.3.3 Van điện từ đóng mở
Dựa vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động của van, nhóm lựa chọn loại van VPS với kích thước nhỏ và giá thành phù hợp.
Hình 3.23 Van điện từ đóng mở VPS
Thông số kỹ thuật:
- Kích thước cổng: 1/4" (ren 13mm)
- Áp suất hoạt động: 0 ~ 0.8 MPa
- Điện áp: 24VDC.
3.2.3.4 Relay trung gian
Hình 3.24 Relay MY2N-GS-DC12
Thông số kĩ thuật:
- Điện áp định mức: 24VDC
- Dòng điện định mức: 72.7/75 mA
- Điện áp tiếp xúc cực đại: 250 VAC, 220 VDC
- Dòng điện tiếp xúc cực đại: 5 A.
- Loại tiếp điểm: 2 tiếp điểm DPDT (DPDT-NO, NC), 2 cực
- Có tích hợp đèn LED và chỉ thị cơ học báo tiếp xúc đóng ngắt
3.2.4 Khối đầu ra
Khối đầu ra bao gồm các cơ cấu chấp hành điện và khí nén:
- Động cơ băng chuyền JB-37.
- Xi lanh cấp lon MAL16X575-S-CM.
- Xi lanh cấp nắp MAL16X75-S-CM.
- Xi lanh đưa động cơ trộn xuống vị trí trộn MAL16X75-S-CM.
- Xi lanh đóng nắp MAL 25X75-S-CM.
- Động cơ trộn sơn.
3.2.5 Khối nguồn Nguồn 24V-2A: Nguồn 24V-2A: