Ta có: P1 = P.Sin P2 = P.Cos
Khi cơ cấu có bốn chân thì P = P0 /4
Hình 2.16 : Quan hệ phụ thuộc giữa thành phần lực P1, P2 và góc nghiêng
P0
30
Như vậy, khi có một nam châm trong cơ cấu thì nên chọn lớn trong trường hợp này cơng suất để tạo ra lực kéo yêu cầu là thấp nhất.
Đường kính của phễu cũng phụ thuộc vào số nam châm điện trong cơ cấu. Khi đường kính phễu tăng thì độ cứng vững của đáy phễu giảm bởi vì khối lượng của đáy và thành phễu tăng khơng tỷ lệ với nhau, cịn độ cứng vững khơng đủ của đáy phễu có thể làm cho nó dao động như một cái máng và biên độ của dao động xoắn có thể rất nhỏ và khơng có khả năng làm cho phôi chuyển động theo bề mặt.
b. Khi có bốn nam châm điện
Hình 2.17 : Sơ đồ tác dụng lực khi có ba nam châm điện
Các nam châm điện được gá đối diện với các chân và chúng tác dụng lên phễu ở các vị trí có độ cứng vững cao nhất, có nghĩa là theo chu vi ngồi của phễu.
Khi có bốn nam châm điện trong cơ cấu thì lực kéo P do một nam châm điện tạo ra sẽ tác dụng lên một chân theo phương có độ cứng vững thấp nhất.
Các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: cơ cấu có một nam châm điện được dùng trong cơ cấu cấp phơi rung động với phễu nhỏ (đường kính < 0,4m) để cấp phơi nhỏ và nhẹ, còn cơ cấu có bốn nam châm điện được dùng trong cơ cấu cấp phôi rung động với phễu lớn (đường kính > 0,3÷1m) để cấp phơi có kích thước trung bình và lớn bởi vì bốn nam châm có khả năng tạo ra lực kéo lớn.
Vì vậy, đối với chi tiết được tính tốn thiết kế trong đề tài, thì ở đây sẽ sử dụng một nam châm điện từ đặt tại đường tâm phễu.
31
2.6.2 Cơ cấu rung điện từ
Cơ cấu rung điện từ cần được xem như hệ dao động cơ điện thuần nhất, nơi mà điện năng chuyển thành cơ năng dao động. Sự thay đổi độ cứng vững của các chân, khối lượng của các phần di động, trạng thái vật lý của vật liệu chi tiết và các yếu tố khác sẽ làm cho biên độ dao động của cơ cấu thay đổi, vì vậy để có được các quy luật chuyển động cần thiết của máng chứa trong cơ cấu cấp phôi rung động người ta sử dụng các loại cơ cấu rung điện từ và các sơ đồ cấp điện khác nhau.Theo nguyên tắc hoạt động thì các cơ cấu rung điện từ được chia ra làm hai loại:
Cơ cấu rung điện từ một nhịp (một nam châm điện)
Cơ cấu rung điện từ hai nhịp (hai nam châm điện)
2.6.2.1 Cơ cấu rung điện từ một nhịp
Hình 2.18 Cơ cấu rung điện từ một nhịp
Cơ cấu rung điện từ một nhịp cấu tạo gồm một nam châm điện, trong đó xuất hiện lực một hướng. Hành trình ngược lại của phần ứng (của nam châm điện) được thực hiện nhờ năng lực đàn hồi được tích tụ ở các chân khi thực hiện hành trình thuận. Như vậy, trong cơ cấu rung điện từ một nhịp nhờ có tác dụng một phía của lực kéo đã xuất hiện tải trọng bổ sung ở các phần tử đàn hồi của cơ cấu.
Khi cấp dịng điện xoay chiều có tần số 50Hz cho cuộn dây trong mỗi nữa chu kỳ chuyển động của dòng điện sức kéo của phần ứng đạt giá trị cực đại, còn khi giảm dòng điện độ nén đàn hồi của thép lá trở về vị trí ban đầu. Như vậy, tần số dao động của máng chứa so với tần số cấp điện tăng lên hai lần.
P(t)
32
2.6.2.2 Cơ cấu rung điện từ hai nhịp
Có cấu tạo gồm 2 nam châm điện và các phần ứng của chúng được nối cứng với nhau
Hình 2.20 Cơ cấu rung điện từ hai nhịp
Với kết cấu như vậy lực kéo nam châm điện tác dụng ở hai phía đối xứng và khơng gây ra tải trọng bổ sung cho hệ thống đàn hồi.
Cơ cấu rung điện từ hai nhịp là cơ cấu hồn thiện bởi vì chúng đảm bảo sự đối xứng của đường cong thay đổi dòng điện, loại bỏ khả năng xuất hiện sai số, đảm bảo độ ổn định của cơ cấu và nâng cao cơng suất hoạt động.
2.6.2.3 Tính nam châm điện
Trong phễu cấp phôi rung động, dẫn động của các cơ cấu cấp phơi kiểu này có thể là các đầu rung điện từ, cơ khí, khí nén hoặc thủy lực. Thơng dụng nhất là đầu rung điện từ vì chúng cho phép điều chỉnh vơ cấp năng suất cấp phơi. Vì vậy trong phần tính dẫn động cho phễu ta sẽ tính tốn dẫn động bằng nam châm điện xoay chiều, có tần số là 50 (Hz) tương ứng với 3000 (dao động /phút). Lực kích động ban đầu là H = 320 (N).
Lực kéo của nam châm điện P0 = 320 (N). Hiệu điện thế U=220 (V). Cảm ứng điện từ B=10000 Gaus (1 Gaus = 10- 4Tecla). Vật liệu của phần cảm là thép 1(A).
Lực kéo P0 của nam châm điện khi cấp dịng điện hình sin cho cuộn dây được viết bằng biểu thức: P0 = H.sinωt
Với: H – lực kích ban đầu. → P0max = 320 (N)
Hình 2.21 Nam châm điện
33 Tiết diện của phần cảm:
2 2 0 5000 5000 320 12,5 . 0,8.10000 c S P cm K B Trong đó:
P0 (P0=320N): lực kéo trung bình do nam châm điện sinh ra (N)
B(B=10000): cảm ứng từ lớn nhất trong thép (T- tecla)
K(K=0,8): hệ số phân tán cảm ứng từ trong khe hở
Chiều dày của phần cảm trung tâm
Sc lc.b Chọn: lc = 3,2 (cm) => 12,5 4 3, 2 c c S b cm l Trong đó:
b: chiều dày của thanh
lc: bề rộng của phần cảm trung tâm
Bề rộng của phần cảm ngoài 3, 2 1,6 2 2 c l c cm Bề rộng cửa sổ: n = lc=3,2 (cm)
Chiều cao của phần cảm:
h = (2,5-3)n = 8 9,6 (cm)
Chiều cao của thép
lb h c= 8+1,6 = 9,6 cm
Bề rộng khuôn khổ của thép
2 2 3, 2 2.1, 6 2.3, 2 12,8
34 0
Theo kích thước hình học của thép có thể xác định số Ampe - vịng được cuốn vòng phần cửa sổ:
A h.n.102..K 8.3,2.100.2.0,3 = 1536 Trong đó:
2(A/cm)
K0: Hệ số điền đầy của dây đồng (K0= 0.25 0.3) Số vòng cần thiết là: 8 8 0 10 10 .220 793 4, 44. . . c 4, 44.50.10000.12,5 U f B S vịng
Trong đó: f0 = 50 (Hz): tần số của dòng điện Tiết diện của dây:
2 2 2 . .0,35.10 8.3, 2.0,35.10 1,13 793 h n Sd mm Đường kính dây: 4. 4.1,13 1, 2 d S d mm
Dòng điện của cuộn dây
1536 1,94( ) 793 A I A Số vòng ở hàng thứ nhất 0,9. 0,9.28 21 1, 2 K B n vòng K d Trong đó:
nk: bề rộng của cuộn dây. Chọn nk = 28 (mm)
35
a
Số hàng trong cuộn dây:
0,8. 0,8.70 46 1, 2 k hàng h m d Trong đó:
hk: chiều cao của cuộn dây(mm). Chọn hk = 70 (mm)
0.8: hệ số tính đến lớp cách điện giữa các hàng trong cuộn dây Số vòng trong cuộn dây:
k KB .m 21.46 = 966 (vịng)
Cơng suất sinh ra nhiệt Pa được tính theo cơng thức:
P UI cos Ra .I 2 Trong đó:
cos: hệ số cơng suất.
Ra : điện trở của cuộn dây, được tính như sau:
0 . a d p l R S
Với : điện trở riêng của đồng : 0, 0175 W.mm2
m
l0: chiều dài của một vòng ở giữa cuộn dây.
l0 = (7+7).2 = 28 (cm) = 0,28 (m) 0 . . 0,0175 ) .0, 28.793 3,7 1, 2 ( a d l R S => Pa U I c. . os =R .I =3,7.1,94 a 2 2 13,9(W)
2.6.3 Cơ cấu giảm chấn
Khi làm việc, cơ cấu cấp phơi rung động truyền lực kích thích lên máy làm cho máy bị rung động gây hậu quả xấu đến chất lượng gia cơng. Vì vậy, sử dụng cơ cấu cấp phơi rung động đòi hỏi phải có cơ cấu giảm rung.
36
Để giảm rung động người ta thường dùng các đế tỳ đàn hồi hay còn gọi là các cơ cấu giảm chấn. Cơ cấu giảm chấn có thể là lị xo, đệm cao su, chúng có khả năng giảm rung động, tạo điều kiện cho máy làm việc ổn định hơn.
Cơ cấu giảm chấn cao su thường được lắp giữa hai tấm đệm bằng thép.
Hình 2.22 Cơ cấu giảm chấn bằng cao su
Cơ cấu giảm chấn bằng lị xo:
Hình 2.23: Cơ cấu giảm chấn bằng lị xo
Giảm chấn bằng lị xo có ưu điểm là có thể điều chỉnh độ cứng vững do đó có thể đạt được tần số dao động riêng theo yêu cầu. Ngoài ra, giảm chấn lị xo cịn giữ được tính đàn hồi lâu hơn giảm chấn cao su. Tuy nhiên, trong thực tế người ta sử dụng giảm chấn cao su nhiều hơn bởi vì chúng có khả năng chống rung tốt hơn, kết cấu đơn giản dễ chế tạo hơn.Trong quá trình làm viêc, cơ cấu giảm chấn hoạt động tốt chỉ khi tỷ số 1, 41
a
. Nếu tỉ số a 1, 41
thì hiệu quả giảm chấn khơng cao.
Trong đó:
: tần số dao động cưỡng bức( =314rad/s) a : tần số dao động riêng của cơ cấu giảm chấn
Vậy để cơ cấu giảm chấn hoạt động tốt thì 314 222,7( / ) 1, 41
a rad s
37 Xác định đường kính của giảm chấn cao su: - Độ cứng của giảm chấn: 2 2 . 78. 222, 7 1290000 / 1290( / ) 3 a m C N m N mm n (1) Mặt khác: 4 3 3 3. . 3. . . 64. E J E D C h h (2) Từ (1) và (2) ta có: 3 3 41290.64. 41290.64.30 44( ) 3 . 3 .60 h D mm E Trong đó:
a: tần số dao động riêng của cơ cấu giảm chấn ( a =222.7 rad/s)
m: tổng khối lượng của cả cơ cấu rung (m =78 kg)
h: chiều cao của cơ cấu giảm chấn (h=30 mm)
n: số lượng giảm chấn (n=3)
E: môđun đàn hồi vật liệu cao su (E=60 N/mm2)
J: mơmen qn tính tiết diện trịn (
4 . 64 D J )
38
2.6.4 MƠ HÌNH 3D PHỄU RUNG
39
CHƯƠNG 3 – THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1. KHÁI QUÁT VỀ PLC
3.1.1 Lịch sử hình thành.
Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loại máy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình, do nhà phát minh người Mỹ Richard Morley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968. Dựa trên yêu cầu kỹ thuật của General Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thế cho mạch điều khiển logic cứng, công ty Allen Bradley và Bedford Associate (Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên. Trước đây thiết bị này thường được gọi với cái tên Programmable Controller, viết tắt là PC, sau này khi máy tính cá nhân PC (Personal Computer) trở nên phổ biến từ viết tắt PLC hay được dùng hơn để tránh nhầm lẫn.
3.1.2 Các loại PLC thông dụng.
Bảng 3. 1 Một số loại PLC thông dụng.
Hãng Siemens
S7 – 200: CPU 212, CPU 214, CPU 222, CPU 224… S7 – 300: CPU 313, CPU 314, CPU 315…
S7 – 400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416… S7 – 1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C…
Hãng Omron Dòng CPM1A, CPM2A, CPM2C Dòng CQM1 Dòng CP1E Dòng CP1L Dòng CP1H Dòng CJ1/M Hãng Mitsubishi Dòng FX: FX1N, FX1S, FX2N, FX3G…
Dòng A PLC: A large CPU, QnAS CPU, AnS CPU Dòng Q PLC
40 Hãng Delta Dòng DVP – SA Dòng DVP – SC Dòng DVP – SX Dòng DVP – SV Dòng DVP – ES 3.1.3 Ngơn ngữ lập trình.
Các ngơn ngữ lập trình PLC được quy định trong chuẩn IEC 61131 – 3 gồm: Ngơn ngữ lập trình cơ bản:
- Instruction List (IL): dạng hợp ngữ. - Structured Text (ST): giống Pascal. Các ngôn ngữ đồ họa:
- Ladder Diagram (LD): giống mạch rơ le.
- Function Block Diagram (FBD): giống mạch nguyên lý.
- Sequential Function Charts (SFC): xuất xứ từ mạng Petri/Grafcet.
3.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC.
Cấu trúc.
41
Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạt động của toàn hệ thống. Các kênh truyền (các BUS): bus dữ liệu (thường là 8 bit), đường dẫn các thông tin dữ liệu, mỗi dây truyền 1 bit dạng số nhị phân. Bus địa chỉ (thường là 8 hoặc 16 bit), tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ. Bus điều khiển, truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến các bộ phận. Bus hệ thống, trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất và thiết bị nhập xuất.
Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phần chức năng khác từ một nguồn xoay chiều (110, 220V…) hoặc nguồn một chiều (12, 24V…).
Các thành phần vào/ra: đóng vai trị là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật. Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bị ngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU.
Đầu vào số (DI: Digital Input): các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, cơng tắc, cảm biến tạo tín hiệu nhị phân. Dải điện áp đầu vào có thể là 5 VDC, 12 – 24 VDC/VAC, 48 VDC, 100 – 120 VAC, 200 – 240 VAC…
Đầu vào tương tự (AI: Analog Input): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số. Các ngõ vào của khối này thường được kết nối với các bộ
chuyển đổi tạo ra tín hiệu analog như cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, hay ngõ ra analog của biến tần. Các chuẩn tín hiệu tương tự thường gặp là 4 – 20mA, 0 – 5V, 0 – 10V.
Đầu ra tương tự (AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số được gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu tương tự. Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu tương tự như ngõ vào analog của biến tần, van điện từ…
Đầu ra số (DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộn hút Relay… Có 3 loại đầu ra số là dạng Trans (1 chiều), Triac (xoay chiều) và Relay với các dải điện áp 5 VDC, 24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC.
Phương thức thực hiện chương trình.
PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vịng lặp được gọi là vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo ngõ vào, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình.
Trong từng vịng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên cho đến lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo ngõ ra tới các cổng ra số. Vịng qt được kết thúc bằng giai đoạn truyền thơng nội bộ và kiểm tra lỗi. Thời gian cần thiết để PLC thực hiện được một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (scan time). Thời gian vòng quét khơng cố định, tức là khơng phải vịng qt nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vịng qt thực hiện lâu, có vịng qt thực hiện nhanh tùy thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện và khối lượng dữ liệu truyền thơng… trong vịng qt đó.
42
3.1.5 Ứng dụng PLC.
- Điều khiển các dây truyền đóng gói bao bì, tự động mạ tráng kẽm, sản xuất bia, sản xuất xi măng…
- Hệ thống rửa ô tô tự động. - Điều khiển thang máy.
- Điều khiển máy sấy, máy ép nhựa…
3.2. LỰA CHỌN LOẠI PLC S7-1200 3.2.1 Cấu trúc. 3.2.1 Cấu trúc.
S7 – 1200 là một dịng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể kiểm sốt nhiều ứng dụng tự động hóa. Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và một tập lệnh mạnh làm cho chúng ta có những giải pháp hồn hảo hơn cho ứng dụng sử dụng với S7 – 1200.