Giới thiệu chung về chu trình công nghiệp MPS
Lịch sử nghiên cứu
Hiện nay, Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, dẫn đến sự hình thành nhiều khu công nghiệp với dây chuyền thiết bị hiện đại và sự đầu tư từ nước ngoài Trong những thập niên gần đây, thiết bị điện tử đã được ứng dụng rộng rãi, phản ánh sự đa dạng và phát triển không ngừng của các ngành công nghiệp Ngành điện tử, với vai trò quan trọng trong viễn thông, y khoa, và nghiên cứu, đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy cho người sử dụng, hoạt động dựa trên tín hiệu điện và điện áp.
Từ những linh kiện nhỏ, chúng ta có thể chế tạo ra các thiết bị hữu ích trong đời sống và sản xuất, giúp nâng cao hiệu suất lao động Những máy móc tinh vi có khả năng thay thế hàng chục công nhân, thúc đẩy sự phát triển của tự động hóa trong ngành công nghiệp Trong bối cảnh đất nước phát triển và hội nhập, yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao, đòi hỏi độ chính xác về hình dạng, kích thước và trọng lượng Do đó, các khu công nghiệp đã được hình thành với dây chuyền máy móc hiện đại, đáp ứng nhu cầu sản xuất và nâng cao năng suất.
Hình 1-1: Trạm MPS phục vụ trong quá trình nghiên cứu, học tập
Ngày nay, tập trung hóa và tự động hóa trong quản lý, giám sát và điều khiển hệ thống tự động đang trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm rủi ro và tiết kiệm chi phí Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi điện tử, truyền thông và phần mềm đã thúc đẩy sự đa dạng trong công nghệ điều khiển tự động, đáp ứng nhu cầu trong các lĩnh vực công nghiệp Do đó, việc lựa chọn quy trình điều khiển phù hợp với yêu cầu thực tế và điều kiện cơ sở vật chất là rất quan trọng để tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo dễ dàng bảo trì, sửa chữa khi có sự cố Thực tiễn này đặt ra thách thức trong việc quản lý các nhà máy sản xuất một cách hiệu quả, tiết kiệm và an toàn.
Các vấn đề đặt ra
Trong xu thế hội nhập nền kinh tế quốc tế, việc phát triển công nghiệp hóa
Hiện đại hóa là ưu tiên hàng đầu của Đảng và Nhà nước trong phát triển kinh tế, với phương châm "đi tắt đón đầu" nhằm tiếp thu thành tựu khoa học hiện đại, cải tiến nền kỹ thuật và giảm thiểu tình trạng lạc hậu Chính sách này giúp Việt Nam từng bước tiếp cận công nghệ tiên tiến, cải thiện sản xuất và nâng cao mức sống cho người dân Việc phát triển tầng lớp kế thừa có tri thức về công nghệ hiện đại không chỉ thúc đẩy sự sáng tạo mà còn góp phần phát triển nền khoa học kỹ thuật trong nước, đồng thời hỗ trợ sự phát triển công nghệ toàn cầu.
Việc nghiên cứu và thiết kế một chu trình công nghiệp MPS nhóm cần phải giải quyết được một số vấn đề như sau:
Nắm vững các nội dung liên quan về các cách lập trình PLC S7-
Tìm hiểu và sử dụng phần mềm TIA Portal V16 để thiết kế, điều khiển hệ thống công nghiệp MPS
Liên kết phần mềm mô phỏng nhà máy Factory IO với TIA Portal
Xây dựng được giao diện cho HMI với khả năng theo dõi các thông số về trạng thái các cảm biến, khâu tác động
Tính toán được các thông số cần thiết cho quy trình như kích thước, tốc độ, năng suất,…
Lựa chọn những cảm biến phổ biến, cơ cấu chấp hành đơn giản hiệu quả
Đối tượng nghiên cứu
TIA Portal V16 là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, cung cấp nền tảng cho các phần mềm khác trong việc lập trình và cấu hình thiết bị Đặc điểm nổi bật của TIA Portal là khả năng cho phép các phần mềm chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu, từ đó tạo ra tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống ứng dụng quản lý và vận hành.
Factory IO là phần mềm mô phỏng hệ thống 3D hiện đại và trực quan, giúp người dùng dễ dàng mô phỏng quy trình công nghiệp chuyên nghiệp Phần mềm hỗ trợ nhiều hãng PLC và cung cấp thư viện đa dạng, mang đến trải nghiệm mô phỏng sát thực tế.
HMI (Màn hình HMI) là giao diện hiển thị và điều khiển, giúp người vận hành dễ dàng quản lý các thiết bị và máy móc.
Autodesk Inventor là phần mềm chuyên dụng cho việc xây dựng mô hình 3D, thiết kế và kiểm tra ý tưởng sản phẩm Phần mềm này cho phép tạo ra các nguyên mẫu mô phỏng chính xác các yếu tố như khối lượng, áp lực, độ ma sát và tải trọng của các đối tượng trong môi trường 3D.
Phương pháp thực hiện
Phương pháp lý thuyết trong nghiên cứu chu trình công nghiệp MPS bao gồm việc tìm hiểu định nghĩa và đặc trưng của các phần cứng trong hệ thống thông qua tài liệu trực tuyến Ngoài ra, việc tính toán hệ thống và tiếp thu kiến thức về cách sử dụng PLC S7-1200, cùng với các module ngoại vi như HMI và thiết bị mở rộng khác, cũng là những yếu tố quan trọng trong quá trình học tập.
Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc thiết kế một hệ thống các trạm MPS sử dụng phần mềm Factory IO, kết nối với các thiết bị thực tế như PLC S7-1200 và màn hình giao tiếp HMI Hệ thống này sẽ được lắp đặt tại phòng nghiên cứu của trường, nhằm mô phỏng toàn bộ quy trình một cách tổng quan và thực tế.
Giới hạn đề tài
Giới hạn lý thuyết: Kiến thức học phần Kỹ thuật tự động hóa, Cảm biến và hệ thống đo, Thiết kế hệ thống Cơ Điện tử, Chi tiết máy,…
Phần mềm sử dụng: Phần mềm TIA Portal V16 sử dụng để thiết kế giao diện và chương trình điều khiển; AutoCAD Electrical
2019 trong việc thiết kế mạch điện điều khiển
Thiết bị: Sử dụng các thiết bị tại phòng nghiên cứu như máy tính, màn hình HMI, PLC S7-1200 và các module mở rộng có sẵn,…
Tổng quan về hệ thống MPS sử dụng PLC S7-1200
Tổng quan về PLC S7-1200
Khi ngành công nghiệp sản xuất phát triển, việc điều khiển dây chuyền và thiết bị máy móc trở nên quan trọng Để đáp ứng nhu cầu công nghệ, các linh kiện điều khiển như rơle, timer và contactor được kết nối với nhau thành một hệ thống điện điều khiển.
Công việc thi công thường gặp nhiều phức tạp do phải thao tác lắp đặt và đấu nối, dẫn đến tốn thời gian mà hiệu quả không cao, đặc biệt trong quá trình sửa chữa và bảo trì Việc tìm kiếm hư hỏng và đi lại dây gặp khó khăn, làm giảm năng suất lao động Để khắc phục những nhược điểm này, các nhà khoa học đã nỗ lực phát triển giải pháp tự động hóa trong sản xuất, giúp giảm sức lao động và tăng năng suất, đồng thời bảo vệ người lao động khỏi những khu vực nguy hiểm Hệ thống điều khiển lý tưởng cho ngành công nghiệp hiện đại cần có tính tự động cao, kích thước nhỏ gọn, giá thành hợp lý, dễ thi công và sửa chữa, cùng với chất lượng làm việc ổn định và linh hoạt.
Hệ thống điều khiển PLC (Programmable Logic Control) được ra đời lần đầu tiên vào năm 1968 bởi Công ty General Motors, Mỹ Tuy nhiên, hệ thống này lúc bấy giờ còn đơn giản và cồng kềnh, gây khó khăn cho người sử dụng trong việc vận hành Qua nhiều năm cải tiến và phát triển, các nhược điểm đã được khắc phục, giúp bộ điều khiển PLC hiện nay giải quyết hiệu quả các vấn đề trước đây với nhiều ưu điểm vượt trội.
Là bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán điều khiển
Có khả năng mở rộng các module vào ra khi cần thiết
Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu thích hợp với nhiều đối tượng lập trình
Có khả năng truyền thông cho phép trao đổi thông tin với môi trường xung quanh, bao gồm máy tính, các PLC khác, và các thiết bị giám sát, điều khiển.
Có khả năng chống nhiễu với độ tin cậy cao và có rất nhiều ưu điểm khác nữa
Hiện nay, nhiều hãng PLC như Omron, Mitsubishi, Hitachi, ABB và Siemens đang phát triển song song trên toàn cầu Mặc dù mỗi hãng có những điểm mạnh riêng, nhưng chúng đều tuân theo một nguyên lý cơ bản giống nhau Người sử dụng sẽ dựa vào những đặc điểm này để lựa chọn hãng PLC phù hợp với nhu cầu của mình.
2.1.1 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC
Hình 2-2: Sơ đồ khối PLC
Power Supply: Bộ nguồn điện áp dải rộng
Memory: Bộ nhớ chương trình
RAM ( Random Access Memory) bộ nhớ này có thể ghi hoặc đọc ra
EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ vĩnh cửu chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị lập trình
EEPROM ( Electriccal Erasable Programmable Read Only Memory) là bộ nhớ vĩnh cửu các chương trình có thể lập trình lại bằng thiết bị chuẩn CRT hoặc bằng tay
COM: Cổng giao tiếp với các thiết bị ngoại vi (Máy tính, bộ lập trình)
2.1.2 PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
Dòng CPU 1215C của PLC S7-1200, do hãng SIEMENS sản xuất, sở hữu bộ nhớ làm việc lên tới 125kB, tăng hơn 25% so với dòng 1214C trước đó Thiết bị này hỗ trợ mở rộng tối đa 8 module tín hiệu và 3 module truyền thông, phù hợp cho các dự án quy mô lớn Bên cạnh đó, CPU 1215C còn có ba biến thể với hậu tố AC/DC/RLY, DC/DC/RLY và DC/DC/DC, tương ứng với các loại nguồn cấp và tín hiệu vào ra khác nhau.
Hình 2-3: PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC Bảng 2-1: Thông số kỹ thuật PLC S7-1215C DC/DC/DC
Thông số kỹ thuật PLC S7-1200 CPU 1215C DC/DC/DC
Kích thước tổng thể DxRxC 0x100x75mm
Bộ nhớ làm việc 125kB (không thể mở rộng)
Bộ nhớ nạp 4Mb (có thể mở rộng bằng thẻ nhớ gắn ngoài)
Bộ nhớ nhớ lưu giữ 10kB (duy trì bằng nguồn nuôi từ siêu tụ, có thể lưu dữ liệu tối đa 20 ngày) Điện áp nguồn cấp 24V DC (khuyến nghị)
Khoảng điện áp làm việc 20,4-28,8V DC
Bảo vệ phân cực ngược Có
(1500mA khi kết nối với tất cả module mở rộng) Giới hạn chịu tải 12A (ở mức điện áp 28.8V)
Digital (DI) 14 (24V DC) Analog (AI) 2 (0-10V DC với độ phân giải 10bit)
Digital (DQ) 10 (20-24V DC; max 0.5A) Analog
Bộ đếm tốc độ cao tích hợp 6 (3 bộ đếm 30kHz + 3 bộ đếm 100kHz) Đồng hồ tích hợp Có (độ chính xác ±60s/tháng, tự động cập nhật)
Tốc độ thực thi lệnh
0.08us/lệnh (kiểu bit) 1.7us/lệnh (kiểu word) 2.3us/lệnh (kiểu số thực)
Số ngõ ra kiểu rơle 0
Số cổng Internet 2 (sử dụng giao thức PROFINET)
Tốc độ truyền tải 100Mbit/s
Khả năng mở rộng tối đa
1 mạch tín hiệu (SB-Signal Board)
3 module giao tiếp (CM-Communication Module)
8 module tín hiệu (SM-Signal Module)
Hình 2-4: Sơ đồ chân vào ra PLC S7-1215C DC/DC/DC
2.1.3 Phần mềm lập trình TIA Portal
TIA Portal, viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tích hợp cho quản lý tự động hóa và điều khiển điện trong hệ thống TIA Portal cung cấp một môi trường nền tảng chung, cho phép thực hiện các tác vụ và điều khiển hệ thống một cách hiệu quả Đây là phần mềm tự động hóa tiên tiến đầu tiên, giúp tối ưu hóa quy trình vận hành.
TIA Portal, được phát triển bởi các kỹ sư của Siemens vào năm 1996, cho phép người dùng nhanh chóng phát triển và viết phần mềm quản lý riêng lẻ trên một nền tảng thống nhất Giải pháp này giúp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng khác nhau, tạo ra hệ thống đồng bộ và hiệu quả hơn.
TIA Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, nền tảng cho các phần mềm lập trình và cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Với khả năng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, TIA Portal đảm bảo tính thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành ứng dụng.
TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:
Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng
Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát
Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống
Tích hợp mô phỏng hệ thống
Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens
Hình 2-5: TIA Portal Ưu - nhược điểm của phần mềm TIA Portal: Ưu điểm:
Tích hợp toàn bộ phần mềm vào một nền tảng duy nhất giúp dễ dàng chia sẻ cơ sở dữ liệu chung, quản lý hiệu quả và thống nhất cấu hình Giải pháp này mang lại khả năng vận hành thiết bị nhanh chóng, hiệu quả và rút ngắn thời gian tìm kiếm khắc phục sự cố.
Bộ lập trình PLC và màn hình HMI được cấu hình trên TIA Portal giúp chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác và thiết lập truyền thông giữa các thiết bị một cách hiệu quả.
Biến số của bộ lập trình PLC có thể dễ dàng hiển thị trên màn hình HMI mà không cần thực hiện bất kỳ thao tác lập trình nào Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là tích hợp nhiều phần mềm và cơ sở dữ liệu lớn, dẫn đến dung lượng bộ nhớ khổng lồ Điều này cũng đòi hỏi kỹ thuật cao từ người lập trình và quản lý, gây tốn thời gian để làm quen với việc sử dụng.
Tổng quan về Factory IO
Factory I/O là phần mềm thiết kế và mô phỏng trực quan cho các hệ thống điều khiển tự động hóa, cho phép giao tiếp và hỗ trợ mô phỏng với hầu hết các PLC Với bộ thư viện phong phú, Factory I/O có khả năng mô phỏng các hệ thống và đối tượng phổ biến trong tự động hóa dưới dạng 3D, mang đến trải nghiệm trực quan và chuyên nghiệp cho người dùng.
2.2.1 Các hệ thống, đối tượng trong factory IO
Factory IO cung cấp 20 mô hình sẵn có dựa trên các ứng dụng công nghiệp, giúp người dùng thiết kế dây chuyền và hệ thống theo nhu cầu riêng Các hệ thống và đối tượng trong Factory IO được tích hợp trong thư viện phong phú, bao gồm các thiết bị như băng tải nặng, băng tải nhẹ và cảm biến Người dùng chỉ cần chọn nhóm thiết bị và kéo thả để dễ dàng lắp ghép mô hình.
Hình 2-6: Hệ thống các đối tượng trong Factory IO
2.2.2 Các phím tắt chức năng để thiết kế mô hình Để thiết kế được các mô hình 3D trong Factory IO yêu cầu khả năng sử dụng chuột linh hoạt Ngoài ra còn có 1 số các phím tắt giúp ta có thể thao tác một chạy dễ dàng và nhanh chóng
Bảng 2-2: Các phím tắt chức năng
Di chuyển tới W Mở/ tắt thẻ cảm biến I
Di chuyển lùi S Mở/ tắt thẻ cơ cấu chấp hành O
Di chuyển sang trái A Reset góc nhìn backspace
Di chuyển sang phải D Reset hệ thống F6
Chạy hệ thống F5 Quay theo trục x R
Quay theo trục z Y Phóng to mô hình Q
Quay theo trục y T Mở thư viện P
Một số mô hình thực tế trong Factory IO
Hình 2-7: Dây chuyền sản xuất trong Factory IO
Hình 2-8: Thang chuyển hàng trong Factory IO
Hình 2-9: Hệ thống chiết rót trong Factory IO
Hình 2-10: Hệ thống lưu kho trong Factory IO
2.2.3 Các kết nối Factory IO với bộ điều khiển:
Sau khi hoàn tất thiết kế hệ thống, Factory IO sẽ kết nối với các bộ điều khiển PLC thông qua các driver có sẵn Nếu PLC chưa có driver từ Factory IO, người dùng có thể sử dụng các giao thức trung gian như OPC hoặc Modbus để thực hiện kết nối.
Bảng 2-3: Giao thức kết nối PLC và Factory IO
Kết nối với PLC thông qua board Advantech USB 4750 và 4704
Kết nối PLC Allen-Bradley ControlLogix, CompactLogix hoặc SoftLogix PAC thông qua Ethernet
Allen-Bradley Micro800 Kết nối PLC Allen-Bradley Micro800
Allen-Bradley MicroLogix Kết nối PLC Allen-Bradley MicroLogix
Allen-Bradley SLC 5/05 Kết nối PLC Allen-Bradley SLC-5/05
Automgen Server Kết nối PLC Automgen thông qua
Control I/O Kết nối bộ SoftPLC
MHJ Kết nối PLC WinPLC-Engine và
Modbus TCP/IP Client Kết nối theo chuẩn Modbus TCP/IP client
Modbus TCP/IP Server Kết nối theo chuẩn Modbus TCP/IP server
OPC Client DA/UA Kết nối theo chuẩn OPC DA/UA client Siemens LOGO! Kết nối bộ điều khiển Siemens LOGO! thông qua Ethernet
Kết nối PLC Siemens dòng S7-200/S7-
Siemens S7-1200/1500 Kết nối PLC Siemens dòng S7-
Siemens S7-PLCSIM Kết nối PLC mô phỏng S7-PLCSIM của
Liên kết Factory IO với Siemens S7-PLCSIM
Lưu ý: Để kết nối và mô phỏng chương trình giữa TIA Portal với Factory
IO ta cần có khối Templates, sau đó lập trình code theo yêu cầu bài toán
Để kết nối PLCSIM với Factory IO, đầu tiên, bạn cần nạp chương trình mô phỏng với PLC SIM Tiếp theo, mở phần mềm Factory IO và truy cập vào menu FILE, sau đó chọn Drivers.
To connect Factory IO, select the Siemens S7-PLCSIM driver in Step 2, then click on CONFIGURATION to set up the PLC configuration that you are using.
Hình 2-13: Chọn Driver Siemens S7 PLCSIM
I/O Config và I/O Point cần lưu ý: khi ta chọn kiểu là DWORD hay
Giá trị trên I/O Point sẽ tương ứng với các giá trị Word, giúp liên kết với PLC qua nhóm bit hoặc các giá trị số định dạng Word và DWord.
Offset: là để tính từ vị trí đó,
Liên kết Factory IO với Siemens S7-1200/1500
Bước 1: PLC được phát hiện hiện đang ở chế độ xem Thiết bị Một số thuộc tính của PLC cần được tinh chỉnh để cho phép giao tiếp với Factory I / O
Hình 2-15: Tinh chỉnh thuộc tính PLC Bước 2: Trên tab chung của trang thuộc tính , hãy mở rộng giao diện
Profinet và chọn địa chỉ Ethernet
Hình 2-16: Đặt địa chỉ IP cho phần cứng Bước 3: Cài đặt Bảo vệ & Bảo mật được yêu cầu để có thể thiết lập kết nối với PLC
Nhấp vào Protection và tích chọn enable Permit access with PUT/GET communication from remote partner under Connection mechanisms
Hình 2-17: Cài đặt bảo mật PLC Bước 4: Chọn Siemens S7-1200/1500 trong danh sách driver kết nối bên
Hình 2-18: Chọn giao thức kết nối giữa PLC với Factory IO
Bước 5: Đặt địa chỉ IP giống với PLC
Hình 2-19: Đặt địa chỉ IP trong phần mềm Factory IO
Màn hình HMI
WinCC là một trong những chương trình ứng dụng cho mạng HMI, Scada trong lĩnh vực dân dụng cũng như công nghiệp
WinCC (Windows Control Center) là phần mềm của Siemens dùng để giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu trong sản xuất Chương trình này thiết kế giao diện Người và Máy (HMI) trong hệ thống Scada (Supervisory Control And Data Acquisition), với chức năng chính là thu thập số liệu và điều khiển quy trình sản xuất WinCC cho phép người dùng trao đổi dữ liệu với PLC của nhiều hãng như Siemens, Mitsubishi, Allen-Bradley, và Omron qua cổng COM với chuẩn RS232 của PC và chuẩn RS485 của PLC.
Với WinCC, người dùng có thể áp dụng nhiều giải pháp linh hoạt để xử lý công việc từ thiết kế hệ thống quy mô nhỏ đến lớn, bao gồm cả hệ thống thực hiện sản xuất – MES WinCC cho phép mô phỏng hình ảnh các sự kiện trong quá trình điều khiển dưới dạng chuỗi sự kiện, đáp ứng nhu cầu công nghệ ngày càng phát triển với nhiều hàm chức năng đa dạng.
Quá trình hiển thị trên thiết bị HMI (Wincc) được cập nhật một cách năng động, dựa trên các sự chuyển tiếp của quá trình.
Người vận hành có thể kiểm soát quá trình thông qua giao diện người dùng (GUI), cho phép họ thiết lập các giá trị tham khảo để điều chỉnh hoặc khởi động động cơ một cách hiệu quả.
Hiển thị các cảnh báo: Các quá trình nghiêm trọng tự động khởi phát báo động, ví dụ, khi giá trị đặt được vượt quá
Hệ thống HMI có khả năng lưu trữ các giá trị quá trình và cảnh báo, cho phép ghi lại các dãy quá trình và truy xuất dữ liệu sản xuất trước đó Tính năng này rất hữu ích trong việc quản lý và phân tích hiệu suất sản xuất.
Hệ thống HMI cung cấp khả năng ghi chép các cảnh báo và giá trị quá trình, cho phép người dùng tạo báo cáo chi tiết về dữ liệu sản xuất Tính năng này hỗ trợ in ấn thông tin quan trọng vào cuối ca làm việc, giúp quản lý hiệu quả hơn.
Hệ thống HMI cho phép quản lý thông số máy móc và quá trình hiệu quả bằng cách lưu trữ các thông số dưới dạng công thức.
Màn hình cảm ứng HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS, thuộc dòng sản phẩm SIMATIC, cho phép người dùng dễ dàng tải xuống các thông số từ thiết bị HMI tới PLC, từ đó thay đổi toàn bộ quy trình sản xuất Sản phẩm này cung cấp khả năng tương tác trực quan và hiệu quả giữa người dùng và hệ thống SCADA.
Hình 2-20: HMI 7” TP700 Comfort SIEMENS
HMI TP700 Comfort có các tính năng nổi bật như:
Giao diện thiết kế được bằng phần mềm hỗ trợ (Tia Portal, Win CC,…)
Màn hình rộng độ phân giải cao, vùng hiển thị rộng hơn 40% so với màn hình hiển thị thông thường
Có thể điều chỉnh độ sáng cùng với khả năng hiển thị 16 triệu màu với góc nhìn rộng lên tới 170 độ cho phép khả năng đọc tối ưu
Giao diện người dùng sáng tạo và cải thiện khả năng sử dụng nhờ vào các điều khiển và đồ họa mới
Chức năng cảm ứng, vận hành trực quan
Nhiều cổng giao tiếp, có thể kết nối với nhiều PLC khác nhau
Lưu trữ qua thẻ và USB, bảo mật dữ liệu tối đa nếu bị mất nguồn
Bảng 2-4: Thông số kỹ thuật của HMI TP700 Comfort SIEMENS
Thông số kỹ thuật của HMI TP700 Comfort SIEMENS
Mã sản phẩm 6AV2124-0GC01-0AX0
Kích thước tổng thể DxRxC = 214x158x63mm
Khối lượng 1,819kg Điện áp hoạt động 19,2 – 18,8V DC (khuyến nghị 24V
DC) Kích thước màn hình 7 inch Độ phân giải 800x480 pixel
Loại tấm nền TFT cảm ứng điện trở 16 triệu màu
Hệ điều hành Windows CE6.0
Phần mềm cấu hình WinCC Comfort V13 trở lên
Chuẩn giao tiếp PROFINET, PROFIBUS
Dung lượng bộ nhớ 12MB
Thẻ nhớ Có, 2 cổng đọc trực tiếp thẻ SIEMENS
Cơ cấu chấp hành
Băng tải, hay còn gọi là băng truyền, là thiết bị vận chuyển liên tục với khả năng vận chuyển lớn, phổ biến tại các công trường xây dựng và xí nghiệp sản xuất vật liệu Các loại băng tải bao gồm băng tải PVC, băng tải cao su, băng tải xích inox, băng tải xích nhựa, băng tải con lăn tự do, băng tải con lăn có truyền động, băng tải đứng, băng tải nghiêng, băng tải từ, gầu tải và vít tải Những thiết bị này được sử dụng để vận chuyển vật liệu rời như cát, sỏi, đá, xi măng, cũng như sản phẩm trong các ngành công nghiệp chè, cà phê, hóa chất, giày da, thực phẩm, và hàng đơn chiếc như hàng bao, hàng hộp, hòm, bưu kiện.
Trong hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc, băng tải đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp sản phẩm để phân loại Với yêu cầu sản phẩm ở dạng rời rạc, băng tải đai được chọn là giải pháp tối ưu Sử dụng băng tải đai trong hệ thống mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng vận chuyển linh hoạt và hiệu quả trong quá trình phân loại.
Sản phẩm, thùng được dẫn trực tiếp trên băng tải
Tải trọng của băng tải không cần lớn
Thiết kế dễ dàng, dễ thi công
Vật liệu dễ tìm, giá thành rẻ
Băng tải quay hoạt động bằng cách kéo con lăn chủ động thông qua bộ truyền đai, khiến puli căng đai quay theo cùng tốc độ với puli truyền động nhờ chuyển động của đai vải Hành trình của đai vai sẽ kéo theo sản phẩm, giúp tiến hành phân loại theo mục tiêu đã đặt ra.
Xy lanh khí nén là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ khí nén thành động năng để thực hiện chuyển động Hoạt động của xy lanh khí nén dựa vào áp suất cao bên trong, tác động lên piston, khiến piston di chuyển theo quỹ đạo đã được xác định trước.
Cơ cấu dẫn động kiểu tác động kép cho phép ứng dụng lực đẩy khí nén trong cả hai hướng di chuyển, với thanh đẩy ở cả hai đầu Xi lanh này được thiết kế để tạo ra lực đẩy bằng nhau trong cả hai hành trình của piston Khi khoảng trống để nạp khí nén là bằng nhau, tốc độ di chuyển của piston sẽ đồng nhất ở cả hai chiều Ngược lại, nếu hai khoảng trống không bằng nhau, hành trình thụt lùi thường tạo ra lực đẩy nhỏ hơn so với hành trình duỗi ra Ưu điểm của cơ cấu này là khả năng hoạt động hiệu quả và đồng đều trong các ứng dụng cần lực đẩy cân bằng.
Ít tiêu hao ma sát khi chuyển động
Êm ái, cơ cấu chấp hành nhẹ nhàng
Thiết kế đảo chiều dễ dàng
Mức độ an toàn không cao khi vận hành
Hiệu suất không cao do sự rò rỉ khí
Hình 2-22: Xi lanh khí nén hai chiều
Hình 2-23: Robot tọa độ trụ Ưu điểm:
Có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất
Cấu trúc theo chiều dọc của máy để lại nhiều khoảng trống cho sàn
Kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn
Khả năng lặp lại tốt
Nhược điểm của cơ cấu này là sự hạn chế trong việc di chuyển sang trái và phải, do ảnh hưởng của kết cấu cơ khí, cũng như giới hạn kích thước của cơ cấu tác động theo chiều ngang.
Tay máy xếp sản phẩm
Robot hoạt động trong hệ toạ độ này bao gồm ba chuyển động định vị X,
Y, Z theo các trục toạ độ vuông góc
Robot tọa độ vuông góc, như hình 2-24, chủ yếu được sử dụng cho các tác vụ vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc, dập, chất dỡ hàng hóa và lắp ráp chi tiết máy Loại robot này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội trong quá trình tự động hóa sản xuất.
Không gian làm việc lớn, có thể dài đến 20m
Loại gắn trên trần sẽ dành đƣợc diện tích sàn lớn cho các công việc khác
Hệ thống điều khiển đơn giản
Việc thêm vào các loại cần trục hay các loại thiết bị vận chuyển vật liệu khác trong không gian làm việc của robot không được thích hợp lắm
Việc duy trì vị trí của các cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển điện đối với loại robot trên đều gặp nhiều trở ngại.
Hệ thống cảm biến
Cảm biến màu hoạt động dựa trên nguyên tắc hấp thụ và phản xạ ánh sáng, chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tần số hoặc giá trị điện áp Sau đó, tần số hoặc giá trị điện áp này được đưa qua một bộ chuyển đổi, và chính chúng sẽ quyết định màu sắc mà cảm biến đã nhận diện.
Hình 2-25: Cảm biến màu sắc Bảng 2-5: Thông số kỹ thuật cảm biến màu
Kích thước (W x H x D) 30,4 mm x 80 mm x 53 mm
Khoảng cách cảm nhận 60 mm 1)
Cảm biến khoảng cách ± 9 mm
Thiết kế Hình hộp chữ nhật
Nguồn sáng LED, RGB 2) Độ dài sóng 640 nm, 525 nm, 470nm
Kích thước điểm sáng 13 mm x 13 mm
Cung cấp hiệu điện thế 10 V DC 30 V DC
Chuyển đổi đầu ra NPN Đầu ra chuyển đổi (điện áp)
NPN: CAO = khoảng V S / THẤP 2 V Ánh sáng phát ra Đỏ, xanh dương và xanh lá
Xếp hạng bảo vệ IP67
Cảm biến màu sắc Panasonic LX 101 hoạt động bằng cách nhận diện màu sắc thông qua việc đo lường phản xạ của ba màu cơ bản: đỏ, xanh lá và xanh dương Thiết bị này xuất ra tần số xung tương ứng với từng màu qua các chân tín hiệu Bằng cách đo ba tần số xung này và thực hiện một số bước chuyển đổi, người dùng có thể thu thập thông tin chính xác về màu sắc của vật thể cần đo.
Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là
Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors) phản ứng khi có vật thể ở gần, với khoảng cách phát hiện thường chỉ vài mm Chúng thường được sử dụng để xác định vị trí cuối của chi tiết máy, và tín hiệu đầu ra từ cảm biến sẽ kích hoạt các chức năng khác của máy Đặc biệt, cảm biến tiệm cận hoạt động hiệu quả ngay cả trong các môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến tiệm cận chuyển đổi sự chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện thông qua ba hệ thống phát hiện chính Hệ thống đầu tiên sử dụng dòng điện xoáy phát sinh trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ Hệ thống thứ hai dựa vào sự thay đổi điện dung khi tiếp cận vật thể cần phát hiện Cuối cùng, hệ thống thứ ba áp dụng nam châm và công nghệ chuyển mạch cộng từ để thực hiện quá trình phát hiện.
Hình 2-26: Cảm biến tiệm cận
Bảng 2-6: Thông số cảm biến tiệm cận Đầu ra NO
Khoảng cách điều chỉnh 5-30cm Điện áp làm việc 10-30V DC
Dạng tín hiệu ra NPN Thường mở Môi trường làm việc -40 - 70°C
2.5.3 Cảm biến quang phản xạ gương
Cảm Biến Khoảng Cách E3F-R2N1 là một thiết bị cảm biến vật cản hồng ngoại, đi kèm với gương phản xạ, có khả năng phát hiện vật cản ở khoảng cách tối đa 2m Với bước sóng 660nm, sản phẩm này không bị ảnh hưởng bởi tia hồng ngoại trong môi trường tự nhiên Cảm biến này rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu phát hiện vật cản ở khoảng cách xa, chẳng hạn như cửa tự động.
Bảng 2-7: Thông số kỹ thuật cảm biến phản xạ gương Điện áp hoạt động 6-36V
Dòng tiêu thụ tối đa 300mA Độ trễ 1.5ms
Mức cao (VCC) khi cảm biến nhìn thấy gương Mức thấp khi có vật che gương hoặc không thấy gương
Nâu VCC 5-36DVC Đen Tín hiệu ra
Hình 2-27: Cảm biến quang phản xạ gương
2.5.4 Van điện từ khí nén Để xi lanh hoạt động được thì ta cần có van điện từ để điều khiển hành trình của piston.Van điện từ còn được gọi với cái tên solenoid valve Đối với van điện từ thì tùy vào loại xi lanh mà chúng ta có cách chọn cho phù hợp riêng với xi lanh mà nhóm chọn thì có các loại van 4/2, 5/2 hoặc 5/3 với một hoặc hai đầu cuộn dây Và nhóm chọn van 5/2 hai đầu cuộn dây để thực hiện điều khiển
Van 5/2 hoạt động với nguồn điện 220V hoặc 24V, tạo ra lực từ trường khi có điện Lực này kéo trục vận chuyển dọc theo trục, mở các cửa van để khí nén đi qua Nhờ đó, van có khả năng cấp hoặc đóng dòng khí nén cho thiết bị cần hoạt động.
Hình 2-28: Van điện từ khí nén Bảng 2-8: Thông số kĩ thuật van điện từ
Kích thước cổng 1/4''.(ren 13) kích thước cổng xả 1/8" (ren 9.6) Áp suất hoạt động 0.15 - 0.8 MPa
Loại Van hơi 5 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện)
Hãng sản xuất AIRTAC (Đài Loan)
Khi van ở trạng thái bình thường (van đóng), cửa số 1 thông với cửa số 2, và cửa số 4 thông với cửa số 5 Khi van được cấp khí nén và mở hoàn toàn, cửa số 1 sẽ thông với cửa số 4, trong khi cửa số 2 thông với cửa số 3, và cửa số 5 sẽ bị chặn lại.
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔNG
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3-1: Sơ đồ khối tổng quan toàn hệ thống
Hình 3-5: Khối xếp sản phẩm
Hình 3-6: Khối tương tác và hiển thị
Thiết kế hệ thống cơ khí trên FactoryIO
Hình 3-7: Chu trình hoạt động toàn hệ thống
Trạm phân biệt màu sắc phôi: Các phôi được cung cấp ngẫu nhiên vào đầu hệ thống băng tải
Hình 3-8: Phôi cấp cho chu trình phân loại
Phôi di chuyển qua cảm biến phân biệt màu sắc phía giữa băng tải để từ đó đưa tín hiệu của cảm biến về khối điều khiển
Hình 3-10: Cảm biến màu sắc
Tín hiệu điều khiển tới khâu tác động, cánh tay gạt gạt phôi đế vào băng tải tương ứng
Hình 3-11: Xi lanh gạt phôi
Khi phôi đế chạm cảm biến tiệm cận phía trước băng tải, từ đó tín hiệu điều khiển băng tải vận chuyển phôi đế đến trạm MPS kế tiếp
Hình 3-12: Cảm biến tiệm cận
Hình 3-14: Máng trượt phôi NG
Trạm lắp ráp: Các phôi đế sau khi được phân loại và hệ thống cấp nắp phôi tương ứng được vận chuyển đến cữ chặn phía cuối băng tải
Hình 3-15: Phôi nắp cấp cho trạm lắp ráp
Khi phôi nắp và phôi đế sản phẩm đi qua cảm biến tiệm cận, xi lanh kẹp sẽ thu về để kẹp chặt phôi đế và nắp.
Hình 3-17: Cơ cấu kẹp phôi
Xi lanh khí nén trên cánh tay robot hạ xuống để hút nắp phôi, đồng thời nhả cơ cấu kẹp phôi nắp Cánh tay robot tiến về phía trước, xi lanh hạ xuống để thả phôi nắp vào đế Sau khi hoàn tất chu trình lắp ráp, cữ chặn phôi đế nâng lên và sản phẩm được đưa đến cuối băng tải.
Trạm xếp phôi: Các phôi sau khi được lắp ráp hành sản phẩm hoàn chỉnh và di chuyển trên băng truyền đến vị trí xếp pallet
Hình 3-19: Sản phẩm hoàn chỉnh
Băng tải cấp Pallet sẽ dừng lại khi phát hiện cảm biến quang phản xạ gương Sau đó, cánh tay robot sẽ di chuyển đến vị trí để lấy sản phẩm lắp ráp.
Sau khi hoàn thành quá trình hút sản phẩm, robot sẽ di chuyển đến vị trí đã được xác định để thả sản phẩm lên pallet Chu trình này được lặp lại bốn lần tại bốn vị trí khác nhau trên pallet Khi đã xếp đủ bốn sản phẩm, động cơ băng tải sẽ hoạt động và chuyển pallet đến trạm MPS tiếp theo.
Hình 3-23: Pallet sau khi hoàn thành quá trình xếp
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hình 3-24: Lưu đồ thuật toán
3.3.1 Lập trình trên phần mềm TIA Portal V16
Bước 1: Chọn Create New Project, nhập tên Project, đường dẫn mong muốn và nhấn Create
Hình 3-25: Giao diện bắt đầu của chương trình Bước 2: Chọn Device and Network -> Add new Device để thêm thiết bị
Chọn CPU mong muốn rồi chọn Add
Hình 3-26: Giao diện Add new device Bước 3: Vào mục Device Configuration -> Ethernet Address để cấu hình địa chỉ cho PLC
Hình 3-27: Giao diện cấu hình địa chỉ IP cho PLC Bước 4: Chọn nút Simulation trong TIA PORTAL (hoặc Chạy phần mềm
PLC Sim rồi tạo Project mới với S7-1200)
Hình 3-28: Khởi chạy phần mềm PLC S7SIM Bước 5: Tiến hành download cấu hình và chương trình qua cửa sổ
Hình 3-29: CPU ở trạng thái RUN
Hình 3-30: Các khối Block trong S7-1200
Chức năng công dụng các khối Block trong PLC S71200:
OB (Organization Block):Là khối hàm tổ chức của PLC, được hệ điều hành gọi theo chu kì và là giao diện giữa chương trình và hệ điều hành
Các khối hàm OB là khối hàm tổ chức trong PLC S7 1200, gồm một số các khối chính các bạn nên tập trung
FC (Function Block) là một khối mã thực hiện các chức năng đặc trưng trên hệ thống giá trị đầu vào và lưu trữ kết quả hoạt động trong vùng nhớ.
FC có thể được gọi nhiều lần trong một chương trình, giúp đơn giản hóa việc lập trình các tác vụ FC không đi kèm với khối mã dữ liệu (DB) và sử dụng nhóm dữ liệu tạm thời để thực hiện tính toán Dữ liệu tạm thời này không được lưu trữ.
Khối hàm FB (Function Data Block) là một loại khối mã sử dụng khối dữ liệu mẫu (DB) để lưu trữ các thông số và dữ liệu tĩnh Bộ nhớ biến của các FB được lưu trữ trong khối dữ liệu DB, giúp quản lý và tổ chức thông tin hiệu quả.
DB (Khối dữ liệu) là chương trình dùng để lưu trữ dữ liệu cho các khối mã Tất cả các khối chương trình có thể truy cập dữ liệu từ một DB toàn cục, trong khi một DB mẫu chỉ lưu trữ dữ liệu cho một khối hàm (FB) cụ thể Dữ liệu trong một DB sẽ không bị xóa khi việc thực thi của khối mã liên quan kết thúc.
Hình 3-31: Lưu đồ Grafcet trạm phân loại
Hình 3-32: Lưu đồ grafcet quá trình kẹp phôi nắp và đế
Hình 3-33: Lưu đồ grafcet trạm lắp ráp
Hình 3-34: Khởi tạo các khối Block cho hệ thông trạm MPS
Hình 3-35: Lưu đồ grafcet trạm xếp Pallet
3.3.2 Thiết kế giao diện điều khiển trên WINCC
Vào mục Add new device -> chọn mà HMI tương ứng để cấu hình địa chỉ cho PLC
Hình 3-36: Tạo màn hình HMI
Hình 3-37: Liên kết PLC với HMI
Hình 3-38: Khởi tạo các màn hình điều khiển cho trạm
Mô hình thiết kế chu trình công nghiệp MPS sử dụng PLC 1200 cho phép nhóm chúng em áp dụng WINCC để theo dõi trạng thái cảm biến và các khâu tác động Hệ thống cũng cung cấp thống kê sản lượng sản xuất và cho phép điều khiển các khâu tác động ở chế độ điều khiển tay.
Hình 3-39: Màn hình trang chủ
Trạm phân loại được thiết kế với các nút nhấn hai tác động (ON/OFF) giúp người dùng dễ dàng bật/tắt hệ thống băng tải và tay gạt của trạm Hệ thống này cũng cho phép theo dõi số lượng sản phẩm đã được phân loại một cách dễ dàng và hiệu quả.
Hình 3-40: Màn hình điều khiển trạm phân loại
Trạm lắp ráp hiển thị trạng thái của các khâu tác động như cữ chặn, xy lanh kẹp phôi và cánh tay robot di chuyển theo các trục Tình trạng hoạt động được thể hiện qua tín hiệu đèn báo, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và kiểm soát quy trình.
Hình 3-41: Màn hình điều khiển trạm lắp ráp
Trạm xếp Pallet là thiết bị quan trọng trong quy trình tự động hóa, với nút gạt để bật/tắt các băng tải và nút nhấn điều khiển cho các cánh tay robot di chuyển đến các vị trí đặc biệt như tọa độ gốc, vị trí lấy sản phẩm, và bốn vị trí xếp sản phẩm lên Pallet Người dùng có thể tùy chỉnh các tọa độ theo nhu cầu và theo dõi tọa độ hiện tại của robot một cách dễ dàng.
Hình 3-42: Màn hình điều khiển trạm xếp Pallet
Màn hình cảm biến: Hiện thị trạng thái tín hiệu toàn bộ các cảm biến trên toàn hệ thống chu trình công nghiệp MPS
Hình 3-43: Màn hình cảm biến
Màn hình cạnh là một loại màn hình được tích hợp ở bốn cạnh của HMI, cho phép sử dụng linh hoạt bằng cách bật lên trên bất kỳ màn hình nào đang hiển thị Nó hỗ trợ việc chuyển tiếp giữa các màn hình điều khiển trong toàn bộ hệ thống, nâng cao hiệu quả quản lý và tương tác.
Thiết kế hệ thống điện
3.4.1 Tính chọn động cơ băng tải a) Công suất của động cơ được chọn theo điều kiện nhiệt độ, đảm bảo khi động cơ làm việc nhiệt độ sinh ra không quá mức cho phép.Muốn vậy, điều kiện sau phải thỏa mãn:
P dm dc ≥ P dt dc (kW) (3.1) Trong đó: P dm dc : công suất định mức của động cơ
P dt dc – công suất đẳng trị trên trục động cơ
Do ở đây tải trọng là không đổi nên:
P dt dc = P lv dc = P lv ct η Σ (3.2)
Với: P lv dc :công suất làm việc danh nghĩa trên trục động cơ
P lv ct : giá trị công suất làm việc danh nghĩa trên trục công tác:
Trong đó: F t – lực vòng trên trục công tác (N)
Vận tốc vòng của băng tải (V) được đo bằng mét trên giây (m/s), trong khi hiệu suất chung của toàn hệ thống (η Σ) được tính toán dựa trên các trị số hiệu suất của các bộ truyền và ổ Theo tài liệu "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" của Trịnh Chất & Lê Văn Uyển, các trị số hiệu suất được chọn lần lượt là: η k = 1, η ol = 0,99, η brc = 0,96, η brt = 0,97 và η x = 0,92 Từ đó, hiệu suất chung η Σ được tính bằng công thức: η Σ = η k η ol η brc η brt η x = 1 x 0,99 x 0,96 x 0,97 x 0,92 = 0,8230 Điều này cho thấy công suất làm việc danh nghĩa trên trục động cơ sẽ được xác định dựa trên giá trị hiệu suất chung này.
0,8230 = 3,7515 (kW) (3.5) b) Chọn số vòng quay đồng bộ của động cơ 𝑛 𝑑𝑏
Số vòng quay đồng bộ được chọn sao cho:
Tỉ số truyền sơ bộ của hệ thống U sb = n db n ct nằm trong khoảng tỉ số truyền nên dùng (tra bảng 2.4 – (I)): U sb ϵ U Σnd
Trong đó: n ct – số vòng quay của trục công tác Đây là hệ dẫn động băng tải nên: n ct = 60.10
3 0,65 3,14.150 = 82,8025 (v/ph) (3.6) Trong đó: D - đường kính tang dẫn của băng tải (mm)
V - vận tốc vòng của băng tải (m/s)
Tỉ số truyền của toàn bộ hệ thống cần phải bao gồm tỉ số truyền của hộp giảm tốc và tỉ số truyền của bộ truyền bên ngoài hộp.
U Σnd = U nd X U nd C−T = (1,5 ÷ 5).(8 ÷ 31,5) = 12 ÷ 157,5 (3.7) Chọn sơ bộ số vòng quay đồng bộ của động cơ: n db = 1500 (v/ph)
Giá trị này thỏa mãn U sb ϵ U Σnd
Vậy ta chọn được số vòng quay đồng bộ của động cơ là n db = 1500 (v/ph) c) Chọn động cơ
Qua các bước trên ta đã xác định được:
{P dm dc ≥ 3,7515 kW n db = 1500 (v/ph) (3.9) Động cơ được chọn phải có công suất và số vòng quay sơ bộ thỏa mãn những điều kiện trên
Căn cứ vào những điều kiện trên, ta chọn động cơ 4A100L4Y3 Bảng các thông số kỹ thuật của động cơ này:
Hình 3-45: Động cơ băng tải Bảng 3-1: Thông số động cơ băng tải
3.4.2 Tính chọn động cơ tay máy
Ta có thông số đầu vào: F= 900 (N), v= 0.1(m/s)
Với: F là lực mà cơ cấu cần tịnh tiến v là vận tốc cơ cấu tịnh tiến a) Xác định công suất cần thiết của động cơ
Trong đó: 𝑃 𝑐𝑡 là công suất cần thiết của động cơ
𝑃 𝑡 công suất tính toán trên trục máy động cơ η là hiệu suất
Trong đó: 𝑃 𝑡 = 𝑃 𝑙𝑣 = 1000 𝐹.𝑣 = 900.0.1 1000 = 0.09 (Kw) (3.11) Với 𝑃 𝑙𝑣 là công suất làm việc
Hiệu suất hệ dẫn động: η = η 𝑏𝑟 η đ𝑎𝑖 = 0.96.0.95 = 0,912 (3.12) Trong đó: η 𝑏𝑟 là hiệu suất 1 cặp bánh răng η đ𝑎𝑖 là hiệu suất bộ truyền đai
𝑃 𝑐𝑡 = 𝑃 η 𝑡 = 0.912 0.09 = 0.097 (KW) (3.13) b) Xác định tốc độ đồng bộ của động cơ
Số vòng quay sơ bộ của động cơ xác định theo công thức:
Trong đó: 𝑛 𝑠𝑏 số vòng quay sơ bộ của động cơ
𝑛 𝑙𝑣 số vòng quay của trục tang
𝜋.20 = 95,5 (vòng/phút) (3.15) Trong đó: D là đường kính tang quay
Từ công suất và số vòng quay của động cơ ta chọn được động cơ động cơ bước 3 pha 110BYG350D:
Hình 3-46: Động cơ cánh tay robot Bảng 3-2: Thông số động cơ bước
Kích thước mặt bích 110mm x 110 mm
Số phase 3 pha, 3 dây Đường kính trục ra 19mm
Cường độ dòng danh định 6.8A
Nhiệt độ bề mặt 80 °C Max Độ chính xác góc bước 5%
Nhiệt độ môi trường hoạt động -20°C~+50°C Điện trở cách điện 100MΩ 500V DC Điện thế cách điện 500V AC 1min c) Tính chọn đai
Ta chọn bánh đai lớn M5 42 răng với thông số như sau:
B = 20 mm B là bề rộng răng
D = 65,7 mm D là đường kính đỉnh răng
Ta chọn bánh đai nhỏ M5 20 răng với thông số sau:
B = 20 mm B là bề rộng răng
D = 30.69 mm D là đường kính đỉnh răng
Xác định modun và chiều rộng đai
- Kích thước bộ truyền nhỏ
- Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai
Modun được xác định theo công thức: m = 35 √ P 1 n 1
Trong đó: P 1 Công suất bánh đai chủ động Kw n 1 Số vòng quay của bánh đai chủ động vg/phút
Theo bảng 4.28-T69 Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1
Ta có chiều rộng đai răng: b = 20 (mm) d) Xác định các thông số bộ truyền
Số răng z 1 của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng 4.29 nhằm đảm bảo tuổi thọ đai Số răng bánh đai lớn: z 2 = u z 1 = 2,1.20 = 42 răng (3.19) Trong đó: u là tỉ số truyền
Khoảng cách trục được chọn theo điều kiện: a min ≤ a ≤ a max (3.20)
Với:a min = 0.5m(z 1 + z 2 ) + 2m = 102,3 mm a max = 2m(z 1 + z 2 ) = 384 mm
Chọn z d = 71 răng theo bảng 4.30 Tính toán thiết hệ dẫn động cơ khí Chọn được chiều dài đai theo bảng 4.30: l d = 668,8 mm
3.4.3 Tính chọn Xi lanh – Piston
Tải trọng đáp ứng: 8 kg
Ta có: Áp suất khí nén của các máy nén khí thông dụng là:
P = 6 bar = 6.1183 (kg/𝑐𝑚 2 ) (3.27) Đường kính xilanh:
6.1183.π = 3,98 cm = 39,8 mm (3.28) Chọn đường đường kính Xilanh D = 40 mm
Chọn xi lanh Xi Lanh SMC dòng CA2-Z CA2F40-400Z
Hình 3-47: Xi lanh khí nén Bảng 3-3: Thông số xi lanh khí nén
Kiểu tác động Hai tác động, 1 trục
Gá lắp Gá mặt bích đầu Áp suất phá hủy 1.5 Mpa Áp suất hoạt động tối đa 1.0 Mpa (tiêu chuẩn 0.7 Mpa) Áp suất hoạt động tối thiểu 0.05 Mpa
Nhiệt độ lưu chất và môi trường
Tùy chọn vòng từ Không có vòng từ
3.4.4 Tính chọn bánh răng thanh răng a) Chọn vật liệu
Với đặc tính của động cơ đã chọn ở mục 4.1 ta chọn vật liệu bánh răng như nhau Theo bảng 6.1 tính toán thiết kế dẫn động cơ khí tập 1
- Bánh nhỏ: thép 40X tôi cải thiện có:
HB = 230 – 260 lấy HB = 250 σ b1 = 850 (Mpa); σ ch1 = 700 (Mpa)
- Thanh răng: thép 40X tôi cải thiện có:
HB = 230 – 260 lấy HB = 250 σ b1 = 850 (Mpa); σ ch1 = 700 (Mpa) b) Xác định thông số bánh răng và thanh răng
Bảng 3-4: Thông số bánh răng
Thông số Ký hiệu, đơn vị Công thức tính Giá trị
Modun bánh răng tiêu chuẩn M M 2
Chiều cao đầu răng h f , mm 1,25m 2,5
Chiều cao chân răng h a , mm m 2
Bảng 3-5: Thông số thanh răng
Thông số Ký hiệu, đơn vị Công thức tính Giá trị Modun bánh răng tiêu chuẩn M M 2
Chiều cao đầu răng h 1 , mm M 2
Chiều cao chân răng h 2 , mm 1,25m 2,5
Chiều cao phần làm việc của răng h 3 , mm 2m 4
Khe hở chân răng C, mm 0,25m 0,5
Chiều cao toàn bộ răng h, mm h 1 + h 2 + C 5
3.4.5 Sơ đồ đấu nối cảm biến
Hình 3-48: Sơ đồ đấu nối chân cảm biến màu sắc
Hình 3-49: Sơ đồ đấu nối chân cảm biến tiệm cận
Hình 3-50: Sơ đồ đấu nối chân cảm biến quang phản xạ gương
Hình 3-51: Sơ đồ đấu nối van điện từ
