4 gối đỡ của bộ dẫn hướng cũng được làm bằng nhôm nguyên khối. Ta có khối lượng của 4 gối đỡ: Mgối đỡ = 4x24 = 96g
- 6 con trượt của bộ dẫn hướng cũng được làm bằng nhôm nguyên khối. - Khối lượng của 4 con trượt: Mcon trượt = 6x92 = 552 (g)
- Như vậy tổng khối lượng của bộ dẫn hướng sẽ là:
M = Mgối đỡ + Mcon trượt + Mthanh trượt = 96+ 552+ 212,22 = 860,22(g)
k. Tính toán xylanh nâng hạ
Xylanh dao in sẽ có nhiệm vụ kéo đẩy hệ thống dao in, 1 khung mang cơ cấu in và khung in lên xuống, vậy nên tổng khối lượng làm việc của xylanh này là:
M = 0,59 + 2,2 + 2,01 + 0,86 = 5,66 (kg) - Suy ra lực nâng cần thiết là:
F = 5,66x10 = 56,6(N)
Máy nén khí áp suất thông dụng p = 6 (kgf/cm2)
Vậy nên ta chọn xylanh khí nén SC32x50-S có các thông số như sau: - Đường kính 32mm
- Hành trình 50mm
- Áp suất vận hành: 0.1~0.9Mpa (1~9kgf/cm2)
- Áp suất tối đa : 1.35Mpa (1.35kgf/cm2) Lực đẩy/kéo: 𝐹đẩ𝑦/𝑘é𝑜 = 𝐴 ∗ 𝑃
𝐴đẩ𝑦 = 4,9𝑐𝑚2 𝐴𝑘é𝑜 = 4,12𝑐𝑚2
𝐹đẩ𝑦 = 8,04 ∗ 6 = 48,24(𝑘𝑔) 𝐹𝑘é𝑜 = 6,9 ∗ 6 = 41,4(𝑘𝑔)
3.2.4 Thiết kế cơ khı́ phần nâng phôi
Phần khung sắt sẽ sử dụng sắt hộp. Các kích thước sẽ đươc ̣ thiết kế tính dựa trên yêu cầu kích thước của phôi in và có thể thay đổi linh động.
Hình 3.33: Mô hình phần nâng hạ phôi.
a. Pulley truyền động và dây curoa
Dẫn động bằng pulley truyền động và dây curoa, pulley truyền động và dây curoa được lực từ động cơ Step qua đó cung cấp chuyển động qua lại cho hệ thống cấp phôi.
Trong đồ án này, sử dụng 2 pulley giống nhau có d = 15mm, 20 răng gắn vào trục động cơ và dây curoa cao su chu vi 2000 mm rộng 10 mm.
Đầu tiên là pulley truyền động được làm bằng nhôm, có kích thước d = 15mm, dày 10mm.
- Khi đó ta tính được thể tích pulley:
V = π.R2.h = π.0,752.1- π.0,52.1 = 1 (cm3)
- Với khối lượng riêng của nhôm là 2,7 g/cm3 nên ta có khối lượng của cảm biến:
Mpulley = 1x2,7 = 2,7 (g)
- Đi chung với pulley là dây đai bằng cao su có kích thước 2000x10x2mm. Từ đó ta có thể tích của dây đai cao su là:
V = l.w.h = 200x1x0,2 = 40(cm3)
- Với khối lượng riêng của cao su là 1,1 g/cm3 nên ta có được khối lượng:
Mdây đai = 40.1,1 = 44(g)
- Như vậy 1 bộ pulley và dây đai sẽ có khối lượng:
M = Mpulley+ Mdây đai = 2x2,7+ 44= 49,4 (g)
b. Tính toán cơ cấu vít me
- Thể tích tấm đỡ bộ vít me:
Vtamdovitme = l.w.h = 20x5x1= 100(cm3)
- Khối lượng riêng của gỗ là 1,12(g/cm3) nên khối lượng tấm đỡ bộ vít me là:
Mtamdovitme = 1,12x100 = 112g = 0.112(kg)
- Khối lượng bộ vít me là: MVitme = 1,5kg Thể tích thanh ngang gắp phôi là:
Vthanh gắp phôi = l.w.h = 30x2x2= 120(cm3)
- Khối lượng riêng của gỗ là 1,12(g/cm3) nên khối lượng tấm đỡ bộ vít me là:
Mthanh gắp phôi = 1,12x120 = 134,4g = 0.134(kg)
- Như vậy hệ thống di chuyển qua lại sẽ có tổng khối lượng là: M= 49,4 + 112 + 1500 + 134,4 = 1795,8 (g) = 1,795(kg)
Tính toán lựa chọn động cơ cho hệ thống di chuyển qua lại của cơ cấu gắp phôi
- Động cơ truyền động là thành phần dẫn động chính của hệ thống. Thông qua việc tính toán vận tốc, moment xoắn, công suất dựa trên yêu cầu về năng suất đã đề ra ta có thể chọn được động cơ truyền động thích hợp.
- Do chiều cao nâng hạ không có yếu tố ràng buộc cụ thể nên chọn khoảng cách di chuyển qua lại của hệ thống cấp phôi là 400mm.
- Thời gian di chuyển qua lại của hệ thống gắp phôi là 5s. - - Do đó, vận tốc di chuyển qua lại của hệ thống gắp phôi là:
- vqua lại =L
t =0,4
5 = 0,08 (m/s) = 4800 (mm/phút)
- Đường kính pully là dpully = 15mm và độ dày dây đai là 10mm. - - Vậy chu vi pully là:
- C = dpully.π = 15.3,14 = 47,1 (mm)
- Do truyền qua pulley cùng kích thước nên tỉ số truyền sẽ được giữ nguyên là 1:1 nên vận tốc cần thiết của dây curoa cũng là vận tốc cần thiết của động cơ.
- vdc =vcr
C =4800
47,1 = 101,91 (vòng/phút)
- Khối lượng của những bộ phận mà động cơ phải kéo là tổng khối lượng của các bộ phận của hệ thống dao in nặng 1,795kg như đã tính ở phần trước.
- Dây đai quay coi như vành tròn đồng chất có moment quán tính khối lượng đối với tâm của dây đai là I0 = m.R2(trong đó R là bán kính tâm quay của dây đai), nhưng do động cơ đặt ở một đầu pully nên ta phải dùng công thức chuyển trục song song để tính, khi đó moment quán tính của cả hệ sẽ được tính bằng:
- I = I0+ m.d2 (Trong đó d là khoảng cách từ tâm của dây đai đến vị trí đặt động cơ) - Từ chiều dài dây đai 1000mm ta xác định được R = 1000
2 = 500mm và d = 500- 7,5 = 425mm.
- Khi đó moment quán tính của hệ là: - I = I0+ m.d2 = 1,795x0,52+ 1,795x0,4252
= 0,77 (kg.m2) - Moment cản khi khởi động
- Hệ số ma sát trượt giữa con trượt và thanh trượt là: μ = 0,07 - Fmst = (10x0,07)x1,795 = 1,26 (N)
- Lực ma sát lăn rất nhỏ so với lực ma sát trượt. Ta cho hệ số ma sát lăn bằng 1/10 hệ số ma sát trượt:
- Fmsl = 1,26
10 = 0,126 (N)
- Moment cản được tao ra do ma sát lăn và ma sát trượt là:
- Mc = Mms = FmstxR + FmslxR = (1,26x7,5) + (0,126.7,5) = 10,4 (N.mm) = 0,01 (N.m) - Moment cần để quay cả hệ là: - M = Mc + I𝑑𝜔 𝑑𝑡 = 0,01 + 0,77x10,67 5 = 1,65 (N.m)
- Chọn động cơ phải thỏa mãn điều kiện M > 1,65 N. m, ta chọn động cơ Step 57 có M = 1.8N.m
3.2.5 Thiết kế cơ khı́ phần tủ điêṇ
Tủ điện có kích thước 350x500x350mm và được lắp đặt phía bên dưới của khung băng tải.
3.3 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HÊ ̣THỐNG ĐIỆN 3.3.1 Thiết kế sơ đồ khối hê ̣thống
Sơ đồ khối của toàn bô ̣dây chuyền bao gồm các khối: khối điều khiển trung tâm PLC S7-1200, khối nguồn và các khối khác sẽ taọ nên mô hình hoàn chỉnh cho hê ̣thống.
Đề tài thiết kế sẽ gồm các khối như sau: Khối điều khiển trung tâm PLC S7-1200. Khối nguồn.
Khối nút nhấn. Khối cảm biến. Khối HMI.
Khối điều khiển động cơ. Khối động cơ.
Khối điều khiển van khí.
Khối van khí.
Chức năng từng khối
Khối xử lý trung tâm: Có chức năng điều khiển hoaṭ động của toàn hệ thống. Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn cho toàn bô ̣hê ̣thống hoaṭ động. Khối nút nhấn: Có chức năng dừng khẩn cấp.
Khối cảm biến: Có chức năng gửi tín hiệu về xử lý khối trung tâm.
Khối màn hình điều khiển: Có chức năng điều khiển hoaṭ động của hê ̣thống. Khối điều khiển động cơ: Có chức năng điều khiển động cơ.
Khối điều khiển van khí: Có chức năng điều khiển van khí.
Khối động cơ: Có chức năng điều khiển băng tải, điểu khiển bàn nâng, di chuyển tay hút phôi.
Các thông số của các khối chı́nh
KHỐI CẢM BIẾN
KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM
KHỐI NGUỒN KHỐI HMI
KHỐI ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ KHỐI ĐIỀU KHIỂN VAN KHÍ KHỐI NÚT NHẤN KHỐI ĐỘNG CƠ KHỐI VAN KHÍ Hình 3.36: Sơ đồ khối của hệ thống
Khối điều khiển trung tâm: PLC S7-1200 1212C có tín hiêụ vào và tı́n hiêụ ra là tín hiệu số.
Khối nguồn: Có tín hiệu vào là nguồn điêṇ 220V và tín hiệu ra là 24V. Khối cảm biến: Cảm biến sẽ có tín hiêụ vào là tín hiêụ số.
Khối HMI: Giao tiếp với PLC qua cổng Ethenet.
3.3.2 Tính toán và thiết kế mạch
a. Thiết kế khối xử lý trung tâm
Hiện nay trên thi ̣ trường có rất nhiều loại PLC khác nhau của các hãng như Siemens, Panasonic, Omron, ABB, Rockwell, …
Sau quá trình tìm hiểu về các hãng, cùng với sự góp ý của giáo viên hướng dẫn nên nhóm thực hiện đã quyết định chọn PLC S7-1200 của hãng Siemens để lâp ̣ trình. Với đặc điểm có cấu hình xử lí nhanh, giá thành vừa phải. Nhóm thực hiện đã chọn được CPU 1214C DC/DC/DC. Sau đây là một vài thông số cơ bản của loại CPU này:
Điện áp hoạt động: 24VDC.
Số lượng ngõ vào số: 14 (24VDC).
Số lượng ngõ vào Analog: 2 (0 – 10 VDC). Số lượng ngõ ra số: 10 (24 VDC).
Bộ nhớ chương trình: 100 KB.
b. Thiết kế khối cảm biến
Trong đề tài này khối cảm biến có chức năng phát hiện vật sau đó gửi tín hiệu dạng số về PLC.
Thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận SN04 - N:
Cảm biến tiệm cận loại gần - Khoảng cách phát hiện tối đa 5 mm. Loại ngõ ra: NPN - NO.
Điện áp cung cấp: 6 ~ 36 VDC. Dòng ra: 300 mA.
Hình 3.37: Cảm biến tiệm cận SN04 – N
Nguồn: https://dientutuyetnga.com/products/cam-bien-tiem-can-sn-04n-roko-npn-chong- nuoc
Thông số kỹ thuâṭ của cảm biến quang E3F-DS30C4: Loại ngõ ra: NPN.
Khoảng cách phát hiện 10 ~ 30cm. Dòng tiêu thụ 20 ~ 35mA.
Điện áp hoat động: 6 ~ 36 VDC. Nhiệt độ hoạt động -25 ° C ~ 70 ° C.
Nguồn: https://dientu360.com/cam-bien-vat-can-hong-ngoai-e3f-ds30c4
c. Khối điều khiển động cơ
Khối điều khiển động cơ 3 pha 220V
Thông số kỹ thuật của biến tần Mitsubishi D700
Nguồn cấp 3P 200 – 240VAC 50Hz/60Hz
Công suất 0.1 – 15kw
Dòng điện 0.8 – 10A
Dải tần số 0.2 – 400Hz
Mô men khởi động 150% hoặc hơn tùy theo phương pháp điều khiển Khả năng quá tải 150% trong vòng 60s, 200% trong vòng 0.5s Phương pháp điều khiển V/F
Phanh hãm
Ngõ vào
Lựa chọn đa tốc độ, cài đặt từ xa, chọn chức năng thứ hai, bốn cấp quá tải tùy chọn, hoạt động JOG, điều khiển PID có giá trị, hoạt động luân phiên PU, V/F, PU-NET,
External-NET, ngõ ra dừng lại, lựa chọn tự giữ bắt đầu, cài đặt lại biến tần, báo tín hiệu khi biến tần hoạt động và khóa ngoài khi PU hoạt động.
Ngõ ra
Cảnh báo tình trạng quá tải, ngõ ra phát hiện tần số, tái tạo phanh, cảnh báo lỗi rơ le, biến tần sẵn sàng hoạt động, ngõ ra phát hiện dòng, giới hạn PID, cảnh báo quạt tản nhiệt quá nóng,cảnh báo giảm tốc khi mất điện tức thời, điều khiển PID kích hoạt, PID bị gián đoạn, giám sát an toàn, cảnh báo tuổi thọ, hẹn giờ thời gian bảo trì.
Chức năng bảo vệ
Động cơ, định nghĩa lỗi, bảo vệ quá dòng khi tăng tốc, giảm tốc, dừng lại, quá tải, quá áp, thấp áp, mất áp, quá nhiệt, quá nhiệt điện trở phanh, ngăn chặn sụt áp
Chức năng chính
– Thiết lập tần số tối đa và tối thiểu, hoạt động đa tốc độ, mô hình tăng / giảm tốc, bảo vệ nhiệt
– Tăng giảm tốc độ kích thích từ tính, xoay màn hình, tự động khởi động lại sau khi mất điện, thiết lập từ xa, lựa chọn chế độ hoạt động thử lại, bù trượt, mất kiểm soát, mô- men xoắn
-Tích hợp sẵn bộ điều khiển PID, Modbus TU
Truyền thông Hỗ trợ các chuẩn truyền thông RS-485, kết nối PU
Thiết bị mở rộng
Bộ cài đặt thông số tiêu chuẩn theo biến tần, cáp kết nối với bộ cài đặt thông số mở rộng, bo truyền thông, bo encorder, lọc nhiễu, bo chức năng ngõ ra relay, bo chức năng ngõ ra analog mở rộng, bộ phanh, điện trở xả, cuộn kháng một chiều, cuộn kháng xoay chiều, lọc nhiễu dùng cho biến tần công suất thấp, bo chức năng ngõ vào số 16 bit…
Cấp bảo vệ IP20 (Đóng lắp)
Hình 3.39: Biến tần Mitsubishi D700
Khối điều khiển động cơ bước
Là module chuyên dụng để điều khiển động cơ bước lưỡng cực. Thông số kỹ thuâṭ Module TB6600-4A:
Nguồn đầu vào: 9 ~ 42VDC – Dòng cấp tối đa: 4A.
Có khả năng điều khiển các chế độ: full step, half step, vi bước (1/8 và 1/16 step). Các chế độ được thiết lập bởi phần cứng.
d. Khối động cơ
Trong dây chuyền nhóm sử dụng động cơ bước Step 57 để điều khiển và dẫn hướng cho cánh tay gắp phôi và sử dụng động cơ 3 pha giảm tốc cho băng tải.
Thông số kỹ thuật động cơ bước 57HS7630A4D8: Nguồn cấp: 9 ~ 42VDC
Dòng định mức: 3A Góc bước: 1,8𝑜 / bước
Hình 3.40: Hình ảnh thưc̣ tế module TB6600-4A
Thông số kỹ thuật động cơ băng tải M8IA25G4Y: Nguồn cấp: 220VAC
Công suất: 25W
Dòng định mức: 0.25A Tần số: 50Hz
Hình 3.41: Động cơ bước 57HS7630A4D8
Nguồn: https://vi.aliexpress.com/item/32866369038.html
Hình 3.42: Động cơ M8IA25G4Y
e. Khối điều khiển van khı́
Van khí đóng mở bằng điện giúp quá trình đóng mở nhanh hơn, đô ̣chı́nh xác cao là thiết bị được sử dụng hầu hết cho việc điều khiển thiết bị khí nén. Thông qua sư ̣tı̀m hiểu về các loại van khí từ các nguồn tài liệu nên nhóm đã quyết định chọn van điện từ
AIRTAC 4v210-08 đóng mở bằng điện để điều khiển đóng mở khí.
Hình 3.43: Van điện từ AIRTAC 4v210-08
Nguồn: https://auvietco.com.vn/van-dien-tu-khi-nen-airtac-4v210-08 Thông số kỹ thuật AIRTAC 4v210-08:
Điện áp cuộn coil: 24VDC. Áp suất làm viêc ̣: 0,15 ~ 0,8MPa Nhiêṭ đô ̣hoạt động: −20 ~ 70𝑜𝐶 Loại van đơn 5/2.
Thông số kỹ thuật Relay:
Để bảo vệ PLC, nhóm quyết định dùng relay để kích van khí nén. Điêṇ áp cung cấp: 24VDC.
Điện áp hoaṭ đôṇ g: 5 -10A/ 24-30VDC. Số chân: 8
Hình 3.44: Hình ảnh thưc̣ tế Relay Nguồn: https://tae.vn/relay-kieng-8-chan Nguồn: https://tae.vn/relay-kieng-8-chan
f. Khối nút nhấn
Nhóm sử dụng nút nhấn Emergency để dừng khẩn cấp lúc hệ thống gặp sự cố Thông số kỹ thuâṭ:
Nguồn cung cấp: 220V.
g. Khối HMI-SCADA
Điều khiển các thiết bị thông qua giao diêṇ màn hình đang đươc ̣ sử dụng khá phổ biến rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điện tử, giáo duc ̣ , công nghiêp ̣ … với mong muốn đươc ̣ ứng dụng việc điều khiển vào trong đề tài nhưng do để tiết kiệm chi phí, nhóm quyết định sử dụng màn hình laptop để điều khiển hê ̣thống trực tiếp thông qua phần mềm TIA-Portal. Để điều khiển đươc ̣ toàn bô ̣hê ̣thống thông qua màn hình HMI chúng ta phải tı̀m hiểu việc cách giao tiếp và truyền dữ liệu giữa PLC S7 – 1200 và HMI.
Hình 3.45: Nút nhấn Emergency
h. Thiết kế khối nguồn
Khối nguồn là khối rất quan trọng cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống. Hình 3.47: Giao diện thiết kế màn hình điều khiển SCADA
Trong mô hình sử dụng 2 khối nguồn để cung cấp là 24VDC và 220VAC. Khối nguồn 220VAC: Cung cấp nguồn cho biến tần.
Khối nguồn 24VDC: Cung cấp nguồn cho PLC S7 – 1200, Module mở rộng, cảm biến, cuộn coil van điện từ, Relay, bộ điều khiển công suất động cơ bước.
Bảng 3.2: Bảng tiêu thu ̣dòng điêṇ của các khối
Khối nguồn Các thiết bị và linh kiện Dòng tiêu thụ
Nguồn 24VDC