Chương 4 : QUY TRÌNH THIẾT KẾ
4.1 Cơ sở lý thuyết
4.1.8.4 Phần mềm thiết kế giao diện HMI GT Designer 3
Là phần mềm dùng để thiết kế giao diện HMI của Mitsu
4.1.8.5 Phần mềm thiết kế và mơ phỏng hệ thống khí nén Festo Fluidsim
Fluidsim là phần mềm giúp ta có thể mơ phỏng, thể hiện của khí nén và thủy lực. Phần mềm được sử dụng để xây dựng và kiểm tra mạch ảo. Công cụ này chứa mặt cắt, bản vẽ của xy lanh, van và quản lý dòng chảy thiết bị.
SVTH: Phạm Việt Tú 46 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
HÌNH 4. 20 Giao diện Festo Fluidsim
Một số đặc điểm của phần mềm Festo Fluidsim:
• Có thể tạo ra mơ phỏng của khí nén và thủy lực
• Các chức năng dễ dàng tiếp cận
• Có thể kéo thả và thẻ tính năng hỗ trợ
• Có thể sử dụng để tự nghiên cứu và hướng dẫn
• Cung cấp một loạt các khả năng thông tin liên lạc với các phần mềm khác
• Chứa hình mặt cắt và bản vẽ của xi lanh, van
4.2 Tính tốn thiết kế
4.2.1 Tính tồn moment động cơ kéo băng tải
• Động cơ giảm tốc Planet 775 24V 50 RPM
• Động cơ giảm tốc bao gồm: động cơ điện và hộp giảm tốc * Chức năng:
Động cơ điện gồm 2 phần chính là Stato và Roto. Cấu tạo của stato lại bao gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt xếp đặt trên 1 vành tròn để tạo ra
SVTH: Phạm Việt Tú 47 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
từ trường quay cịn Roto với dạng hình trụ đóng vai trị như 1 cuộn dây quấn trên lõi thép.
Hộp giảm tốc bên trong đựng bộ truyền động dùng bánh răng, trục vít…để giảm tốc độ vịng quay.
4.2.1.1 Thơng số kỹ thuật
– Điện áp: 24VDC
– Công suất: 35W
– Tốc độ đầu trục sau giảm tốc: 50RPM (vòng/phút)
– Động cơ chính: 775
– Dịng khơng tải: 0.5A
– Dòng tải: 7A
– Dòng định mức: 3A
– Moment xoắn đầu trục: 16040 N/m
4.2.1.2 Thơng số kích thước
– Kích thước trục: đường kính 8mm x chiều dài trục: 23mm
– Đường kính động cơ: 42mm
– Chiều dài động cơ ( khơng có giảm tốc ): 66mm
– Chiều dài động cơ cả hộp giảm tốc và trục: 128mm
4.2.1.3 Phân tích tải trọng:
– Thông số Rulo: JD = 0,19 Kg/m2
SVTH: Phạm Việt Tú 48 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
– Thông số hộp giảm tốc:JG = 0,19 kg/m2
– Hiệu suất hộp giảm tốc 96%, tỷ số 1:10
– Lực kéo băng tải: F = 2 (N)
– Vận tốc băng tải (mong muốn): v = 0,1 m/s
– Gia tốc: g = 9,8 m/s2
– Khối lượng tải: m = 0,05 Kg
– Khối lượng của dây Belt: 0,6 Kg
– Trọng lượng: F= W= 1 Kg – Tốc độ động cơ: 7600 rpm – Ma sát trên trục động cơ: Mms= 10 N.m – Hệ số ma sát : µ=0.15 – Hệ số ma sát pully: η1=0.95 – Hệ số ma sát hộp giảm tốc: η2=0.9
Tốc độ vòng quay pully: N1= tốc độ gói hàng/ D.π = 0,1/0,025.π = 1,27 rpm (D là đường kính pully: 2,5cm = 0,025 m)
Tốc độ vòng quay hộp số: N2 = tốc độ gói hàng/ D.π = 0,1/0,01.π = 3,18 rpm (D là đường kính pully: 1cm = 0,01 m)
Tỉ số truyền động cơ = N1/N2 = 1,27/3,18 = 0,4
Momen đầu pully: T1=(µ x W x D/2)/η1= (0,15.1.(0,025/2))/0,95= 0,0019 Momen đầu hộp số: T2=(T1 x tỉ số truyền) x η2= 0,0019.0,4.0,9= 0,000684 - Drum: Đường kính D= 21mm → R= 10,5mm= 0,0105m
- Tính tốc độ quay của động cơ: ω= (2π.n1)/60
v = ω . R <=> n1= 90,94 rpm
i= 10/1 = n1/n2 → n2 = 9,094 (rpm) Moment trên tải quy đổi:
ML= m.g.R = 0,2.9,8.0,0105 = 0,02 (N.m) Chuyển qua Gearbox:
SVTH: Phạm Việt Tú 49 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
Moment quán tính quy đổi về trục động cơ Mđc= Mhgt + Mms = 0,002 + 10 = 10,002 N.m
4.2.2 Tính tốn xi lanh
Lực kẹp của xi lanh gắp
Ta có: Lực kẹp(N)= Áp suất (N/cm2) * Diện tích làm việc của xy lanh(cm2) Áp suất đâu vào: 4bar = 40N/cm2
Diện tích làm việc của xy lanh khoảng 1.5 cm2 → N = 40*1.5 = 60N
Lực đẩy xi lanh trục đứng và xi lanh trục ngang
Đường kính xi lanh: D = 1cm Đường kính cần xi lanh: d = 0.6cm Áp suất: P = 4 bar = 4,08 kgf/cm2 Vận tốc xi lanh: 6cm/s = 3.6m/phút Ta có cơng thức: Ftiến = p*(π/4)*D2 = 4,08*(π/4)*12 = 3.2 kg/cm2 Flùi = p*(π/4)*(D2-d2) = 4,08*(π/40)*(12-0,62) = 2,05 kg/cm2 Ta có cơng thức: D=Sqrt(m*4)/(P* π) → m=3.2kg
Ta có tải trọng xi lanh trục ngang có thể đẩy là 3.2kg
→ Tải trọng xi lanh trục đứng = 3.2 – (Khối lượng xi lanh ngang) = 3.2-0.2= 3kg. Vậy cánh tay có thể gắp vật có khối lượng < 3kg, đường kính hay chiều ngang vật ~2cm.
Ngồi việc tính tồn bằng cơng thức ta có thể dựa vào biểu đồ của các hãng để lựa chọn nhanh các thông số
SVTH: Phạm Việt Tú 50 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
Ở đây ta chọn hệ số điều kiện làm việc theo Fig.2: η = 0.5 hoặc bé hơn
Theo biểu đồ ta chọn Load factor (Hệ số làm việc) η = 0.5 hoặc bé hơn Operating pressure (áp suất) P = 0.4 Mpa
Bore size (đường kính xi lanh) D = ~15mm Ta có được khối lượng tối đa của xi lanh là < 5kg * Moment xi lanh xoay
I = (π * D4) / 64 = (π * 14) / 64 = 0.05
HÌNH 4. 23 Hệ số làm việc theo từng trường hợp
SVTH: Phạm Việt Tú 51 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
Cánh tay robot có thể nâng vật nặng >3kg với điều kiện vật nhám để cánh tay dễ dàng cầm nắm.
4.3 Thiết kế mơ hình
Mơ hình gồm 9 khối chính bao gồm khối tiếp nhận tín hiệu, khối xử lý trung tâm, khối thực thi tín hiệu, khối nguồn 24V, khối nguồn 12V và nguồn khí:
Khối nguồn 24V là nguồn tổ ong, giúp biến đổi điện áp 220V về 24V để cung cấp nguồn nuôi cho van điện từ, cảm biến và PLC
Khối nguồn 12V chỉ bao gồm 2 bình ắc quy 6V đấu nối tiếp để lấy điện áp 12V cung cấp cho bơm điện
Khối tiếp nhận tín hiệu bao gồm các cảm biến mức cao và mức thấp, các cảm biến này sẽ nhận biết vật khi vật đi vào tầm quét của cảm biến và báo hiệu về cho PLC
Khối xử lý trung tâm là PLC, các cảm biến khi có tín hiệu (cảm biến thấp phát hiện vật 6-8cm; cảm biến cao phát hiện vật >9cm) sẽ truyền về PLC, tùy theo cảm biến sẽ báo tín hiệu vào 1 ngõ ra khác nhau, từ đó PLC sẽ xử lý ngõ ra theo chương trình đã được lập trình sẵn.
Khối thực thi tín hiệu bao gồm băng chuyền, van điện từ và xy lanh. Khi có tín hiệu từ PLC gửi tới băng chuyền sẽ dừng hoặc tắt, van điện từ sẽ điều khiển cánh tay. Ví dụ khi cảm biến mức cao phát hiện vật, cảm biến mức cao sẽ báo tín hiệu về PLC thơng qua ngõ vào X003, PLC sẽ điều khiển băng chuyền dừng lại để vật đứng im cho cánh tay gắp, cánh tay sẽ đưa vật tới giá đỡ sản phẩm đã được phân loại. Khi vật không đủ chiều cao để cảm biến cao phát hiện, băng chuyền sẽ đưa vật về sau nơi có cảm biến mức thấp, nếu cảm biến mức thấp phát hiện vật thì chu trình sẽ tương tự khi cảm biến cao phát hiện vật, chỉ khác là cánh tay sẽ hoạt động theo 1 chu trình khác để đưa vật tới vị trí phân loại khác.
Cấp nguồn cho các linh kiện, vật được đặt ở vị trí Entry
Khi nhấn nút Start băng chuyền hoạt động, vật lần lượt đi qua cảm biến hồng ngoại phát hiện chiều cao để phân loại.
Khi đi qua cảm biến hồng ngoại A, cảm biến nhận được tín hiệu phát hiện vật sẽ truyền thông tin đến trung tâm điều khiển làm cho băng chuyền dừng và mở van khí
SVTH: Phạm Việt Tú 52 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
nén cho hoạt động xylanh 2 ty SMC đến vị trí cảm biến A, sau đó mở van cho xylanh kẹp giữ vật, xylanh xoay 180 độ đồng thời thu xylanh 2 ty lại, xoay đến vị trí Exit A, xylanh 2 ty đẩy ra, xylanh kẹp thả vật và thu xylanh 2 ty lại, xylanh xoay lại vị trí ban đầu. Băng truyền tiếp tục hoạt động.
Khi cảm biến A không phát hiện được vật, vật tiếp tục được băng chuyền đưa đến cảm biến hồng ngoại B, và các xylanh hoạt động tương tự khi phát hiện vật ở A, nhưng vật được đưa đến vị trí Exit B.
Khi cảm biến B không phát hiện được vật, vật tiếp tục được băng chuyền đưa đến vị trí loại bỏ vì khơng đạt yêu cầu.
Ngoài ra, nếu băng chuyền hoạt động hơn 30s mà khơng có vật ở trên đó ( nghĩa vật khơng được phát hiện ở cảm biến A và B ), sẽ làm băng truyền ngừng lại. Để hoạt động lại nhấn On BT, dây chuyền sẽ tiếp tục hoạt động.
Nhấn Stop để kết thúc. HÌNH 4. 25 Mô tả Entry Xylanh kẹp Exit A CB B Exit B Loại bỏ Xylanh 2 ty Xylanh xoay CB A
SVTH: Phạm Việt Tú 53 Hồ Ngọc Cao Trần Minh Quang 4.3.1 Sơ đồ khối HÌNH 4. 26 Sơ đồ khối 4.3.1.1 Khối nguồn 24V
Nếu ví một mơ hình là một con người thì nguồn điện chính là con tim của máy móc, nguồn cung cấp điện áp cho tồn bộ mạch điện hoạt động. Nếu nguồn quá lớn thì mạch điện sẽ bị hư hỏng, cịn nếu nguồn q nhỏ thì sẽ khơng thể cung cấp đủ sức cho mạch hoạt động. Do trong đề tài chủ yếu sử dụng các linh kiện có điện áp hoạt động là 24VDC nên khối nguốn được sử sụng là bộ chuyển đổi điện áp từ 220VAC về 24VDC.
4.3.1.2 Khối xử lý trung tâm
Khối xử lý trung tâm chỉ bao gồm 1 PLC Fx1s, tuy nhiên lại là nơi quan trọng nhất nhì trong mạch. Khối này chính là bộ não của tồn mạch, nơi nhận tín hiệu từ khối
KHỐI TIẾP NHẬN TÍN HIỆU KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM KHỐI THỰC THI TÍN HIỆU VAN ĐIỆN TỪ XY LANH BĂNG CHUYỀN KHỐI NGUỒN 24V KHỐI NGUỒN 12V NGUỒN KHÍ
SVTH: Phạm Việt Tú 54 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
tín hiệu để xử lý, sau khi xử lý xong thì truyền tín hiệu đi để điều khiển khối thực thi.
Khi nguồn điện 220VAC được truyền vào 2 đầu L và N của bộ chuyển đổi điện áp sẽ cho ra nguồn 24VDC. Từ chân +24VDC của bộ chuyển đổi sẽ được nối với chân + của PLC, tương tự chân -24VDC sẽ được nối với chân – của PLC. Sau khi có đủ nguồn, đèn power trên PLC sẽ phát sáng báo hiệu PLC đã hoạt động.
HÌNH 4. 27 Cấp nguồn cho khối xử lý trung tâm
Đối với các thiết bị điện tử sử dụng Input và Output dạng Logic thì đều cần phải quan tâm đến Sink và Source (trừ những thiết bị chỉ mặc định 1 trong 2 loại). Các thiết bị trong cùng hệ thống phải sử dụng Logic giống nhau mới có thể giao tiếp với nhau trực tiếp. Sink hay Source là khái niệm liên quan đến chiều đi của dòng điện vào/ra các chân Input/Output của thiết bị.
❖ Dịng điện ln đi từ cực dương về cực âm, theo nguyên tắc này với sơ đồ Sink Input, dòng điện đi vào chân S/S và ra khỏi chân X, thiết bị nối về phải có đầu ra âm (ví dụ cảm biến NPN). Ngược lại, với sơ đồ Source Input, dòng điện đi vào chân X và ra khỏi chân S/S (ví dụ cảm biến PNP).
SVTH: Phạm Việt Tú 55 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
❖ Với PLC loại Sink Output, dòng điện đi vào chân Y và ra ở chân COM, với PLC loại Source Output, dòng điện đi vào ở chân +V và ra ở chân Y
Do sử dụng kiểu Sink Input nên chân S/S của PLC được nối với nguồn dương 24V, các chân X của PLC lúc này sẽ xuất ra tín hiệu -24V.
4.3.1.3 Khối tiếp nhận tín hiệu
Bao gồm 2 cảm biến hồng ngoại E3F-DS30C4 dạng NPN và các nút nhấn điều khiển tín hiệu. Cảm biến đóng vai trị như mắt của mơ hình, nó sẽ phát hiện vật cản để báo về cho bộ xử lý trung tâm. Các nút nhấn dùng để điều khiển bằng tay hoạt động của mạch, có thể chạy, tạm dừng theo ý của người điều khiển.
HÌNH 4. 28 Đấu nối đầu vào
Các nút nhấn Start, Stop, ON băng chuyền được đấu nối vào các chân X000, X001, X002. Cảm biến NPN E3F-DS30C4 có 3 dây, dây màu nâu và dây màu xanh được đấu lần lượt vào nguồn +24VDC và -24VDC để lấy nguồn cho cảm biến, dây màu đen còn lại được nối vào chân X003 và X004 để PLC có thể nhận tín hiệu truyền về từ cảm biến.
4.3.1.4 Khối thực thi
Khối này giống như tay chân của máy móc, sau khi tín hiệu được tiếp nhận và xử lý, khối xử lý trung tâm sẽ xuất tín hiệu điều khiển khối thực thi theo như chương
SVTH: Phạm Việt Tú 56 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
trình đã được lập trình sẵn. Khối thực thi bao gồm băng tải và xy lanh và đèn báo hoạt động.
HÌNH 4. 29 Đấu nối đầu ra
Các chân COM của OUTPUT PLC được cấp nguồn -24V từ nguồn tổ ong. Khi đó các chân Y sẽ được thơng với chân COM và xuất ra tín hiệu -24V. Một chân của động cơ băng tải được đấu vào nguồn điện, chân còn lại đấu vào chân Y1 của PLC để nhận tín hiệu, đèn báo hoạt động của mạch lấy tín hiệu từ chân Y0. Tương tự với bốn cuộn coil của van điện từ, lần lượt chân âm được đấu nối với các chân Y2, Y3, Y4, Y5 của PLC để nhận tín hiệu, chân dương được đấu nối với nguồn điện dương.
4.3.1.5 Van điện từ và cánh tay robot xy lanh 4.3.1.5.1 Thiết kế cánh tay robot xy lanh 4.3.1.5.1 Thiết kế cánh tay robot xy lanh
4.3.1.5.1a Đế xoay của cánh tay
Đế của cánh tay được sử dụng xy lanh xoay của SMC, có góc quay tới 180 độ, là phần cơ cấu vững chắc nhất để có thể đỡ tồn bộ cánh tay.
SVTH: Phạm Việt Tú 57 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
Phần đế có chiều dài 15,5cm (18,5cm nếu tính cả van tiết lưu), chiều rộng 7cm và chiều cao 3,3cm (6,3cm nếu tính cả trục xoay). Ống dẫn khí vào có đường kính 6mm. Đây là bộ phận giúp cánh tay xoay trái, xoay phải.
4.3.1.5.1b Trục đứng và trục ngang của cánh tay
Hai phần này sử dụng 1 loại xy lanh giống nhau, giúp cánh tay dễ dàng di chuyển lên xuống hay ra xa, lại gần. Xy lanh có chiều dài 13cm (có thể kéo dài lên tới 19cm khi được bơm khí), chiều rộng 4,7cm (7cm nếu tính cả van tiết lưu) và chiều cao 1,6cm. Ống dẫn khí vào có đường kính 4mm và có 2 piston đẩy.
HÌNH 4. 30 Đế của cánh tay
SVTH: Phạm Việt Tú 58 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
4.3.1.5.1c Bàn tay gắp vật của cánh tay
Là phần dùng để gắp và thả vật. Sử dụng xy lanh SMC có hành trình mở tới 180 độ nên có thể dễ dàng giữ vật. Chiều dài 7cm (9cm nếu tính cả thanh gắp), chiều rộng 3,3cm (6cm nếu tính cả van tiêt lưu), chiều cao 2cm. Đường kính ống dẫn khí 4mm. Thanh gắp của bàn tay có chiều dài 4cm, 2 thanh gắp cách nhau 2,6cm và lên tới 8cm khi đã tối đa hành trình.
4.3.1.5.1d Hồn thiện cánh tay
HÌNH 4. 32 Tay gắp vật
SVTH: Phạm Việt Tú 59 Hồ Ngọc Cao
Trần Minh Quang
Các xy lanh được liên kết với nhau bằng các linh kiện hỗ trợ. Sau khi hoàn thành cánh tay có chiều cao 24cm và lên tới 30cm khi đạt chiều cao tối đa, bàn kính tầm với của cánh tay khi bình thường là 23cm và tối đa là 29cm và có thể xoay 180 độ, linh hoạt di chuyển vật từ vị trí băng chuyền tới vị trí phân loại.
4.3.1.5.2 Van điện từ và nguồn khí 4.3.1.5.2a Van điện từ 4.3.1.5.2a Van điện từ
Tất cả các xy lanh đều được điều khiển bằng cụm 5 van điện từ 5/2
Cụm 5 van điện từ có thể điều khiển cùng lúc 5 xi lanh khác nhau mà chỉ cần 1 nguồn dẫn khí vào van. Điện áp các van sử dụng là nguồn 24VDC có thể lấy thơng qua bộ chuyển đổi điện áp. 5 cặp van này có ống dẫn khí ra đường kính 4mm được nối trực tiếp với xy lanh gắp, xy lanh trục đứng và xy lanh trục ngang thơng qua ống dẫn khí 6mm. Do ống nhận khí của xy lanh đế xoay có đường kính 6mm nên