24 Trong những ngơn ngữ này, Ladder Logic có nhiều ưu điểm nhất:
- Ngôn ngữ dễ viết, dễ hiểu, là ngôn ngữ dành cho người mới bắt đầu. - Chương trình mơ phỏng hệ thống nối dây của mạch điện.
- Mơ phỏng sự duy chuyển của dịng điện đi từ nguồn qua các điệu kiện ngõ (linh kiện) và tác độc đến ngỏ ra (Cơ cấu vận hành, bóng đèn…).
Ladder Logic (LAD) được tạo ra từ các nấc thang logic, do đó có tên là “Ladder Logic” hay sơ đồ bậc thang.
Các lệnh logic được biểu diễn bằng các kí hiệu đồ họa, có 3 dạng cơ bản: Hình 2.23. Cấu trúc chương trình PLC được viết trên ngơn ngữ Ladder Logic.
25 - Tiếp điểm thường hở (khơng có tính hiệu) và tiếp điểm thường đóng (Có tính
hiệu), thể hiện các điều kiện logic ngõ vào: công tắc, nút nhấn, cảm biến… - Cuộn dây Biểu diễn các kết quả logic ngõ ra : động cơ, đèn, relay…
Khối block: Tượng trưng cho các hàm, điều kiện khác nhau.
2.7.2.Vi điều khiển
2.7.2.1.Vi điều khiển là gì?
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên 1 chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hơp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi sang tương tự và tương tự sang số,…Ở máy tính thì các module thương được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài.
Cấu tạo: Vi điều khiển bao gồm 1 lõi CPU có hiệu suất đủ dùng, kết hợp với cái thiết bị ngoại vi như ROM hoặc flash, RAM, các module vào, ra… trên cùng mơi trường vi mạch tích hợp.
26 Có nhiều loại vi điều khiển do các nhà sản xuất chế tạo: AMCC, Atmel, Intel, Microchip…
2.7.2.2.Ngơn ngữ lập trình
Có nhiều loại ngơn ngữ lập trình như C, C++, Visual Basic, hợp ngữ Assembler (ASM)… Nhưng được sử dụng rộng rãi nhất đó là ngơn ngữ C, C++, cịn đi đầu lại là ASM.
Ngôn ngữ C
Ngôn ngữ C cịn được gọi là ngơn ngữ dành cho người mới bắt đầu vì khi sử dụng ngơn ngữ C người lập trình khơng cần hiểu sâu sắc về cấu trúc của bộ vi điều khiển.Và việc sử dụng lại các chương trình đã xây dựng trước đó cũng dễ dàng hơn, có thể sử dụng toàn bộ hoặc sửa chữa một phần.
Hợp ngữ ASM
27 Assembly Language (ASM) là ngơn ngữ bậc thấp, chính xác nó là ngơn ngữ thuộc thế hệ thứ 2 (2nd generation). ASM sử dụng các từ gợi nhớ (mnemonics) để viết các chỉ thị (instructions) lập trình cho máy tính thay vì bằng những dãy 0 và 1.
Các ASM sẽ cần một chương trình Assembler phù hợp (NASM, AS, DASM) để dịch chúng thành những file binary và một trình linker để link các thành phần lại và chỉ định nơi bắt đầu của chương trình và đây là việc bắt buộc.
ASM cịn được dùng cho ngành nhúng (Embedded System) vì nó có thể tương tác rất sâu dưới hệ thống, chúng có thể giao tiếp trực tiếp với các phần cứng và bắt chúng hoạt động theo ý người lập trình.
28
2.8.Tương tác và điều khiển hệ thống
Có nhiều sự lựa chọn về màn hình hiển thị, điều kiển hệ thống, nhưng có 2 cách phổ biến và đơn giản nhất: Màn hình HMI và Led 7 đoạn kết hợp với bàn phím.
2.8.1.Màn hình HMI
HMI (viết tắt của Human-Machine-Interface), là một thiết bị để giao tiếp giữa người vận hành với máy móc trong qua một màn hình cảm ứng.
Cấu tạo gồm màn hình, các nút nhấn , CPU, các bộ nhớ ROM, RAM, EPROM/PLASH… chuẩn truyền thông và giao thức hẫu trợ, phần mềm hệ thống.
Màn hình cảm ứng trên cái HMI hiện đại giúp hiển thị các thông số, trạng thái của máy và cho phép người sử dụng thao tác trực tiếp tương tự như trên điện thoại thông minh.
Phân loại: chia ra làm 2 loại: HMI truyền thống và HMI hiện đại Thiết bị
Tiêu
chí đánh giá
Hệ điều hành Không Window CE 6.0, MAC OS,
SCADA…
Giao tiếp Công tắc và nút nhấn Màn hình cảm ứng Hiển thị Đèn báo, cịi, đồng hồ đo…
Hình 2.27. Màn hình HMI Siemens KP400.
29 Độ chính xác và ổn định Thấp Cao Lưu trữ Hạn chế Rất lớn Lắp đặt và bảo trì Khó do hệ thống phức tạp Dễ
Kết nối Giao thức truyền thống Internet, thiết bị, giao thức đa dạng
Bảng 2. So sánh giữa HMI truyền thống và HMI hiện đại.
2.8.2.Module Led 7 đoạn và nút nhấn
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Module Led 7 đoạn có cấu tạo bao gồm 7 led đơn có dạng thanh xếp theo hình dạng số 8 và có thêm một led đơn hình trịn nhỏ thể hiện dấu chấm trịn ở góc dưới, bên phải để biểu thị số thập phân.
Các led 7 đoạn này được kí hiệu từ a đến g, tương đương với các chân kết nối, bằng phương pháp phân cực thuận giúp các led này sáng theo thứ tự cụ thể giúp hiển thị các con số từ 0 đến 9. Những chân còn lại được nối với nhau thành một chân chung.
Chức năng của chân chung là phân loại led 7 đoạn.
Phân loại: có 2 loại: Led có chân another chung (CA) cathode chung (CC)
2.8.3.Màn hình LCD và nút nhấn
Cơng nghệ màn hình LCD
30 Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) được cấu tạo từ những tế bào điểm ảnh chứa tinh thể lỏng với khả năng thay đổi tính phân cực của ánh sáng và thay đổi cường độ chiếu sáng truyền qua khi kết hợp với các loại kính lọc phân cực.
Nguyên lý hoạt động:
Những điểm hiển thị này sẽ tạo ra màu sắc dựa trên quy luật phối màu từ 3 màu cơ bản: Đỏ, lam, lục bật tắt liên tục để tạo ra một điểm màu. Tập hợp những điểm màu đó sẽ tạo ra hình ảnh hiển thị trên màn hình như mong muốn. Nguồn sáng đến từ một đèn ở phía sau màn hình.
Cấu tạo gồm 6 lớp xếp chồng lên nhau:
- Kính lọc phân cực thẳng đứng có tác dụng lọc ánh sáng tự nhiên khi vào. - Lớp kính có điện cực ITO.
- Lớp tinh thể lỏng.
- Lớp kính có điện cực ITO chung. - Kính lọc phân cực nằm ngang. - Gương phản xạ.
31
2.9.Set home cho trục quay
2.9.1.Định nghĩa
Home là vị trí đặt góc tọa độ tùy vào u cầu bài toán. Sau khi thiết lập (set home) vị trí này sẽ là điểm dừng ban đầu của trục làm việc.
Set home hoạt động nhờ vào tính hiệu của cảm biến. Khi cảm biến phát hiện vật sẽ phát tính hiệu đến bộ điều khiển. Có thể dùng bất cứ loại cảm biến nào tùy vào điều kiện, môi trường sử dụng.
2.9.2.Cảm biến
Cảm biến (Sensor) dùng để phát hiện vật dựa trên các yếu tố vật lý hoặc yếu tố hóa học ở trị trí được đặt và sau đó chuyển thành dạng thơng tin mã hóa gửi về các thiết bị hiển thị.
Phân loại: có 4 loại cơ bản: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và cảm biến khuếch tán.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) có thể phát hiện vật từ xa, đo lường khoảng cách hoặc tốc độ di chuyển của đối tượng… Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất.
Cấu tạo cảm biến quang: gồm 3 phần chính - Bộ phận thu sáng.
- Bộ phận phát sáng.
- Mạch xử lý tín hiệu đầu ra.
32 Ứng dụng:
- Phát hiện người, vật di chuyển qua cửa, cổng ở sân bay, khu vực an ninh… - Kiểm tra sản phẩm trên băng tải có đạt chất lượng hay không (Đo mực
nước trong chai Coca)…
- Đếm số lượng sản phẩm: hoa quả, hàng hóa… - Tắt mở vịi nước rửa tay, toilet…
Ưu và nhược điểm: Ưu điểm:
- Có thể phát hiện vật, bất kể là vật liệu gì.
- Ít bị hao mịm, tuổi thọ, độ chính xác, tính ổn định cao. - Thời gian đáp ứng nhanh, dễ dàng tùy chỉnh theo ứng dụng. - Phạm vi phát hiện vật lớn, có thể lên đến 100m.
Nhược điểm:
- Hoạt động không tốt nếu bề mặt cảm biến bị bẩn
- Khoảng cách nhận biết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: màu sắc, hệ số phản xạ của vật…
33
Chương 3:LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THI CÔNG
Ở chương này chúng em sẽ lựa chọn các phương án truyền động, màn hình hiển thị và thiết bị điều chỉnh khung đặt vật hàn từ các lý thuyết đã nêu ở chương 2 để xây dựng máy có kích thước 1660x600x900mm, phần khung đặt vật hàn có kích thước 1500x500mm. Sản phẩm hàn sẽ được đặt lên khung, cố định chắc chắn, tải trọng tối đa (kể cả cơ cấu kẹp vật) là 40 kg. Khung đồ gá được làm từ thép hộp vuông 50x50x1,5mm.
3.1.Thiết kế cơ cấu kẹp khung gá
3.1.1.Chọn vật liệu chế tạo khung gá
Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép 45 thường hóa
Theo Bảng 6.1 trang 92, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, Trịnh Chất. - Độ rắn HB = ( 170...217)
- Giới hạn bền: σb = 600 (MPa). - Giới hạn chảy: σch = 340 (MPa).
34
3.1.2.Thiết kế cơ cấu kẹp
Để tạo điều kiện thuận lợi trong q trình gia cơng, giảm chi phí, ê tơ được thiết kế từ 3 tấm kim loại với kích thước bằng nhau 120x90x10 (mm). Sau đó ta-rơ lỗ ở 1 tấm để làm cơ cấu trục vít. Đùng phương pháp hàn que để hàn tạo thành thân ê tơ.
Trục vít được gắn với núm vặn ở 1 đầu, cố định bằng bu-lơng. Đầu cịn lại được khoang 1 lỗ để cố định với phần ngàm di động.
Giữa 2 mặt tiết xúc với khung sắt giữa hàm cố định và hàm di động được đệm thêm 1 lớp cao su để cố định, giảm ảnh hưởng từ lực kẹp của ê tô, giúp bảo vệ khung sắt.
Để bù trừ các sai số trong quá trình chế tạo khung sắt, ê tơ, và thuận tiện cho q trình cố định khung sắt với ê tơ, 2 ê tơ được bố trí cách nhau 1 khoảng l1 = 1510mm tính từ mặt phẳng tiếp xúc với khung sắt, có phương vng góc với trục công tác, dày l2 = 10mm.
Cuối cùng, ê tô sẽ được hàn với trục để tạo thành cơ cấu trục truyền động – kẹp hoàn chỉnh.
35
3.1.3.Tính tốn trọng lượng cơ cấu kẹp
Trọng lượng thép tấm
m1 = m2 = m3 = T.W.L.D
= 10.70.120.7,85.10-6 = 0,6594 = 659,4.10-3 (kg) Trong đó: mn: khối lượng thép tấm (kg)..
T: chiều dày thép tấm (mm). W: chiều rộng thép tấm (mm). L: chiều dài thép tấm (mm).
D: Trọng lượng riêng thép tấm (Kg/mm). Đối với thép c45, trọng lượng riêng D = 7,85.10-6 (Kg/mm).
Vì phần thân ê tô được cấu tạo từ 3 tấm thép giống nhau, bỏ qua trọng lượng phần thép mất đi khi khoan lỗ trục vít => Trọng lượng thân ê tô là
mthân = 3.mn = 3.0,6594 = 1,9872 (kg) Trọng lượng ngàm di động
Ngàm di động có dạng hình trịn, bán kính R = 25 (mm), ở giữa có lỗ φ = 6 mm để bắt chốt cố định với trục vitme.
Vì lỗ bắt chốt cố định nhỏ (φ = 6 mm) nên ta bỏ qua phần trọng lượng bị mất khi khoan lỗ bắt chốt cố định.
m4 = 𝜋.R2.T.D = 𝜋.252.10.7,85.10-6 = 154,33.10-3 (kg)
Trọng lượng trục vitme, chốt cố định, núm vặn, lớp cao su… m5 = 360.10-3 (kg)
Tổng trọng lượng cơ cấu là:
mc = mthân + md + mc
= 1,9872 + 154,33.10-3 + 350.10-3 = 2,5 (kg)
3.1.4.Tính tốn các lực và moment do cơ cấu sinh ra
3.1.4.1.Xác định trọng tâm cơ cấu
Ta chia cơ cấu làm 5 phần, bao gồm 3 phần là 3 thép tấm giống nhau, 2 phần còn lại là trục vitme và hàm di động. Xem trọng lượng núm vặn bằng nhựa và lớp cao su khơng đáng kể. Góc tọa độ như hình vẽ, gọi C(Xc , Yc) là trọng tâm cơ cấu, ta có:
36 Khoảng các từ các trọng tâm của từng phần đến tâm cơ cấu là:
Xác định Xc: Xh1 = Xh3 = Xh4 = Xh5 = 40 (mm) Xh2 = 5 (mm) Xc = ∑(Xhi.mi) ∑ mi = Xh1m1+ Xh2m2+ Xh3m3+ Xh4m4+ Xh5m5 m1 + m2+ m3 + m4+ m5 =40.659,4.10 −3 + 5.659,4.10−3 + 40.659,4.10−3 + 40.154,33.10−3 + 40.360.10−3 3.659,4.10−3+ 154,33.10−3+ 360.10−3 = 30,74 (mm) Xác định Yc:
Yh1 = 5 (mm) Yh2 = 45 (mm) Yh3 = 85 (mm)
Yh4 = 75 (mm) Yh5 = 135 (mm) Yc = ∑(Yhi.mi)
∑ mi =
Yh1m1+ Yh2m2+ Yh3m3+ Yh4m4+ Yh5m5 m1 + m2+ m3 + m4+ m5
37 = 5.659,4.10
−3 + 45.659,4.10−3 + 85.659,4.10−3 + 75.154,33.10−3 + 135.360.10−3 3.659,4.10−3+ 154,33.10−3+ 360.10−3
= 59,86 (mm)
Trọng tâm cơ cấu C(30,74 , 59,86).
3.1.4.2.Lực tác dụng lên cơ cấu
Lực tối đa tác dụng lên cơ cấu
F = FTải = mtải .g = 35.10 = 350 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N).
g = 10: gia tốc trọng trường (m/s2).
Vì có 2 cơ cấu kẹp khung gá nên lực tác dụng chia điều cho 2 cơ cấu: Ftd = 350/2 = 175 (N)
Hình 3.4. Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên cơ cấu kẹp.
y z x 𝑌𝑨 A 𝑄𝒚 𝑀𝒙 𝐹𝑡ả𝑖 𝑋𝑨 B C 𝑀𝑨 𝑥 (𝑚𝑚) mm mm 𝑥 (𝑚𝑚) mm mm
38
3.2.Chọn loại động cơ
3.2.1.Động cơ chịu tải các cơ cấu
- Trọng lượng tối đa của khung đặt vật gá, vật gá, kẹp… là mtải = 35 (kg)
- Trọng lượng 2 cơ cấu kẹp là:
mcc = 2.mT = 2.2,5 = 5 (kg) Tổng tải trọng tác dụng lên thân đồ gá là:
mmax = mtải + mc = 35 + 5 = 40 (kg)
- Vì có 2 trục chịu tải, nên tải trọng lớn nhất mỗi trục phải chịu là: m1 = m2 = (mmax)/2 = 40/2 = 20 (kg)
3.2.2.Xác định moment xoắn
Lực tối đa tác dụng lên thân đồ gá
F = FTải = mmax .g = 40.10 = 400 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N).
g = 10: gia tốc trọng trường (m/s2). Moment xoắn tối đa
Vì cơ cấu gồm có hai gối đỡ là một khớp nối nên sẽ có hiệu suất nhất định. Hiệu suất: (Tra bảng 2.1, trang 31, sách Thiết kế Đồ án Chi tiết máy, TS Văn Hữu Thịnh – TS Nguyễn Minh Kỳ).
ɳ = ɳơ2. ɳkt = 0,992.1 = 0,98 Trong đó: ɳkt = 1 : Hiệu suất khớp nối trục đàn hồi.
ɳô = 0,99 : Hiệu suất gối đỡ trục.
Moment xoắn lớn nhất mà động cơ cần cung cấp để quay khung sắt là: Tct = F.d
ɳ
Với Tct: moment xoắn trên trục công tác (N.mm). d: chiều dài cánh tay đòn (m).
Vì khung sắt có kích thước dx x dy = 1500 x 500mm, quay tròn theo phương trục X nên cánh tay đòn được xác định theo hướng trục Y.
39 dss = 500
2 = 250 (mm)
Xét trường hợp khung vng góc với mặt đất:
Vì khung làm từ thép hợp vuông 50x50x1,5 (mm) nên dy1 = 50 (mm). dvg = 50
2 = 25 (mm)
Xét trường hợp khung hợp với mặt đất góc 𝛼, với 00 < 𝛼 < 900: Với 𝛼 = 450
d𝛼 = 250.cos(450) = 176,78 (mm)
Trường hợp khung song song với mặt đất có chiều dài cánh tay địn lớn nhất nên ta lấy d = dss = 250 (mm) để tính moment xoắn
Tct = F.d
ɳ =
400.250
0,98 = 102040,81 (N.m)
Vì moment xoắn lớn, tốc độ quay chậm (3 vòng/phút) cho nên ta cần dùng hộp giảm tốc để tăng moment xoắn, giảm số vịng quay, tiếp kiệm kinh phí. Ta chọn hộp giảm tốc có tỉ lệ 1/25.
Moment xoắn tối đa trên trục động cơ: Tđc = Tct ɳ hgt = 102040,81 25 = 4081,63 (N.mm) = 4081,63.10-3 (N.m) Vận tốc trên trục động cơ: vđc = vct. ɳ ℎ𝑔𝑡 = 3.25 = 75 (vòng/phút) Công suất lớn nhất trên trục động cơ:
Pđc = 𝑇đ𝑐. 𝑣đ𝑐 = 4081,63.10-3.75 = 306,12 (W) STT Thông số Số liệu
1 Công suất 306,12 (W)
2 Moment xoắn 4081,63 (N.mm)
3 Vận tốc 3 (vòng/phút)
40 Tiến hành so sánh giữa các phương án đã đưa ra ở Chương 2 để chọn ra phương án thích hợp.
Thiết bị Thông số
Tốc độ Cao, tối đa 3000 ÷ 5000 rpm Thấp, tối đa 1000÷2000 rpm Đối tượng điều khiển Tốc độ, vị trí, moment Vị trí
Phương pháp điều khiển Điều khiển vịng kín Điều khiển vòng hở Bộ điều khiển Phức tạp, do nhà sản xuất