Máy bơm khí nén là một trong những thiết bị có chứa hệ thống cơ học (bao gồm các máy móc) với chức năng làm tăng áp suất của khí. Việc này nhằm mục đích giúp cho năng lượng của dòng khí tăng lên và đồng thời thực hiện nén không khí lại làm cho nó tăng nhiệt độ và áp suất. Dùng nó để cung cấp khí nén cho hệ thống xy lanh.
Hình 2.26: Máy nén khí không dầu Romano ROMA-750/12
• Thông số máy bơm khí nén +) Điện áp: 220V +) Dung tích bình chứa: 12 lít +) Áp suất làm việc: 6 kg/cm3 +) Lưu lượng khí: 50 lít/phút +) Trọng lượng: 15 Kg 2.5.12. Bộ chia khí Hình 2.27 Bộ chia khí PK4
33
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG
3.1. Tính toán hệ thống
3.1.1. Tính toán hệ thống băng tải
Băng tải có nhiệm vụ dẫn chai đến dừng tại các vị trí định sẵn và đưa chai về vị trí cuối băng tải.
- Chọn tốc độ v = 0,05 (m/s).
- Đường kính rulo D = 25 (mm), đường kính trục 10 (mm).
- Khối lượng băng tải: 𝑚𝑟𝑢𝑙𝑜=2 (kg) (bao gồm khối lượng của rulo, băng tải và chai nước).
- Khối lượng chai: 0,5 (kg).
• Băng tải
Chọn dây belt băng tải có chất liệu vải, chiều dày 2 (mm), rộng 100 (mm), chiều dài 685 (mm)
• Ru lô băng tải
Ru lô được tính toán để lựa chọn theo tiêu chuẩn, ở đây, nhóm lựa chọn loại ổ lăn có đường kính trục nhỏ là 10 (mm), đường kính ngoài là 25 (mm).
Hình 3.1 Băng tải hệ thống
• Tính chọn động cơ băng tải
𝑃𝑑𝑐: Công suất định mức động cơ.
𝑃𝑐𝑡 : Công suất đẳng trị động cơ P cần thiết P: Công suất làm việc trên trục công tác.
34 𝐹 ≥ 𝐹𝑚𝑠𝑛 ≥ 𝐹𝑚𝑠 với: 𝐹𝑚𝑠 = 𝐹𝑚𝑠𝑡 + 𝐹𝑚𝑠𝑙 𝐹𝑚𝑠 = 𝑚𝑝ℎô𝑖. 𝑔. 𝜇 + 𝑚𝑟𝑢𝑙𝑜. 𝑔. 𝑘 (3.2) Trong đó: + k = 1: hệ số ma sát lăn. + µ = 1: hệ số ma sát trượt. + 𝐹𝑚𝑠: lực ma sát. + 𝐹𝑚𝑠𝑡: lực ma sát trượt. + 𝐹𝑚𝑠𝑙: lực ma sát lăn. + g = 9,8 (m/𝑠2): gia tốc trọng trường. Thay vào công thức (3.2) ta được:
𝐹𝑚𝑠 = 25 (𝑁) (3.3) Mặt khác: 𝑃𝑐𝑡 =1000𝐹.𝑣 (3.4) Trong đó: + F = 𝐹𝑚𝑠 =25 (N) + v = 0,05 (m/s)
Thay vào công thức (3.4) ta được: 𝑃𝑐𝑡 = 2,9 (W) Ta có: 𝑃𝑡 =𝑃𝑐𝑡
𝑁 (3.5) Vì trong quá trình vận chuyển phôi, tải trọng của băng tải không đổi
⇒ 𝑃𝑡 = 𝑃𝑙𝑣
Trong đó: 𝑃𝑙𝑣 là công suất làm việc trên trục máy công tác
Băng tải làm việc theo nguyên lý truyền chuyển động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đai dẹt. Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển phôi có khối lượng lớn nhất, có sơ đồ tác động như sau:
35
Hình 3.2 Lực tác dụng lên băng tải
N: Hiệu suất của hệ truyền động.
Trong đó: 𝑁 = η𝑏𝑡.η𝑜𝑙5 . η𝑘𝑛 (3.6)
Bảng 3.1 Bảng hiệu suất các loại bộ truyền đai
Tên gọi
Hiệu suất 𝜂
Được che kín Để hở
Bộ truyền bánh răng trụ 0,96 ÷ 0,98 0,93 ÷ 0,95 Bộ truyền bánh răng côn 0,95 ÷ 0,97 0,92 ÷ 0,94
Bộ truyền trục vít Z1 = 1 Z2 = 2 Z3 = 4 0,7 ÷ 0,75 0,75 ÷ 0,82 0,87 ÷ 0,92 Bộ truyền xích 0,95 ÷ 0,97 0,90 ÷ 0,93 Bộ truyền bánh ma sát 0,90 ÷ 0,96 0,7 ÷ 0,88 Bộ truyền đai 0,95 ÷ 0,96 Một cặp ổ lăn 0,99 ÷ 0,995 Một cặp ổ trượt 0,98 ÷ 0,99 Tra bảng 3.1 ta chọn:
η𝑏𝑡 = 0,75: Hiệu suất băng tải. η𝑜𝑙 = 0,995: Hiệu suất ổ lăn. η𝑘𝑛 = 0,999: Hiệu suất khớp nối.
36
Thay vào công thức (3.6) ta được: N = 0,73 (3.7) Với N = 0,73 và 𝑃𝑐𝑡 = 1,3 (W) thay vào công thức (3.5) ta được:
𝑃𝑡 = 4 (W)
• Xác định số vòng quay của rulô và trục thứ cấp hộp giảm tốc:
Do động cơ và rulo của băng tải được kết nối với nhau bằng khớp nối cứng nên ta có:
𝑛𝑑𝑐 = 𝑛𝑟𝑙 = 60.𝑣
𝜋.𝐷 (3.8) Trong đó
+ 𝑛𝑑𝑐: số vòng quay của động cơ. + 𝑛𝑟𝑙: số vòng quay của rulo.
Với v = 0,05 (m/s) và D = 0.025 (m) thay vào công thức (3.8) ta được: 𝑛𝑑𝑐 = 𝑛𝑟𝑙 = 39 (vòng/phút)
• Xác định momen:
𝑀𝑟𝑙 = 𝑀𝑑𝑐 =𝐹.𝐷
2 (3.9) Trong đó:
+𝑀𝑟𝑙: Momen của rulo. +𝑀𝑑𝑐: Momen của động cơ.
Thay F = 25 (N) và D = 0,025 (m) và công thức (3.9) ta được: 𝑀𝑟𝑙 = 𝑀𝑑𝑐 = 5 (kg. cm)
• Chọn động cơ: P = 4 (W)
𝑛𝑑𝑐= 39 (vòng/phút) 𝑀𝑑𝑐 = 5 (kg. cm)
Nhóm đã chủ động tính toán và chọn các động cơ có sẵn hộp giảm tốc được bán ngoài thị trường.
37
Hình 3.3 Động cơ giảm tốc 25GA 370 Bảng 3.2 Bảng thông số động cơ
THÔNG SỐ KỸ THUẬT ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU 25GA 370
Điện áp cung cấp 24 VDC
Dòng không tải 75mA
Tốc độ 60RPM
Momen xoắn 6,2 Kg.cm
Đường kính động cơ 25mm
Chiều dài động cơ 65mm
3.1.2. Tính chọn xylanh.
Áp suất cấp từ máy nén khí: 𝑃 = 6𝑏𝑎𝑟 = 6. 105𝑃𝑎 = 6𝑘𝑔/𝑐𝑚2 (3.10) Tải trọng của động cơ xoáy nắp là: m = 200g => 𝑃1 = 2𝑁
Lực tác dụng lên nắp chai: F = 3N
Do cơ cấu đứng yên nên ta có hệ số làm việc: 𝜂 = 0,5
Lực tác dụng lên xy lanh theo chiều từ trên xuống là:
𝐹1 = 𝑃1 = 2(𝑁) (3.11) Lực tác dụng lên xy lanh theo chiều từ dưới lên là:
𝐹2 = 𝑁 − 𝑃1 = 3 − 2 = 1(𝑁)
38
Ta có: 𝐹1 = 𝜂. 𝐴. 𝑃 (3.12)
Trong đó:
+) 𝜂 là hệ số theo điều kiện làm việc
+) P là áp suất khí nén được đưa vào xy lanh với đơn vị 𝑘𝑔/𝑐𝑚2
+) A là diện tích của piston trong xy lanh với đơn vị 𝑐𝑚2 𝐴 = 𝐹1
𝜂.𝑃 = 2
0,5.6 = 0.667(𝑐𝑚2) (3.13)
𝑟 = √3,14𝐴 = √0,6673,14 = 0,46(𝑐𝑚) (3.14)
𝑑 = 2. 𝑟 = 2.0,46 = 0,92(𝑐𝑚) (3.15) Từ các thông số tính toán và tham khảo nhóm đã chọn được xylanh trượt
MXQ8.
+) Hành trình xy lanh: 50 mm +) Đường kính xy lanh: 20 mm
Hình 3.4 Xylanh khí nén dạng trượt
Để kẹp giữ chặt được chai ta chọn được xy lanh TN10X10. +) Hành trình xy lanh: 20 mm
39
Hình 3.5 Xy lanh kẹp TN10X10
3.1.3. Tính chọn động cơ xoáy nắp.
Thông số nắp chai:
- Số vòng ren trên nắp chai z = 3. - Bán kính vòng ren r = 15mm. - Khối lượng nắp chai m = 20g.
Thông số chai:
- Khối lượng chai 𝑚𝑐 = 15𝑔.
- Khối lượng nước 𝑚𝑛𝑐 = 300𝑔.
- Chiều cao chai h = 130mm
Xác định giới hạn lực vòng ren vặn cho tới khi chai xoay tại chỗ: - Lực momen vòng cuối của ren:
𝑀 = 𝐹𝑚𝑠. 𝑟 = 0,2.0,347.10.15. 10−2 = 10,41. 10−2(𝑁
𝑚) (3.16) Xác định công suất động cơ:
- Thời gian yêu cầu vặn t = 5s - Vận tốc vặn 𝜔 = 3.2𝜋
5 = 1,2𝜋 (𝑣ò𝑛𝑔
𝑠 ) (3.17)
- Tỷ số truyền u = 10 Công suất động cơ:
𝑃 = 𝑀.𝜔.𝑢
0.9 = 10,41.10−2.1,2𝜋.10
0.9 = 4,36(𝑊) (3.18)
40
Hình 3.4 Động cơ DC 24V GA37RG
3.1.4. Tính chọn động cơ bơm nước.
Dung tích chai: V=330ml
Lưu lượng bơm Q = 2l/phút = 33.33 ml/s Thời gian bơm là: 𝑇 = 𝑉
𝑄 = 330
33,33 = 9,9𝑠 (3.19)
Ta chọn thời gian bơm T = 10s
Dựa theo tính toán cơ cấu chiết rót. Nhóm quyết định chọn bơm mini 6-12V DC MB365.
41
Đầu hút cách nước <=2m Đẩy nước cao <=3m.
Do việc sử dụng bơm mini có điện áp thấp nên sẽ có bộ giảm áp từ nguồn 24V sang bơm 12V.
Bảng 3.3 Bảng thông số động cơ bơm nước
Điện áp 12 VDC
Dòng tiêu thụ 0,6-2A
Công suất 5-12W
Lưu lượng bơm 1- 2 lít/phút
Áp suất đầu ra 1- 2,5 kg Độ sâu hút đạt được 1-2,5 m Đường kính đầu ra 8 mm Tuổi thọ 2-3 năm 3.2. Thiết kế hệ thống 3.2.1. Thiết kế hệ thống cơ khí
3.2.1.1. Thiết kế khung cơ khí
Hình 3.6: Thiết kế khung cơ khí hệ thống
Thiết kế khung cơ khí bằng nhôm định hình bao gồm phần thân băng tải và giá đỡ phía trên. Phần giá đỡ phía trên, bên phải là khung cấp nước và cấp nắp,
42
giữa băng truyền sẽ có 2 gá kẹp chai giúp trong quá trình di chuyển chai sẽ không bị đổ khi chẳng may ngoại lực tác động vào, phía trên trái là khung đỡ của xylanh và động cơ xoáy nắp.
3.2.1.2. Thiết kế hệ thống cấp nước và nắp chai
Hình 3.7: Thiết kế hệ thống cấp nước và nắp chai
Cơ cấu cấp nước và nắp chai được đặt ở đầu hành trình. Sử dụng khay dẫn nắp chai và cần treo khay dẫn nắp để cấp nắp cho chai. Phần dẫn nước sẽ có dây dẫn và gá giữ dây bơm.
3.2.1.3. Thiết kế hệ thống xoáy nắp chai
43
Ở phần cuối băng tải sẽ có 2 xylanh đôi dùng để kẹp chai khi cảm biến 2 nhận tín hiệu phát hiện chai. Động cơ xoáy nắp chai được gắn cố định với xy lanh nâng hạ để lên xuống đóng nắp chai. Cơ cấu xoáy nắp chai được gắn với khung gá chắc chắn.
3.2.2. Thiết kế hệ thống khí nén
Hình 3.9: Sơ đồ hệ thống khí nén
Hệ thống khí nén được thiết kế trên trên phần mềm FESTO FLUIDSIM. Hệ thống sử dụng toàn bộ bằng xylanh đôi: 1 xy lanh nâng hạ động cơ và 2 xy lanh kẹp chai và 2 van điện từ khí nén 5/2. Các thiết bị khí nén được gắn cố định chắc chắn trên các gá. Hệ thống hoạt động có sự chính xác và ổn định.
44
3.2.3. Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển
45
3.2.4. Thiết kế mô phỏng hệ thống điều khiển trên phần mềm
Hệ thống được thiết kế trên phần mềm TIA Portal V15 để thực hiện viết code và thiết kế giao diện giám sát cho PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC.
❖ Quá trình thiết kế:
Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V15.
Hình 3.11 Biểu tượng TIA PORTAL V15
Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án mới.
46
Bước 3: Nhập tên dự án vào phần Project name sau đó Click create.
Hình 3.13 Giao diện tạo dự án mới
Bước 4: Click chọn configure a device.
47 Bước 5: Click chọn add new device.
Hình 3.15 Giao diện Devices & networks
Bước 6: Chọn PLC S7-1200 loại CPU 1212C DC/DC/DC, sau đó chọn add hoặc kích đúp vào nó.
48 Bước 7: Project mới được hiện ra
Hình 3.17 Giao diện làm việc
Bước 8: Viết chương trình cho PLC: >>Program Blocks >> Add new block >> chọn chương trình để viết.
49
Bước 9: Sau khi hoàn thành chương trình điều khiển nhóm thiết kế giao diện giám sát hệ thống trên phần mềm Wincc.
Hình 3.19 Giao diện home giám sát- điều khiển hệ thống
Hình 3.20 Giao diện vận hành giám sát, điều khiển hệ thống
Giao diện giúp người dùng dễ dàng điều khiển và giám sát được quy trình hoạt động của hệ thống. Đồng thời cũng theo dõi được trạng thái hoạt động của từng thiết bị.
50
3.3. Lưu đồ thuật toán
Bắt đầu
Start
Băng tải hoạt động
CB2==0 Băng tải dừng Động cơ bơm nước hoạt động 10s Chờ 1s
Băng tải hoạt động CB1==0 Hạ xilanh đóng nắp Xilanh kẹp và động cơ đóng nắp hoạt động trong 5s Các xilanh động cơ thu về trạng thái ban đầu sau 2s
quá trình mới Stop Kết thúc Đ Đ Đ Đ S S S S
51
CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ
THỐNG
4.1. Chế tạo hệ thống
4.1.1. Chế tạo hệ thống cơ khí
Sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu, tính toán, và thiết kế hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động. Nhóm đã tiến hành chế tạo hệ thống thực tế.
Hình 4.1 Hình ảnh hệ thống băng tải thực tế
Dùng xylanh nâng hạ để đẩy động cơ vặn nắp xuống tiến hành quá trình xoáy nắp, Nắp xoáy được lót cao su để đảm bảo giữ chặt nắp chai trong quá trình xoáy.
52
Hình 4.3 Hệ thống cấp nắp chai và chiết rót thực tế
Khay cấp nắp có giá đỡ để tạo độ nghiêng khi đó nắp chai sẽ trôi xuống và được nắp nhựa giữ lại
4.1.2. Chế tạo hệ thống điện và điều khiển
Hệ thống điện được nhóm lắp đặt quy củ theo sơ đồ. Thiết bị điện được gá lắp chắc chắn. Toàn bộ dây dẫn đi trong máng nhựa vừa thẩm mỹ, vừa an toàn điện. Và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
53
Hình 4.4 Hệ thống điện thực tế
Phía bên phải là công tắc ON/OFF hệ thống và van điện từ 5/2 để truyền khí từ bình khí nén đến các xylanh trong hệ thống.
4.1.3. Mô hình hệ thống thực tế
54 4.2. Thực nghiệm Bảng 4.1 Bảng thực nghiệm Lần Thiết kế Chức năng Độ chính xác Lỗi hệ thống Cách khắc phục 1 x ✓ x
Nước từ vòi bơm, bơm lệch vào chai do cảm biến tiệm cận đặt lệch
Chỉnh lại vị trí cảm biến tiệm cận cho chai dừng đúng vị trí
2 x ✓ ✓
Lượng nước trong chai ít do thời gian bơm còn ngắn
Điều chỉnh tăng thời gian bơm nước
3 x ✓ x Băng tải bị trượt Căng lại dây belt bang tải
4 x ✓ x Băng tải bị trùng Dùng miếng sắt lót đế băng tải 5 ✓ x x Nắp đặt lệch so với cổ chai do khay dẫn lắp đặt lệch Căn chỉnh khay dẫn nắp đúng vị trí 6 ✓ x x
Cơ cấu xoáy nắp chệch so với cổ chai do cảm biến đặt lêch
Chỉnh lại vị trí cảm biến tiệm cận cho chai dừng đúng vị trí
7 x ✓ x
Nắp chai chưa được vặn chặt do thời gian vặn nắp ngắn.
Tăng thời gian xoáy nắp chai
55
4.3. Đánh giá
❖ Ưu điểm:
+) Mô hình hệ thống nhỏ gọn hoạt động ổn định. +) Nắp chai đước xoáy tương đối chặt.
+) Lượng nước cấp vào chai đúng theo tính toán.
+) Băng tải hoạt động ổn định đúng theo yêu cầu đặt ra. +) Tốc độ phản hồi tín hiệu đạt yêu cầu đặt ra.
+) Kết cấu khung hệ thống chắc chắn. ❖ Nhược điểm:
+) Cơ cấu đóng nắp chai có độ chính xác chưa cao. +) Hệ thống cấp nắp còn đơn giản dễ xảy ra lỗi.
+) Nhóm dùng bơm thường để chiết rót nên chai nước đầu tiên trong dây chuyền sẽ bị hụt nước, kể từ chai thứ hai trở đi mực nước được chiết rót sẽ ổn định và có sai số thấp.
56
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Sau thời gian thực hiện đề tài tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo TS. Hà Thanh Hải và sự giúp đỡ của các thầy cô trong khoa Cơ khí, nhóm em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp, đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động điều khiển PLC” với các kết quả đã đạt được: - Mô hình hệ thống cấp nước và đóng nắp chai tự động họa động ổn định,
tương đối chính xác.
- Hệ thống đáp ứng đầy đủ, đúng theo những tính toán, thiết kế. - Xây dựng được chương trình điều khiển cho hệ thống.
- Thiết kế được giao diện giám sát, điều khiển cho hệ thống. - Kết nối thành công giữa PLC và PC.
- Thiết bị, dây dẫn được lắp đặt có tính thẩm mĩ cao và an toan.
Để đồ án được hoàn thiện với tính thực tiễn cao hơn, nhóm em xin đưa ra một số đề xuất phát triển cho đồ án:
- Thêm các thiết bị bảo vệ để tránh hư hỏng do các tác động bên ngoài. - Cải thiện phần cơ khí của hệ thống tốt hơn để tăng thêm độ chính xác.
- Thay đổi cơ cấu cấp nước, thay vì dùng bơm thường sẽ đổi thành cấp nước bằng bơm định lượng.
- Xây dựng thuật toán điều khiển thông minh hơn.
- Bổ sung thêm phần cung cấp chai rỗng và nhận chai của hệ thống. - Nâng cấp khay cấp nắp đơn giản bằng canh tay robot.
- Sử dụng cảm biến đo mực nước để tránh hiện tượng thiếu hụt lượng nước