3.2.1.1. Tính chọn tay kẹp
- Ta lựa chọn tay kẹp khí nén 2 ngón kẹp phơi để cố định phơi trong q trình
vận chuyển ra vị trí lưu trữ. Từ u cầu về thơng số hình dạng, kích thước và khối lượng của phôi đã được nêu ra ở chương trước, ta dựa vào đó tính các thơng số cần thiết để làm tay kẹp.
- Lực tác dụng vào phơi trong q trình 2 cơ cấu dẫn hướng vận chuyển được biểu diễn sơ bộ như sau:
Điều kiện để phôi đứng yên so với tay kẹp trong quá trình tây kẹp tịnh tiến là: mg = 2μF0 (3.1) Trong đó m = 6g là khối lượng của phơi;
g = 9,81 (m/s^2) là gia tốc rơi tự do;
F0 là lực kẹp tối thiểu cần thiết mà tay kẹp tác dụng lên phôi; μ = 0,2 là hệ số ma sát;
Từ công thức (3.1) ta suy ra lực kẹp F0 = mg2μ = 0,006.9,812.0,2 = 0,14715 (N)
- Loại tay kẹp cần chọn cần phải có lực kẹp thỏa mãn yêu cầu F ≥ F0 để đảm bảo phôi được cố định trên tay kẹp khi vận chuyển. Như vậy ta lựa chọn tay kẹp với seri MHZJ2-16D-M9BVL loại kẹp song song với nắp đậy bịt đầu bụi, có lực kẹp F = 40 N. Khối lượng tay kẹp là m = 130 g
Thông số cụ thể của bộ kẹp được đưa ra dưới bảng sau đây:
Hình 33 Sơ đồ lực tác dụng vào phơi
Ngồi ra, do bề mặt kẹp của phơi có dạng hình trục trịn, do đo ta thiết kế thêm các ngón kẹp cho tay kẹp để đảm bảo bám dính phơi. Khi phơi được kẹp vào tay gắp, ta tích hợp thêm cảm biến quang để nhận dạng màu sắc của phôi.
3.2.1.2. Tính chọn xilanh khí nén nâng hạ
- Xilanh khí nén được sử dụng để nâng cụm phôi + tay kẹp lên xuống theo trục Z
một cách linh hoạt trong quá trình hoạt động của hệ thống. Trong đó ta cần có một miếng đệm kim loại làm khớp nối trung gian nối giữa cần đẩy piston khí nén.
- Sơ đồ động học trong quá trình nâng:
Hình 36 Sơ đồ lực tác trong q trình nâng
Điều kiện để nâng được phơi:
F ≥ P (3.2) Trong đó F là lực nâng của xilanh
P là trọng lượng của cụm cần nâng
Ta có P = Pphơi + Ptay kẹp + Pkhớp = 9,81. (0,006 + 0,13 + 0,364) = 4,905 (N) Từ (3.2) => p. A ≥ P <=> p.3,14.d4 2 ≥ P => d ≥ √ 4P
3,14p
Trong đó: d là đường kính piston
p là áp suất của xilanh. Chọn p = 2.105 (N/m) Thay số ta được d ≥ √ 4.4,905
3,14.2.105 = 0,0056 m = 5,6 mm
Như vậy ở đây ta chọn xilan khí nén có đường kính piston d = 18 mm và hành trình là 80 mm có seri là DZF-18-80-A-P-A với thơng số được cho dưới đây:
Ta tính được khối lượng xilanh nâng hạ lớn nhất khi piston đi hết hành trình:
mxilanh nânghạ= 107 + 24 + 8. ( 13 + 4) = 267 (g)
3.2.1.3. Tính chọn xilanh khơng trục
- Phơi được vận chuyển dọc trục X tới vị trí lưu trữ nhờ cơ cấu xilanh khơng trục
có cơ cấu dẫn hướng là con trượt. Ở đây nhóm chúng em đề xuất chọn xilanh khơng trục dịng MY1M
Quy trình lựa chọn và kiểm định xilanh không trượt được mô tả như sau:
Ở đây nhóm chúng em đề xuất lựa chọn xilanh không trục với seri MY1M16- 600AL-M9BL3. Như vậy ta cần kiểm nghiệm các thông số của xilanh này với yêu cầu đảm bảo hệ số tải.
- Hệ số tải được xác định theo công thức sau:
Điều kiện để cơ cấu đạt yêu cầu an toàn là ≤ 1. Hệ số tải được chia làm thành phần về hệ số tải khối lượng, hệ số tải momen tĩnh và hệ số tải momen động. Q trình tính chọn chính là tiến hành các thành phần này với những thơng số đã có.
Với series MY1M, các thông số cho phép về khối lượng tải và momen tĩnh dựa theo kích thước được biễu diễn ở bảng dưới đây:
Lực tác động tĩnh và momen tĩnh được sinh ra trong quá trình con trượt dẫn hướng của xilanh khơng trục chuyển động. Công thức xác định lực tải tĩnh và các thành phần của momen tĩnh được thể hiện bởi hình dưới đây:
Trong đó: mn (kg) là tổng khối lượng của hệ g = 9,81 (m/s2) là gia tốc rơi tự do
νa là vận tốc trung bình của con trượt
Giá trị [ME] được xác định dựa vào độ lớn của νa, được biểu diễn bởi đồ thị sau đây:
Hình 40 Cơng thức tính độ lớn lực tải tĩnh và momen tĩnh Hình 39 Thông số cho phép về khối lượng tải và momen tĩnh của
- Ta có sơ đồ tĩnh học biểu diễn các thơng số đầu vào để kiểm định:
Vị trí và kích thước mỗi thành phần trong hệ được biểu diễn như sau:
Hình 41 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của [M] vào giái trị vận tốc con trượt
Ta có bảng sau:
Thành phần Khối lượng Vị trí khối tâm
Trục X Trục Y Trục Z Phôi 6 g 130 mm 195.3 mm 45.85 mm Xilanh kẹp 130 g 130 mm 143.15 mm 45.85 mm Khớp nối 364 g 130 mm 86 mm 45.85 mm Xilanh nâng 267 g 130 mm 0 45.85 mm Miếng đệm 310 g 130 mm 0 23.75 mm Con trượt 249 g 130 mm 0 7.5 mm
Chọn vận tốc xilanh trung bình để khảo sát là νa = 200 mm/s.
Từ các thông số ban đầu, ta tiến hành các bước tính chọn và kiểm định xilanh không trục.
- Xác định các thông số cho khối tâm G của hệ:
mG=mphôi+mkẹp+mkhớpnối+mxilanhnâng+mmiếngđệm+mcontrượt
= 0,006 + 0,13 + 0,364 + 0,267+ 0,249 + 0,785 = 1,326 (kg) xG = 1,3261 (1,528.0,13) = 0,13 m
yG = 1,3261 (0,006.0,1953 + 0,13.0,14315 + 0,364.0,086) = 0,036 m
zG = 1,3261 (0,04585. (0,006 + 0,13 + 0,364+0,267) + 0,249. 0,0075 + 0,310.0,02375) = 0,033 m - Tính tốn các hệ số tĩnh: +) Hệ số tải tĩnh: αm = mG [m3] = 1,3262,1 = 0,63 +) Hệ số momen tĩnh: αM2 = m[GM. z2]G = 1,326.0,0337 = 0,0063 αM3 = mG. xG [M3] = 1,326.0,131 = 0,172 - Tính tốn hệ số momen động: +) Lực tải động: FE = 1001,4 . νa .mG . g = 1001,4 . 100.1,326 . 9,81 = 18,2 (N) +) Các thành phần momen động: M3E = 13 . FE . yG = 13 . 18,2. 0,036 = 0,22 (N.m) M1E = 13 . FE. zG = 13 . 18,2. 0,036 = 0,2002 (N.m)
Với vận tốc trung bình νa = 100 mm/s, dựa vào đồ thị ở hình 3.8 ta xác định được
[M3E] = 1(N.m), [M1E] = 6 (N.m) Vậy các hệ số momen tĩnh sẽ là: αM1E = M1E [M1E] = 0,20026 = 0,03 αM3E = M3E [M3E] = 0,221 = 0,22 - Như vậy hệ số tải sẽ là:
= αm + αM + αM1E + αM3E = 0,22 + 0,03 + 0,0063 + 0,172 = 0,4283 < 1 Do đó việc ta chọn xilanh không trục với series MY1M16-600AL-M9BL3 làm cơ cấu dẫn hướng sẽ đảm bảo các yêu cầu về an toàn.
3.2.1.4. Xây dựng hệ thống khí nén trong Automation Studio
Với đối tượng điều khiển là xy 3 xy lanh đã được tính chọn dựa theo u cầu hệ thống nhóm thiết kế mạch khí nén như hình với 3 van điện từ điều khiển hệ thống. Xy lanh không trục tác động kép với 3 vị trí được điều khiển bằng van điện từ 5/3. Xy lanh nâng hạ và xy lanh tay kẹp được điều khiển bằng van điện từ 5/2. Ngoài ra mỗi xy lanh được gắn với 2 van tiết lưu nhằm điều chỉnh tốc độ của xy lanh. Ngoài ra, đối với xy lanh không trục nằm ngang cần thêm van Pilot Operation Check Valve nhằm giữa ổn định cho van khi xy lanh dừng ở vị trí giữa hành trình. Bộ lọc và bộ điểu chỉnh khí nhằm lọc bớt hơi nước và điều chỉnh áp suất hoạt động của hệ thống.
Hình 44 Pilot Operation check valve Hình 45 Kí hiệu bộ lọc và điều chỉnháp suất khí hệ thống
Automation Studio cung cấp đa dạng mơ hình của các phần tử thủy lực khí nén, ngồi ra cịn cung cấp các bộ Cataloge của các hãng có thể giúp các thiết kế được mơ phỏng chính xác, lựa chọn thiết bị, tính tốn được giá cả ngay từ qui trình thiết kế ban đầu.
Hình 46 Hệ thống khí nén
3.2.1.5. Mơ hình hóa, mơ phỏng các thành phần trong mạch khí nén của hệ thống
Các xy lanh khí nén
Các mơ hình xy lanh khí nén được Automation Studio xây dựng dưới dạng các phần tử đa dạng từ các xy lanh không trục đến xy lanh hai trục, các xy lanh tác
dụng đơn tác dụng kép… Việc mơ hình hóa các phần tử trong Automation Studio được thực hiện bằng việc cài đặt các thơng số cho phần tử đó. Hình 40,41 cho biết các thơng số của xy lanh và các mơ hình và phương trình hệ thống dùng để tính tốn mơ phỏng xy lanh.
Hình 48 Mơ hình và các phương trình để mơ tính tốn mơ phỏng xy lanh Hình 47 Các thơng số của xy lanh
Dưới đây là bảng giá trị các thơng số trích xuất từ cataloge của hãng nhóm sử dụng để cài đặt thơng số cho các xy lanh. (các thông số này được hãng cung cấp là giá trị tương đương khi xem xy lanh có dạng hình trụ)
Xy lanh Đường kính pít
tơng Đường kính cần Giới hạn hànhtrình
Xy lanh nâng hạ 18 8 80
Xy lanh tay kẹp 16 8 6
Xy lanh không
trục nằm ngang 16 0 600
Việc đặt tải cho các xy lanh nhằm quan sát các giá trị về áp suất, lưu lượng cũng như đánh giá, kiểm nghiệm động lực học khí nén khi hệ thống hoạt động ở áp suất 6 bar. Quá trình này nhằm xác định lại khả năng nâng hạ các tải của các xy lanh đã đạt yêu cầu đặt ra hay chưa. Automation studio cung cấp 3 phương pháp để đặt tải:
Dùng Mechanism cho xy lanh nằm ngang và xy lanh di chuyển dọc
Đặt các giá trị tải cố định vào phần thông số của xy lanh.
Dùng phương pháp đặt đồ thị thể hiện lực cản và lực kéo cho xy lanh Nhóm sử dụng phương pháp dùng cơng cụ mechanism để đặt tải cho xy lanh không trục và xy lanh dọc trục cũng như xây dựng trực quan sơ bộ hệ thống dưới dạng mơ hình. Đối với xy lanh tay kẹp, do cấu tạo cơ khí quá phực tạp và hạn chế của phần mền nhóm khơng đánh giá tay kẹp qua q trình mơ phỏng của Automation Studio.
Cơng cụ Mechanism này nhằm xây dựng cơ cấu cơ khí bao gồm các xy lanh, qua các thành phần chính như các body được xác định qua trọng lượng, vị trí trọng tâm, mơ men qn tính qua trục vng góc với mặt phằng, và 3 loại khâu khớp cơ bản: khớp fix, khớp trượt và khớp quay. Bảng khối lượng của xy lanh và thông số tải trọng của xy lanh đã được xác định sơ bộ được trình bày ở dưới.
Khối lượng xy lanh Khối lượng pít tơng Tổng khối lương Xy lanh ngang 2.18 kg 0.19 kg 2.37 kg Xy lanh dọc 139g 128 g 267 g Phụ kiện gắn với xy lanh dọc (miếng đệm) x x 310g Xy lanh tay kẹp và phụ kiện , phơi x x 496 g
Hình 49 Hệ thống cơ khí 2D
Các van khí nén và dây dẫn.
Tương tự xy lanh, các phần tử van khí nén và ống dẫn cũng được xây dựng bằng việc cài đặt các thông số. Các van cũng như ống dẫn được mơ hình một các lý tưởng tức là bỏ qua các mất mát về áp suất khi đi qua các phần tử này. Các ống dẫn và bán kính của van điều khiển, cũng như bán kính lớn nhất của van tiết lưu được đặt với giá trị là 4 mm. Các hình sau thể hiện các thơng số, mơ hình và các phương trình Automation Studio dùng để mơ phỏng các phần tử này.
Hình 50 Các thơng số, mơ hình và các phương trình sử dụng mơ phỏng van tiết lưu
Hình 52 Các thơng số, mơ hình và các phương trình sử dụng mơ phỏng ống dẫn khí
3.2.2 Xây dựng bảng điều khiển hệ thống
Do yêu cầu hệ thống cũng như nguyên lý hoạt động đặt ra ban đầu cho trạm tay gắp sản phẩm, nhóm thiết kế bảng điều khiển hệ thống với các nút bấm cơ bản như Start, Stop, Reset, Auto/Manu và nút Dừng khẩn cấp.
3.2.3 Miền điện- điều khiển
Từ nguyên lý hoạt động đặt ra và hệ thống khí nén đã được xây dựng và bảng điều khiển đã thiết kế. Các đối tượng điều khiển hay cơ cấu chấp hành đã được định rõ là 3 xy lanh điều khiển qua 3 van khí nén gồm 1 van điện từ 5/3, và 2 van điện từ 5/2 được điều khiển qua 4 cuộn hút. Đồng thời các cảm biến hành trình được xây dựng và bổ sung vào mạch khí nén dựa vào yêu cầu điều khiển hệ thống là xy lanh khơng trục dừng ở 3 vị trí, và xy lanh nâng hạ dừng ở 3 vị trí, ngồi ra xy lanh tay kẹo có kích thước nhỏ nên được điều khiển dựa theo thời gian đề phù hợp với nhiệm vụ kẹp vật. Từ đó nhóm thực hiện xác định các đầu
vào đầu ra cho bộ điều khiển PLC. Từ đó tiến hành thiết kế mạch điện điều khiển.
3.2.4 Xây dựng sơ đồ grafcet thể hiện nguyên lý điều khiển cho hệ thống và lập trình SFC cho hệ thống.
Từ mạch điện và yêu cầu hoạt động của hệ thống cũng như các tín hiệu cảm biến cũng như các phần tử cơ cấu chấp hành cần điều khiển, nhóm xây dựng sơ đồ grafcet cho hệ thống và lập trình SFC để hệ thống họat động.
3.3 Tích hợp phân tích đánh giá đa miền
3.3.1 Tích hợp cơ khí nén và phân tích sơ bộ động lực học hệ thống.
Việc mơ hình hóa một kết cấu cơ khí trong Automation Studio cịn nhiều hạn chế vì lý do cung cấp những phần tử vô cùng đơn giản dẫn đến việc người dùng phải đơn giản hóa mơ hình đi rất nhiều. Tuy nhiên, điểm mạnh của cơng cụ
Mechanism là việc tích hợp được với các thành phần khí nén, cho phép tính tốn động lực học, kiểm nghiệm các thành phần khí nén hoạt động như thế nào trong tổng thể kết cấu cơ khí và các kết cấu cơ khí hoạt động như thế nào trong các điều khiển của khí nén nhất định.
3.3.2 Tích hợp điều khiển và giao diện người máy, cơ khí nén và kiểm nghiệm nguyên ký hoạt động hệ thống, phân tích khả năng hoạt động hệ thống.
Với các cơng cụ liên kết biến của các thành phần của hệ thống khí nén với, các thành phần của mạch điện điều khiển cũng như các thành phần của bảng điều khiển, việc tích hợp hệ thống dễ dàng được thực hiện. Đồng thời dựa vào sơ đồ nguyên lý cơ bản, ta tiến hành lập trình SFC cho hệ thống bằng các cơng cụ của Automation Studio. Việc này kết hợp với toàn bộ hệ thống đã được tích hợp trước đó, cho phép kiểm nghiệm ngun lý hoạt động của tồn hệ thống, xác định tính đúng đắn của từng thành phần riêng biệt trong tổng thể hệ thống.
Quy trình tích hợp hệ thống trong automation được thực hiện bằng cách liên kết các biến với nhau từ các nút bấm điều khiển sẽ liên kết với các công tắc ở mạch điện, các solenoide cũng như cảm biến cũng được liên kết và động bộ với nhau thông qua các biến giá trị của nó. Automation Studio cung cấp các phần tử với các thông số phục vụ cho việc liên kết cũng như quan sát kết quả mô phỏng.
CHƯƠNG 4. Thiết kế đơn miền và tích hợp đa miền hệ thống 4.1 Miền cơ khí
4.1.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
4.1.1.1. Thiết kế các kết cấu lưu trữ phôi
Với nhiệm vụ cấp phôi và lưu trữ sau khi đã phân loại như đã đề xuất thiết kế mơ hình, ta cần thiết kế các kết cấu với những nhiệm vụ đã nêu.
Q trình cấp phơi đầu vào được thực hiện bằng tay, khi ta đặt phơi vào vị trí cấp, cần tích hợp cảm biến phát hiện phơi để gửi tín hiệu tới bộ điều khiển. Ta thiết kế module chứa phơi tích hợp cảm biến nhận dạng để thực hiện nhiệm vụ