GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh cuộc sống công nghiệp hiện đại, con người ngày càng mong muốn máy móc có khả năng thực hiện và hoàn thành công việc một cách hiệu quả Nhằm đáp ứng nhu cầu này, các trường học đã tích cực đưa những yêu cầu từ xã hội vào chương trình giảng dạy Bên cạnh lý thuyết, việc tổ chức các giờ thực hành là rất cần thiết để sinh viên có thể áp dụng kiến thức vào thực tế Trong các giờ học thực hành, mô hình dạy học đóng vai trò quan trọng và không thể thiếu.
Nhóm em đã chọn đề tài "Thiết kế và thi công mô hình chiết rót và đóng nắp chai nước tự động phục vụ cho dạy học" sử dụng PLC lập trình cho Đồ án cơ điện tử.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Chiết rót và đóng nắp chai là một hệ thống quan trọng trong ngành sản xuất nước giải khát, nhưng quy trình thủ công hiện tại gặp nhiều hạn chế như cần nhiều nhân lực, không đồng đều về lượng nước và năng suất thấp Để cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm chi phí, việc ứng dụng tự động hóa trong quy trình sản xuất là cần thiết Giải pháp hiệu quả hiện nay là thay thế các hệ thống lạc hậu bằng dây chuyền tự động được điều khiển bởi máy tính hoặc thiết bị chuyên dụng, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế mô hình chiết rót đóng chai tự động:
- Thiết kế cơ khí và thiết kế phần điều khiển cho mô hình
- Xây dựng thuật toán điều khiển cho chương trình
Đối tượng nghiên cứu
- Thiết kế, chế tạo mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động theo hình ảnh và video thực tế Xây dựng chương trình điều khiển cho mô hình.
Phương pháp thực hiện
- Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện - điện tử, phần mềm viết chương trình
- Tham khảo từ nhiều nguồn khác: từ hình ảnh, video thực tế, sự giúp đỡ trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện từ
Phương pháp thực nghiệm và thử nghiệm là yếu tố quan trọng trong thiết kế và chế tạo thiết bị mô hình chiết rót và đóng nắp chai Quá trình này không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn bao gồm thi công thực tế, giúp rút ra kinh nghiệm và khắc phục các thiếu sót.
Kết cấu đồ án
Đồ án gồm 7 chương với nội dung như sau:
- Chương 1: Giới thiệu: Giới thiệu lý do chọn đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài: Tổng quan về nghiên cứu, tự động hóa sản xuất, phân loại tự động hóa
Chương 3: Xu hướng và ứng dụng trong thực tế đề cập đến các xu hướng phát triển hiện nay, bao gồm tự động hóa quy trình, phân loại và điều khiển bằng máy tính qua mạng Những xu hướng này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất mà còn nâng cao tính chính xác trong các ứng dụng công nghiệp và đời sống hàng ngày Sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các giải pháp tự động hóa, mang lại lợi ích lớn cho doanh nghiệp và người tiêu dùng.
- Chương 4: Phương án thiết kế, thi công phần cứng, phần mềm: Giới thiệu thiết bị, bảng thiết kế, thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điện, lập trình
- Chương 5: Thực nghiệm và phân tích: Các bước chuẩn bị và thực hiện
- Chương 6: Kết luận – Kiến nghị: Những kết quả đạt được,hạn chế còn tồn tại, hướng phát triển đề tài.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
Ngày nay, tự động hóa trang thiết bị trong các công ty, nhà máy đang trở nên phổ biến và phát triển mạnh mẽ Ở những quốc gia có yêu cầu cao về cường độ làm việc và độ chính xác, máy móc ngày càng thay thế con người nhưng vẫn cần sự giám sát của nhân lực Do đó, việc tự động hóa máy móc với trang thiết bị hiện đại là rất cần thiết Đồng thời, phát triển phần mềm quản lý hệ thống trong ngành công nghiệp, cũng như điều khiển dây chuyền sản xuất qua các chương trình giao diện như WinCC, Visual Basic, Quick Basic, Turbo C++, và Delphi, là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả sản xuất.
Sự ứng dụng của khoa học kỹ thuật đã mang lại những biến chuyển rõ rệt cho thế giới, làm cho nó ngày càng tiên tiến và hiện đại hơn Công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động, đã phát triển mạnh mẽ, tạo ra nhiều dây chuyền sản xuất và thiết bị máy móc hiện đại với các đặc điểm vượt trội như độ chính xác cao, tốc độ nhanh, khả năng thích ứng và sự chuyên môn hóa Những tiến bộ này đang được áp dụng rộng rãi trong nền công nghiệp hiện đại.
Công nghệ tự động hóa hiện nay đã trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, đáp ứng nhu cầu của nhiều lĩnh vực như công nghiệp, xây dựng, y tế và nông lâm nghiệp Lợi ích lớn nhất của tự động hóa là tiết kiệm lao động, đồng thời còn giúp tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu, và nâng cao chất lượng cũng như độ chính xác Tự động hóa được thực hiện thông qua nhiều phương tiện khác nhau như cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính Các hệ thống phức tạp như nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường áp dụng sự kết hợp của tất cả các kỹ thuật này.
Trong ngành công nghiệp, dây chuyền chiết rót và đóng nắp là một phần thiết yếu trong quy trình sản xuất nước uống đóng chai Hình ảnh từ các nhà máy chiết rót và đóng nắp chai dưới đây minh chứng cho sự quan trọng của khâu này trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Hình 2.0 Dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai trà xanh
Hình 2.1 Máy chiết rót đóng nắp chai
Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hiện nay rất đa dạng, có khả năng xử lý nhiều loại chai với kích thước và khối lượng khác nhau Việc chiết rót và đóng nắp có thể được thực hiện bởi một hệ thống lớn hoặc một máy nhỏ, điều này chứng tỏ sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật Cả hai hình thức này đều phản ánh thành tựu của tự động hóa trong cuộc sống hiện đại.
Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất
Cơ khí hóa là quá trình sử dụng năng lượng vi sinh vật để thực hiện toàn bộ hoặc một phần quy trình sản xuất, trong khi nhiệm vụ điều khiển vẫn do con người đảm nhận Điều này có nghĩa là cơ khí hóa thay thế sức lao động của con người trong các quá trình sản xuất, giúp tăng cường hiệu suất và giảm thiểu sự can thiệp của con người.
Tự động hóa là giai đoạn phát triển tiếp theo của sản xuất cơ khí hóa, sử dụng năng lượng phi sinh vật để thực hiện và điều khiển toàn bộ hoặc một phần của quá trình sản xuất Nó ứng dụng các hệ thống cơ khí, điện tử, và máy tính để thực hiện và điều khiển quy trình mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
Nhiệm vụ của con người bao gồm kiểm tra hoạt động của máy móc, khắc phục các hỏng hóc và sai lệch, cũng như lập trình và điều chỉnh máy để gia công các sản phẩm đa dạng.
Máy chiết rót và đóng nắp cho chai bình 20 lít giúp tiết kiệm thời gian cho công nhân, cho phép họ phục vụ nhiều máy mà không cần tham gia vào quá trình gia công chi tiết hoặc lắp ráp Điều này dẫn đến sự xuất hiện của những công nhân trình độ cao, đặc biệt là thợ điều chỉnh, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất.
Để tự động hóa quá trình sản xuất, cần áp dụng các cơ cấu và thiết bị tự động phù hợp, không chỉ đơn thuần là việc lắp ghép các thành phần tự động vào quy trình công nghệ sẵn có Tự động hóa gắn liền với việc hoàn thiện và đổi mới công nghệ, yêu cầu một thiết kế công nghệ tổng hợp nhằm phát triển kỹ thuật mới dựa trên các quy trình gia công, kiểm tra và lắp ráp tiên tiến Trong quá trình này, các thiết bị tự động có thể tác động ngược trở lại lên các quy trình công nghệ hiện tại, tạo ra sự cải tiến Tóm lại, tự động hóa sản xuất là tổng hợp các biện pháp thiết kế quy trình và công nghệ mới, nhằm xây dựng hệ thống thiết bị có năng suất cao, tự động hóa các thành phần sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người.
Trong hệ thống chuẩn bị công nghệ thống nhất, việc đánh giá các hệ thống tự động hóa được thực hiện dựa trên ba chỉ tiêu chính: hình thức, cấp độ và mức độ tự động hóa.
Hình 2.3 Dây truyền tự động hóa sản xuất
Tự động hóa được phân loại thành nhiều hình thức khác nhau, bao gồm tự động hóa một phần và tự động hóa toàn phần, cũng như tự động hóa đơn giản và phức tạp, bên cạnh đó còn có tự động hóa sơ cấp và thứ cấp.
Cơ khí hóa và tự động hóa là quá trình thay thế một phần năng lượng con người bằng năng lượng phi sinh vật trong công nghệ và hệ thống, bao gồm cả việc điều khiển Cơ khí hóa hoặc tự động hóa đơn có thể áp dụng cho một phần hoặc toàn bộ quy trình công nghệ Ví dụ, trong nguyên công tiện, nếu việc cấp phôi vào và lấy phôi ra được tự động hóa, thì đó được coi là tự động hóa đơn Trong tổng số năm nguyên công gia công chi tiết, có một nguyên công được tự động hóa.
Tự động hóa là quá trình áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử và máy tính để điều khiển hoạt động sản xuất Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu suất làm việc.
- Những công cụ máy móc tự động
- Máy móc lắp ráp tự động
- Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động
- Hệ thống mát tính thu thập dữ liệu và ra quyết định để hỗ trợ sản xuất.
Phân loại tự động hóa
Hệ thống tự động hóa cứng là một chuỗi các hoạt động xử lý hoặc lắp ráp được thực hiện trên một cấu hình thiết bị cố định Các nguyên công trong dây chuyền thường có tính chất đơn giản, nhưng sự hợp nhất và phối hợp của chúng vào một thiết bị tạo nên sự phức tạp cho hệ thống Những đặc trưng chính của tự động hóa cứng bao gồm tính ổn định, độ chính xác cao và khả năng hoạt động liên tục.
+ Đầu tự ban đầu cao cho những thiết kế theo đơn đặt hàng + Năng suất máy cao
+ Tương đối không linh hoạt trong việc thay đổi các thích nghi,thay đổi sản phẩm
2.3.2 Tự động hóa lập trình
Thiết bị sản xuất được thiết kế linh hoạt, cho phép thay đổi trình tự các nguyên công, nhằm thích ứng với nhiều cấu hình sản phẩm khác nhau.
- Chuỗi hoạt động có thể được điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh được mã hóa để hệ thống đọc và diễn dịch chúng
Các chương trình mới có thể được phát triển và tải vào thiết bị để tạo ra sản phẩm mới Một số đặc điểm nổi bật của tự động hóa lập trình bao gồm khả năng tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu suất làm việc.
+ Đầu tự cao những cho những thiết bị có mục đích tổng quát
+ Năng suất tương đối thấp so với tự động hóa cứng
+ Sự linh hoạt khi có sự thay đổi cấu hình trong sản phẩm mới
+ Thích hợp nhất cho sản xuất hàng loạt
2.3.3 Tự động hóa linh hoạt
Hệ thống tự động hóa linh hoạt có khả năng sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau mà không tốn thời gian cho việc chuyển đổi giữa các sản phẩm Nó cho phép sản xuất mà không cần lập trình lại hoặc thay thế các cài đặt vật lý như công cụ đồ gá và máy móc Nhờ đó, hệ thống có thể lên kế hoạch cho việc kết hợp sản xuất đa dạng thay vì xử lý từng loại sản phẩm riêng biệt.
+ Đầu tư cao cho thiết bị
+ Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau
+ Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế
+ Tốc độ sản xuất trung bình
Hình 2.3 Dây truyền dán nhãn chai.
XU HƯỚNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỰC TẾ
Các chủ đề của Kỹ thuật điều khiển thông thường
3.2 Các chủ đề của Kỹ thuật điều khiển thông thường
Điều khiển là quá trình thu thập và xử lý thông tin, nhằm tác động lên hệ thống để đạt được phản ứng gần nhất với mục tiêu đã định.
Lý thuyết điều khiển được chia thành hai bộ phận chính: cổ điển và hiện đại, ảnh hưởng trực tiếp đến các ứng dụng điều khiển tự động Lý thuyết cổ điển chủ yếu áp dụng cho hệ thống một đầu vào và một đầu ra (SISO), với phân tích thường sử dụng phương trình vi phân, biến đổi Laplace hoặc miền tần số Mặc dù các bộ điều khiển cổ điển, như bộ điều khiển PID, dễ thực hiện hơn trong thực tế, chúng thường cần điều chỉnh lại do các xấp xỉ thiết kế không chính xác Mục tiêu của hệ thống là đáp ứng các yêu cầu trong miền thời gian thông qua đáp ứng Bước hoặc trong miền tần số với đáp ứng Vòng-hở Các đặc tính quan trọng như phần trăm vọt lố, thời gian xác lập, độ lợi, biên độ pha và dãi thông có thể được đánh giá thông qua mô phỏng kết hợp với mô hình động học của hệ thống điều khiển.
Hình 3.2 Phạm vi lý thuyết điều khiển, đầu vào, đầu ra và tín hiệu phản hồi
Lý thuyết điều khiển hiện đại, được thực hiện trong không gian trạng thái, cho phép xử lý các hệ thống nhiều đầu vào và đầu ra (MIMO), vượt qua những hạn chế của lý thuyết điều khiển cổ điển trong các bài toán thiết kế phức tạp như điều khiển máy bay tiêm kích Hệ thống hiện đại thường được mô tả bằng các phương trình vi phân bậc nhất, sử dụng biến trạng thái, và bao gồm các lý thuyết điều khiển phi tuyến, đa biến, thích nghi và bền vững Tuy nhiên, phương pháp ma trận gặp khó khăn trong các hệ thống MIMO, nơi mà mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và đầu ra không đảm bảo tính độc lập tuyến tính Lý thuyết này vẫn còn nhiều điều chưa được khám phá, với các học giả như Rudolf E Kalman và Aleksandr Lyapunov là những người tiên phong quan trọng trong lĩnh vực này.
Những khái niệm cơ bản :
Hệ thống được định nghĩa là một tập hợp các phần tử khác nhau, trong đó các phần tử này có mối liên hệ và tác động qua lại theo quy luật nhất định, tạo thành một chỉnh thể thống nhất Hệ thống có khả năng thực hiện những chức năng cụ thể, đáp ứng các yêu cầu và mục tiêu nhất định.
Phần tử là các tế bào độc lập, tạo thành hệ thống với những tính chất riêng biệt Để hiểu rõ về hệ thống, cần nắm bắt trạng thái của từng phần tử cũng như mối liên hệ giữa chúng.
Hình 3.3 Khái niệm vòng phản hồi điều khiển hành vi động lực của hệ thống
- Đầu vào và đầu ra của hệ thống
+ Đầu vào của hệ thống là tất cả những gì mà môi trường tác động vào hệ thống
+ Đầu ra là những gì mà hệ thống tác động vào môi trường
Hiệu quả hoạt động của hệ thống phụ thuộc vào:
+ Xác định hợp lý đầu vào đầu ra của hệ thống
+ Khả năng biến đổi nhanh,chậm các yếu tố đầu vào để cho ra yếu tố đầu ra
+ Các hình thức biến đổi những yếu tố đầu vào cho ra các yếu tố đầu ra
- Trạng thái và hành vi của hệ thống
+ Trạng thái (thực trạng) của hệ thống là khả năng kết hợp giữa các đầu vào và đầu ra của hệ thống, xét ở một thời điểm nhất định
+ Hành vi của hệ thống là tập hợp các đầu ra có thể có của hệ thống trong một khoảng thời gian nhất định
- Chức năng của hệ thống
+ Là khả năng của hệ thống trong việc biến đầu vào thành đầu ra
+ Như vậy, chức năng của hệ thống là lý do tồn tại của hệ thống, là khả năng tự biến đổi trạng thái của hệ thống
- Ngôn ngữ của hệ thống:
+ Là hình thức phản ánh chức năng của hệ thống, chức năng đóng vai trò nội dung, còn ngôn ngữ đóng vai trò hình thức phản ánh
- Cơ cấu của hệ thống
Hình 3.4 Sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa các khái niệm cơ bản của hệ thống
Cơ cấu của hệ thống được định nghĩa là hình thức cấu tạo bên trong, bao gồm sự tự sắp xếp trật tự của các phần tử và mối quan hệ giữa chúng theo một dấu hiệu chung.
Cơ cấu của hệ thống là một yếu tố tương đối bất biến, tạo ra trật tự nội tại giữa các phần tử, hình thành thế năng của hệ thống Mặc dù cơ cấu luôn biến đổi, nhưng nó cũng tạo ra động năng cho hệ thống Mỗi hệ thống có thể có nhiều cách cấu trúc khác nhau, và khi đã xác định được cơ cấu, nhiệm vụ nghiên cứu sẽ tập trung vào việc lượng hóa các thông số đặc trưng của các phần tử cùng với các mối quan hệ giữa chúng.
3.2.3 Mô hình hoá và mô phỏng, nhận dạng hệ thống
Mô hình hóa là phương pháp xây dựng mô hình toán cho hệ thống dựa trên các quy luật vật lý chi phối hoạt động của nó Quy trình mô hình hóa bao gồm ba bước chính.
Phân tích chức năng là quá trình chia hệ thống thành các khối chức năng, trong đó mô hình toán học của các khối này được xác định dựa trên các quy luật đã biết hoặc có thể suy luận ra.
+ Phân tích vật lý : rút ra mô hình toán của các khối chức năng dựa vào các quy luật vật lý
+ Phân tích toán học:các khối chức năng được kết nối toán học để được mô hình của hệ thống
Nhận dạng hệ thống là phương pháp xây dựng mô hình toán của hệ thống dựa vào dữ liệu vào ra quan sát được
Có bốn bước nhận dạng hệ thống:
- Thí nghiệm thu thấp số liệu
- Chọn cấu trúc mô hình
Hình 3.5 Mô hình toán của hệ thống
3.2.4 Điều khiển các loại máy điện, truyền động và hệ thống năng lượng
Hệ truyền động điện là một hệ thống bao gồm nhiều thiết bị và thành phần điện-cơ, có chức năng chuyển đổi điện năng thành cơ năng và ngược lại Hệ thống này cung cấp năng lượng cho các cơ cấu công tác trong máy sản xuất, đồng thời cho phép điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu công nghệ của quá trình sản xuất.
Hệ truyền động điện bao gồm các thiết bị điện, điện từ và điện tử, có chức năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học và truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình này.
Bộ biến đổi thường được sử dụng bao gồm các loại như bộ biến đổi máy điện (máy phát một chiều, máy phát xoay chiều, máy điện khuếch đại), bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hòa) và bộ biến đổi điện tử (chỉnh lưu tiristo, bộ điều áp một chiều, biến tần tranzito, tiristo).
3.2.5 Điều khiển thông minh, hệ mờ, hệ chuyên gia
Thông minh là khả năng thu thập và sử dụng tri thức, với nhiều cấp độ và loại hình khác nhau Khái niệm về thông minh mang tính tương đối, vì một người có thể đánh giá một hệ thống là thông minh, trong khi người khác lại không.
Về mặt toán học, điều khiển thông minh không được chặt chẽ như điều khiển thông thường, và đây là một lĩnh vực tương đối mới vẫn chưa được nghiên cứu sâu Nguyên tắc thiết kế các bộ điều khiển trong lĩnh vực này cần được xem xét kỹ lưỡng để phát triển hiệu quả.
Điều khiển thông minh hiện đại không yêu cầu mô hình toán học của đối tượng, đây là một trong những ưu điểm nổi bật của phương pháp này Trong nhiều trường hợp, việc xác định mô hình toán học của đối tượng gặp khó khăn, vì vậy điều khiển thông minh trở thành giải pháp hiệu quả.
Tự động hóa chương trình
3.3.1 Cảm biến cơ cấu chấp hành, I/O thông minh, hệ thống đo lường
Cảm biến là thiết bị có chức năng cảm nhận và chuyển đổi các biến đổi của đại lượng vật lý thành thông tin có thể đo lường, giúp xác định giá trị của đại lượng cần đo.
Cảm biến được chia thành hai loại chính: cảm biến tương tự và cảm biến số, dựa trên dạng tín hiệu đầu ra Cảm biến tương tự phát ra tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số đo, và cần chuyển đổi thành tín hiệu số trước khi gửi đến bộ điều khiển Ngược lại, cảm biến số cung cấp đầu ra số có thể kết nối trực tiếp với bộ điều khiển số.
Cơ cấu chấp hành là động cơ dùng để di chuyển hoặc điều khiển hệ thống, hoạt động nhờ vào nguồn năng lượng như điện, áp lực thủy lực hoặc khí nén, chuyển đổi năng lượng thành chuyển động Nó là phần của hệ thống điều khiển tác động theo môi trường, có thể đơn giản như cơ cấu cơ khí cố định hoặc hệ thống điện tử, hoặc phức tạp hơn như phần mềm điều khiển, người điều khiển, hoặc các đầu vào khác.
Thiết bị truyền động điện là một hệ thống sử dụng động cơ điện để chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn cơ học Nó cung cấp điện năng cho các thiết bị chấp hành, chẳng hạn như van nhiều cấp Đây là một trong những giải pháp chấp hành sạch và dễ dàng tiếp cận, vì không yêu cầu sử dụng dầu.
3.3.2 Hệ thống tự động hoá tích hợp toàn diện.
Hình 3.10 Hệ thống hoạt động của cơ cấu chấp hành
Tự động hóa là quá trình sử dụng các hệ thống điều khiển để vận hành thiết bị như máy móc, nồi hơi và lò xử lý nhiệt với sự can thiệp tối thiểu của con người Nhiều quy trình đã được hoàn toàn tự động hóa, mang lại lợi ích lớn nhất là tiết kiệm lao động Bên cạnh đó, tự động hóa còn giúp tiết kiệm năng lượng, nguyên vật liệu, đồng thời nâng cao chất lượng và độ chính xác trong sản xuất.
3.3.3 Mạng công nghiệp và điều khiển
Mạng không dây công nghiệp đã trở thành chủ đề tranh cãi về tiêu chuẩn chủ đạo trong nhiều năm qua, khi ngành công nghiệp hóa hiện đại hóa dự kiến sẽ thúc đẩy tăng trưởng Các mạng công nghiệp trong nhà máy đang ngày càng trở nên quan trọng, tương tự như sự phát triển của Internet trong môi trường kinh doanh Giống như Internet cung cấp thông tin số mọi nơi, các mạng không dây sẽ cung cấp hệ thống đo lường thời gian thực, điều khiển từ xa và tương tác với thế giới vật chất.
- Mạng công nghiệp sẽ nhanh chóng được tích hợp với mạng WIFI,WiMax và mạng thông tin băng thông rộng nhà máy và văn phòng tiêu chuẩn
Hình 3.11 Dây truyền lắp ráp oto tự động
Cisco, công nghệ hàng đầu trong bảo vệ kết nối mạng, đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp Sự mở rộng này hứa hẹn mang lại khả năng tiếp cận tốt hơn từ nhà máy, với tiềm năng lắp đặt các mạng không dây đa dạng Những mạng này có thể cung cấp thông tin quan trọng cho các nhà quản lý, giúp tối ưu hóa quy trình hoạt động và nâng cao lợi nhuận.
3.3.4 Giao diện người-máy, các hệ SCADA, DCS, CIM
Giao diện người máy (HCI) là lĩnh vực thiết kế và đánh giá hệ thống máy tính tương tác giữa con người và máy móc Khái niệm HCI bắt đầu xuất hiện vào những năm 80 với sự ra đời của giao diện đồ họa người dùng (GUI) trong MS Windows Trong những năm 90 và 2000, các nghiên cứu về thực tại ảo, nhận dạng tiếng nói và chữ viết tay đã được phát triển, góp phần quan trọng vào việc cải thiện thiết kế giao diện người máy.
1.Hình thức: Các hình thức giao tiếp giữa người và máy
2.Chức năng: Các chức năng mới trong giao tiếp người máy
3.Cài đặt: Cài đặt các giao diện
Hình 3.12 Mô hình mạng công nghiệp trường học
- Tại sao phải nghiên cứu HCI
- Tăng năng xuất lao động
- Giảm chi phí đào tạo
- Giảm những lỗi người dùng
- Người sử dụng hài lòng
Tạo ra sản phẩm chất lượng cao giúp người dùng tiết kiệm thời gian và tập trung vào công việc chính của họ Giao diện thân thiện và hiệu quả mang lại trải nghiệm tốt hơn, từ đó nâng cao năng suất làm việc.
- Tăng khả năng bán được của sản phẩm
- Giao diện đẹp dễ nhận được hợp đồng
Trên máy công cụ điều khiển theo chương trình số, đường tác dụng giữa dụng cụ và chi tiết được hình thành thông qua các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục Để tạo ra một biên dạng gia công, cần thiết phải có mối quan hệ hàm số (tuyến tính hoặc phi tuyến) giữa các chuyển động trên từng trục tọa độ riêng lẻ.
Các điểm tựa cần được bố trí dày đặc để đảm bảo biên dạng gia công đạt độ chính xác cao, không có điểm nào nằm ngoài vùng dung sai cho phép.
- Giá trị tọa độ vị trí các điểm trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều khiển số gọi là bộ nội suy.
Hình 3.13 Bảng thiết kế giao diện người máy
Bộ nội suy có nhiệm vụ:
-Tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành biên dạng cho trước trong giới hạn dung sai xác định
-Tốc độ đưa ra vị trí các điểm trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao -Đi tới chính xác các điểm kết thúc chương trình
3.3.6 Điều khiển quá trình công nghệ
Quá trình công nghệ bao gồm nhiều giai đoạn và phương thức tác động đến quá trình sản xuất, nhằm hình thành sản phẩm Chính quá trình công nghệ quyết định cách thức sản xuất hiệu quả và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Quá trình công nghệ là các phương thức sản xuất và các giai đoạn hình thành trong quá trình sản xuất Việc điều khiển quá trình công nghệ bao gồm hai loại chính: quá trình tuần tự và quá trình ngẫu nhiên.
Việc tính toán các chế độ công nghệ vẫn do con người thực hiện và nhập vào chương trình Bộ điều khiển CNC thay thế con người trong việc đưa các thông số công nghệ (S, F) vào máy, giúp điều khiển máy hoạt động theo các giá trị đã được ấn định CNC là một ví dụ điển hình của hệ thống điều khiển theo chương trình.
Hình 3.15 Sơ đồ Điều khiển thích nghi quá trình công nghệ
Hình 3.14 Bộ điều khiển tự động Mitsubishi
Mục tiêu của điều khiển tự động trên máy công cụ, bao gồm cả máy CNC, là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình tự và chế độ công nghệ (S, F) được ghi trong chương trình Tuy nhiên, bộ điều khiển không giám sát quá trình công nghệ, do đó không thể nhận biết và phản ứng với các biến động trong quá trình này cũng như các thay đổi của thông số ra (Y).
Bộ điều khiển này còn được gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller)
Hệ thống điều khiển PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện nhiều trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi các ngõ vào hoặc các hoạt động có trễ như thời gian định thì PLC thay thế các mạch relay truyền thống và hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu ra và đầu vào, với đầu ra thay đổi theo sự thay đổi ở đầu vào Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hoặc State Logic, và nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, Omron, và Honeywell.
Khi sự kiện được kích hoạt, thiết bị điều khiển bên ngoài, hay còn gọi là thiết bị vật lý, sẽ được bật hoặc tắt Bộ điều khiển lập trình liên tục lặp lại chương trình do người sử dụng thiết lập, chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào và xuất tín hiệu ở ngõ ra theo thời gian đã được lập trình sẵn.
Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay), bộ PLC đã được phát triển nhằm đáp ứng các yêu cầu hiện đại trong tự động hóa.
+ Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học
+ Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
Hình 3.19 Hệ thống điều khiển PLC, tín hiệu vào và ra
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng
+ Giá cả cá thể cạnh tranh được
Các thiết kế đầu tiên của PLC nhằm thay thế phần cứng Relay và Logic thời gian, đồng thời đáp ứng nhu cầu tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng sử dụng Điều này đã thu hút sự quan tâm lớn đến việc áp dụng PLC trong công nghiệp Các lệnh trong PLC đã phát triển từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh phức tạp như đếm, định thời và thanh ghi dịch, cũng như các chức năng toán học trên các máy lớn Sự tiến bộ của công nghệ máy tính đã dẫn đến việc phát triển các bộ PLC có dung lượng lớn hơn và số lượng I/O phong phú hơn.
Trong PLC, phần cứng CPU và chương trình là yếu tố cơ bản cho quá trình điều khiển hệ thống Chương trình xác định chức năng của bộ điều khiển và được nạp vào bộ nhớ của PLC Khi cần thay đổi hoặc mở rộng chức năng của quy trình công nghệ, chỉ cần điều chỉnh chương trình trong bộ nhớ PLC Việc này diễn ra dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý, khác với việc sử dụng bộ dây nối hay Relay.
Tất cả các PLC đều bao gồm những thành phần chính như bộ nhớ chương trình RAM bên trong, có khả năng mở rộng với bộ nhớ ngoài EPROM Ngoài ra, PLC còn có bộ vi xử lý với cổng giao tiếp để kết nối với các thiết bị khác, cùng với các modul vào/ra để thực hiện các chức năng điều khiển.
Một bộ PLC hoàn chỉnh thường bao gồm một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc bằng máy tính Hầu hết các đơn vị lập trình này đều được trang bị đủ RAM để lưu trữ thông tin cần thiết.
Cấu trúc PLC thường sử dụng công nghệ CMOS với pin dự phòng, cho phép chương trình được kiểm tra và sẵn sàng trước khi truyền vào bộ nhớ PLC Đối với các PLC lớn, việc lập trình thường được thực hiện trên máy tính, giúp hỗ trợ trong việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình kết nối với PLC thông qua các cổng như RS232, RS422, RS485, và nhiều loại cổng khác.
3.4.3 Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU là bộ phận điều khiển các hoạt động bên trong PLC, thực hiện việc đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ Sau đó, CPU thực hiện từng lệnh theo thứ tự, đóng hoặc ngắt các đầu ra Các trạng thái đầu ra này được gửi tới các thiết bị liên kết để thực hiện Tất cả các hoạt động thực thi đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ.
- Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
+ Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau + Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu
+ Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC
Trong PLC, dữ liệu được truyền giữa bộ vi xử lý và các mô-đun vào ra thông qua Data Bus Address Bus và Data Bus bao gồm 8 đường, cho phép truyền 8 bit dữ liệu cùng một lúc.
1 byte một cách đồng thời hay song song
Hình 3.21 Nguyên lý hoạt động PLC
Khi một modul đầu vào nhận địa chỉ trên Address Bus, nó sẽ truyền tất cả trạng thái đầu vào vào Data Bus Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận dữ liệu từ Data Bus Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển để theo dõi chu trình hoạt động của PLC, và các địa chỉ cũng như số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus có vai trò quan trọng trong việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và các thiết bị I/O Đồng thời, CPU nhận được xung Clock với tần số từ 1 đến 8 MHz, quyết định tốc độ hoạt động của PLC và đảm bảo các yếu tố về định thời và đồng hồ của hệ thống.
Hình 3.22 Mô hình hoạt động PLC.
THIẾT KẾ - THI CÔNG PHẦN CỨNG VÀ PHẦN MỀM
Cơ sở lý thuyết
4.1.1 Động cơ điện một chiều Động cơ một chiều có hộp giảm tốc
Thông số kỹ thuât: Điện áp : 24VDC Tốc độ: 120 vòng/ phút
4 Thời hạn phục vụ lh = 2000 giờ
6 Đặc tính làm việc: êm
4.1.1.1 Chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền
Tính công suất yêu cầu trên trục động cơ
Công suất trên trục công tác (trục tang quay) Pct được tính theo công thức (c.t.) 2.11 [1]:
Hình 4.1 Động cơ DC có hộp giảm tốc
Trong đó: F - lực vặn nắp, N; v - vận tốc vặn nắp, m/s
Thay số liệu vào, ta được:
1000 = 0,001(𝑘𝑊) Hiệu suất truyền động tổng của cả bộ truyền được tính theo c.t 2.9 [1]:
Với 1, 2,3,… là hiệu suất qua các bộ truyền và các cặp ổ trong hệ thống dẫn động Trong trường hợp đầu bài ra, ta có công thức cụ thể:
Trong đó: ® - Hiệu suất của bộ truyền đai, chọn ® = 0,96;
brc - Hiệu suất bộ truyền bánh răng côn, chọn brc = 0,96;
brt - Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ, chọn brt = 0,97;
ol - Hiệu suất của một cặp ổ lăn, chọn ol = 0,99; có 3 cặp ổ lăn trong bộ truyền cần thiết kế
(Các số liệu chọn theo bảng 2.3 [1], trong đó, brc và brt chọn theo chế độ đặt trong hộp kín)
Công suất yêu cầu trên trục động cơ được tính theo c.t 2.8 [1]:
Xác định sơ bộ số vòng quay sơ bộ của động cơ
Chọn tỷ số truyền sơ bộ usb cho bộ truyền theo công thức 2.15 [1]:
1 2 sb ng sb hsb ng sb u u u u
Tỷ số truyền sơ bộ của bộ truyền đai thang được xác định là ung1sb = 3…5, trong khi tỷ số truyền sơ bộ của hộp giảm tốc là uhsb = 10…25 cho hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp Đối với nối trục, tỷ số truyền sơ bộ được quy định là ung2sb = 1.
(Các số liệu tra theo bảng 2.4 [1])
Tốc độ quay của trục công tác (trục tang) nct được tính theo công thức:
Trong đó: v - vận tốc vặn nắp, m/s;
D - đường kính của tang quay, mm
Thay số liệu, ta có:
Từ usb và nct, ta tính được số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ nsb:
Ta chọn số vòng quay sơ bộ của động cơ nsb = 180 (vg/ph)
Chọn động cơ điện có các thông số thoả mãn các tiêu chuẩn:
Theo bảng sách giáo khoa,ta chọn được động cơ có các thông số:
n®c = 180 (vg/ph); Đường kính trục D = 3,5 (mm)
T = 1,4 có các số liệu thoả mãn (số liệu đường kính trục D tra trong bảng P1.6 phụ lục [1] ứng với động cơ kiểu DK42)
Phân phối tỷ số truyền
Xác định tỷ số truyền chung
Tỷ số truyền chung n được tính theo công thức: u Σ =n dc n ct = 180 4,44 = 89,55
Tỷ số truyền của hộp giảm tốc
Tỷ số truyền của hgt uh được tính theo công thức:
Với ung1, ung2 lần lượt là tỷ số truyền của bộ truyền đai thang và khớp nối Theo bảng 2.4 [1], chọn ung1 = 4; ung2 = 1
Phân phối tỷ số truyền cho các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp bao gồm hai tỷ số truyền: u1 cho cấp nhanh với cặp bánh răng côn răng thẳng và u2 cho cấp chậm với cặp bánh răng trụ răng nghiêng.
Phân tỷ số truyền: chọn hệ số chiều rộng vành răng Kbe = 0,25; chọn CK = dw22/de21 = 1,15;
Theo thông số đề ra:
Với uh = 13,5 ; tìm được u1 = 3,75 suy ra u2 = uh/u1 = 13,5/3,75 = 3,6
Tính lại tỷ số truyền của bộ truyền đai thang (u d )
4.1.1.2 Tính toán tốc độ quay (n), công suất (P) và momen xoắn (T) trên các trục
Tính tốc độ quay (n) trên các trục
Trên trục công tác (nct):
Trên trục động cơ (ndc):
Tính công suất P và mômen xoắn T trên các trục
Trên trục công tác: công suất P ct và mômen xoắn T ct
Trên trục III: công suất P III và mômen xoắn T III
Trên trục II: công suất P II và mômen xoắn T II
Trên trục I: công suất P I và mômen xoắn T I
Trên trục động cơ: công suất P dc và mômen xoắn T dc
Lập bảng kết quả tính toán:
Trục Th.số Động cơ Trục I Trục II Trục III Công tác u 4 3,75 3,6 1
4.1.2.1 Cấu tạo của động cơ bơm nước
Gồm có 4 bộ phận chính:
Hình 4.2 Động cơ bơm nước
Bánh công tác của máy bơm có ba dạng chính: cánh mở hoàn toàn, cánh mở một phần và cánh kín Nó được lắp trên trục bơm cùng với các chi tiết khác để tạo thành Rôto Bánh công tác được chế tạo từ gang hoặc thép bằng phương pháp đúc chính xác, với yêu cầu bề mặt cánh dẫn và đĩa bánh công tác có độ nhẵn cao (tam giác 3 đến 6) nhằm giảm tổn thất Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, bánh công tác và Rôto cần được cân bằng tĩnh và động, tránh tình trạng cọ xát vào thân bơm.
- Trục bơm: thường được chế tạo bằng thép hợp kim và được lắp với bánh công tác thông qua mối ghép then
- Bộ phận dẫn hướng vào: Hai bộ phận này thuộc thân máy bơm thường
- Bộ phận dẫn hướng ra: (buồng xoắn ốc) đúc bằng gang có hình dạng tương đối phức tạp
4.1.2.2 Nguyên lý hoạt động máy bơm nước
Khi một vật quay quanh trục, nó sẽ chịu tác động của lực ly tâm, lực này có hướng kéo vật ra xa trục quay và phương lực đi qua tâm quay.
- Hạt nước khi nằm trên một đĩa tròn phẳng đang quay sẽ chịu tác dụng của lực ly tâm và dịch chuyển dần từ tâm quay ra phía ngoài
Bơm ly tâm hoạt động dựa trên nguyên lý lực ly tâm, trong đó nước được dẫn vào tâm quay của cánh bơm Nhờ lực ly tâm, nước được đẩy ra mép cánh bơm, trong khi năng lượng bên ngoài được truyền qua cánh bơm, tạo ra áp năng và động năng cho dòng nước.
Trước khi máy bơm hoạt động, cần đảm bảo rằng thân bơm và ống hút được lấp đầy chất lỏng, quá trình này được gọi là mồi bơm.
Hình 4.3 Cấu tạo chung của máy bơm nước
Khi máy bơm hoạt động, bánh công tác quay khiến các phần tử chất lỏng bị văng ra ngoài do lực ly tâm, di chuyển qua các máng dẫn và vào ống đẩy với áp suất cao hơn, tạo ra quá trình đẩy của bơm Đồng thời, tại lối vào của bánh công tác hình thành vùng chân không, dẫn đến việc chất lỏng từ bể chứa có áp suất lớn hơn được liên tục đẩy vào bơm qua ống hút, tạo ra quá trình hút của bơm.
- Quá trình hút và đẩy của bơm là quá trình liên tục, tạo nên dòng chảy liên tục
Bộ phận dẫn hướng ra, thường có dạng xoắn ốc hay còn gọi là buồng xoắn ốc, có chức năng dẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy Nó không chỉ giúp điều hòa và ổn định dòng chảy mà còn biến đổi một phần động năng của dòng chảy thành áp năng cần thiết.
- Nhận dạng: máy bơm nước ly tâm có ống hút đưa nước vào tâm của cánh bơm và ống đẩy nằm trên mép cánh
Van đảo chiều là thiết bị điều chỉnh hướng, có chức năng kiểm soát dòng năng lượng bằng cách đóng, mở hoặc chuyển đổi vị trí, từ đó thay đổi hướng của dòng năng lượng.
Van đảo chiều có nhiều loại khác nhau, nhưng chúng có thể được phân loại dựa trên các đặc điểm chung như số lượng cửa, vị trí lắp đặt và số tín hiệu tác động.
Số vị trí trong van đảo chiều thể hiện số chỗ định vị của con trượt Thông thường, van này có hai hoặc ba vị trí, nhưng trong một số trường hợp đặc biệt, số vị trí có thể nhiều hơn Các vị trí thường được ký hiệu bằng các chữ cái như o, a, b, hoặc các con số như 0, 1, 2.
+ Số cửa ( đường ): là số lỗ để dẫn khí vào hay ra Số cửa của van đảo chiều thường dùng là 2, 3, 4, 5 Đôi khi có thể nhiều hơn
+ Thường kí hiệu: Cửa nối với nguồn: P + Cửa nối làm việc: A, B, C,…
+ Số tín hiệu: là tín hiệu kích thích con trượt chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Có thể là 1 hoặc 2 Thường dùng các kí hiệu: X, Y, …
Van đảo chiều được dùng trong đề tài này là van đảo chiều 5/2
+ Lưu chất: khí + Port Size In=Out=1/4”, Exhaust=1/8”
+ Orifice size: 16mm2 + Loại van: 5 port 2 position + Áp suất hoạt động: 1.5~8.0 bar + Nhiệt độ cho phép: -5~600C + Chuẩn bảo vệ: IP65
+ Khối lượng: 320g Sơ lược về cấu tạo:
+ Van gồm 1 cuộn dây ( với điên áp sử dụng 24VDC ) Có tác dụng thay đổi ngõ ra của lưu chất
+ 1 ngõ vào khí.Nối với bình khí ( P )
+ Ngõ ra khí: Nối với các thiết bị sử dụng như xy lanh ( A,B )
+ Ngõ thoát khí: Dùng trong trường hợp chuyển đổi ngõ ra ( R,T )
- Khi cuộn dây của van chưa được cấp điện Lưu chất ( khí ) từ cửa P của van được nối với cửa A của van, cửa B được nối với cửa T
Khi cấp điện cho cuộn dây của van, lưu chất (khí) từ cửa P sẽ chuyển từ cửa A sang cửa B, trong khi cửa A được thông với cửa R Lưu chất đi vào từ cửa này, tạo ra sự chuyển đổi cần thiết trong hệ thống.
Hình 4.5 Hướng thoát khí theo cấu tạo van 5/2
Xy lanh chuyển đổi năng lượng thế năng hoặc động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học, tạo ra chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay (góc quay < 360 độ) Thông thường, xy lanh được lắp cố định trong khi piston thực hiện chuyển động Tuy nhiên, trong một số trường hợp, piston có thể cố định và xy lanh sẽ di chuyển.
Piston bắt đầu chuyển động khi lực tác động từ một trong hai phía vượt qua tổng các lực cản ngược chiều, bao gồm lực ma sát, phụ tải, lò xo, thủy động và lực ì.
Xy lanh lực được phân thành hai loại chính: xy lanh lực và xy lanh quay Trong xy lanh lực, chuyển động của piston diễn ra theo hướng tịnh tiến, trong khi ở xy lanh quay, piston thực hiện chuyển động quay với góc quay nhỏ hơn 360 độ.
Phương án thiết kế
Dựa trên yêu cầu của đề tài về hệ thống tự động, nhóm đã xác định cần thiết kế một hệ thống hoạt động ổn định và có chương trình điều khiển hiệu quả Từ đó, nhóm đã đưa ra nhiều phương án thiết kế khác nhau để đáp ứng tiêu chí này.
- Thiết kế phần cơ khí phù hợp, sử dụng PLC điều khiển cho toàn bộ chương trình
+ Dùng phần mềm Autocad để thiết kế mô hình
Hình 4.21 Các kiểu kết nối của PLC S7-1200
+ Thi công mô hình: vật liệu dùng để làm mô hình là thanh nhôm chữ L
+ Các trang thiết bị như nút nhấn, led mua ở Bảo Tín Xylanh, cảm biến, máy bơm, rơ-le mua ở Nhật Tảo
+ Mướn PLC ở Trung tâm thực hành cơ điện – Tự động hóa Tech Garden
- Tiến hành lập trình trên phần mềm PLC
- Thiết kế cơ khí phù hợp với việc sử dụng vi điều khiển (arduino) để điểu khiển toàn bộ hệ thống hoạt động của chương trình
+ Dùng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình
+ Thi công mô hình: vật liệu dùng để làm mô hình là thanh nhôm định hình
+ Các trang thiết bị như nút nhấn, led mua ở Bảo Tín Xylanh, cảm biến, máy bơm, rơ-le mua ở Nhật Tảo
Hình 4.22 Một số loại PLC
+ Mua mạch arduino ở Bảo Tín
- Tiến hành lập trình trên phần mềm arduino
- Sau khi suy nghĩ đánh giá, tính thiết thực của đế tài nhóm đã tổng hợp các lựa chọn trong 2 phương án trên để thực hiện đề tài vì:
+ PLC có tính ứng dụng trong công nghiệp cao, chương trình điều khiển đơn giản, dễ thay đổi, không bị nhiễu, phù hợp làm mô hình học tập
+ Phần mềm Solidworks được nhóm sử dụng thành thạo hơn là phần mềm AutoCad Solidworks thiết kế trực quan hơn khi vẽ 3D, xuất bản vẽ 2D chính xác
+ Sử dụng thanh nhôm định hình để làm phần cơ khí vì nó có tính thẩm mĩ cao, giá thành hợp lý, nhẹ, dễ giả công, dễ vận chuyển,
Thiết kế cơ khí
4.3.1 Phương pháp thiết kế cơ khí
Để chế tạo một thiết bị, bước đầu tiên là tạo ra thiết kế sơ bộ, phác thảo hình dạng và cấu trúc của sản phẩm Thiết kế đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành ý tưởng và mối liên hệ giữa các chi tiết Sau khi có hình dung ban đầu, cần tiến hành phác thảo ý tưởng ra giấy, không cần quan tâm đến kích thước, chỉ cần tập trung vào hình dáng và vị trí của thiết bị.
Sau khi thiết kế từng chi tiết và bộ phận của phần mềm Autocad hoặc Solidworks trong môi trường 3D, việc điều chỉnh kích thước là rất quan trọng Do thiết bị bao gồm nhiều chi tiết khác nhau, kích thước của từng bộ phận cần có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau để đảm bảo tính đồng bộ và hiệu quả trong thiết kế.
Trong quá trình thiết kế, việc vẽ và lắp ráp các chi tiết liên quan đồng thời giúp thuận tiện hơn cho công việc Chúng ta có thể điều chỉnh kích thước và hình dạng của từng chi tiết trong môi trường lắp ráp cho đến khi đạt được yêu cầu mong muốn.
Sau khi gia công và chế tạo các chi tiết từ bản vẽ, quá trình lắp ráp các chi tiết được thực hiện Tiếp theo, các chi tiết sẽ được hiệu chỉnh và chỉnh sửa để đảm bảo sự hoàn thiện, nhằm mang lại thiết bị cuối cùng đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.
- Quá trình thiết kế mô hình chiết rót đóng nắp chai tự động được thể hiện dưới lưu đồ sau:
Quan sát hình ảnh, video thực tế
Thiết kế từng bộ phận của mô hình
Lắp ráp hoàn chỉnh các bộ phận
Gia công cơ khí theo bản vẽ
Lắp ráp thiết bị thực tế
Chỉnh sửa hoàn thành mô hình
Hình 4.24 Lưu đồ quá trình thiết kế mô hình
4.3.3 Thiết kế hệ dẫn động băng tải
4 Thời hạn phục vụ lh = 2000 giờ
6 Góc nghiêng đường nối tâm bộ truyền ngoài: 0 o
7 Đặc tính làm việc: êm
4.3.3.1 Chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền
Tính công suất yêu cầu trên trục động cơ
Công suất trên trục công tác (trục tang quay) Pct được tính theo công thức (c.t.) 2.11 [1]:
Trong đó: F - lực vặn nắp, N; v - vận tốc vặn nắp, m/s
Thay số liệu vào, ta được:
1000 = 0,001(𝑘𝑊) Hiệu suất truyền động tổng của cả bộ truyền được tính theo c.t 2.9 [1]:
Với 1, 2,3,… là hiệu suất qua các bộ truyền và các cặp ổ trong hệ thống dẫn động Trong trường hợp đầu bài ra, ta có công thức cụ thể:
Trong đó: ® - Hiệu suất của bộ truyền đai, chọn ® = 0,96;
brc - Hiệu suất bộ truyền bánh răng côn, chọn brc = 0,96;
brt - Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ, chọn brt = 0,97;
ol - Hiệu suất của một cặp ổ lăn, chọn ol = 0,99; có 3 cặp ổ lăn trong bộ truyền cần thiết kế
(Các số liệu chọn theo bảng 2.3 [1], trong đó, brc và brt chọn theo chế độ đặt trong hộp kín)
Công suất yêu cầu trên trục động cơ được tính theo c.t 2.8 [1]:
Xác định sơ bộ số vòng quay sơ bộ của động cơ
Chọn tỷ số truyền sơ bộ usb cho bộ truyền theo công thức 2.15 [1]:
1 2 sb ng sb hsb ng sb u u u u
Tỷ số truyền sơ bộ của bộ truyền đai thang được ký hiệu là ung1sb, với giá trị trong khoảng 3 đến 5 Đối với hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp, tỷ số truyền sơ bộ được ký hiệu là uhsb, có giá trị từ 10 đến 25 Cuối cùng, tỷ số truyền sơ bộ của nối trục, ung2sb, có giá trị bằng 1.
(Các số liệu tra theo bảng 2.4 [1])
Tốc độ quay của trục công tác (trục tang) nct được tính theo công thức:
Trong đó: v - vận tốc vặn nắp, m/s;
D - đường kính của tang quay, mm
Thay số liệu, ta có:
Từ usb và nct, ta tính được số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ nsb:
Ta chọn số vòng quay sơ bộ của động cơ nsb = 180 (vg/ph)
Chọn động cơ điện có các thông số thoả mãn các tiêu chuẩn:
Theo bảng sách giáo khoa,ta chọn được động cơ có các thông số:
n®c = 180 (vg/ph); Đường kính trục D = 3,5 (mm)
T = 1,4 có các số liệu thoả mãn (số liệu đường kính trục D tra trong bảng P1.6 phụ lục [1] ứng với động cơ kiểu DK42)
Phân phối tỷ số truyền
Xác định tỷ số truyền chung
Tỷ số truyền chung n được tính theo công thức: u Σ =n dc n ct = 180
Tỷ số truyền của hộp giảm tốc
Tỷ số truyền của hgt uh được tính theo công thức:
Với ung1, ung2 lần lượt là tỷ số truyền của bộ truyền đai thang và khớp nối Theo bảng 2.4 [1], chọn ung1 = 4; ung2 = 1
Phân phối tỷ số truyền cho các cặp bánh răng trong hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc côn - trụ hai cấp bao gồm hai tỷ số truyền: u1 cho cấp nhanh, sử dụng cặp bánh răng côn răng thẳng, và u2 cho cấp chậm, sử dụng cặp bánh răng trụ răng nghiêng.
Phân tỷ số truyền: chọn hệ số chiều rộng vành răng Kbe = 0,25; chọn CK = dw22/de21 = 1,15;
Theo thông số đề ra:
Với uh = 13,5 ; tìm được u1 = 3,75 suy ra u2 = uh/u1 = 13,5/3,75 = 3,6
Tính lại tỷ số truyền của bộ truyền đai thang (u d )
4.1.1.2 Tính toán tốc độ quay (n), công suất (P) và momen xoắn (T) trên các trục
Tính tốc độ quay (n) trên các trục
Trên trục công tác (nct):
Trên trục động cơ (ndc):
Tính công suất P và mômen xoắn T trên các trục
Trên trục công tác: công suất P ct và mômen xoắn T ct
Trên trục III: công suất P III và mômen xoắn T III
Trên trục II: công suất P II và mômen xoắn T II
Trên trục I: công suất P I và mômen xoắn T I
Trên trục động cơ: công suất P dc và mômen xoắn T dc
Lập bảng kết quả tính toán chọn động cơ:
Th.số Động cơ Trục I Trục II Trục III Công tác u 4 3,75 3,6 1
4.3.3.3 Xác định lực căng băng:
Chia dây thành các đoạn từ 1-7 như hình vẽ, S1 – S7 thứ tự là các lực căng tại các điểm đó
Theo công thức : Si+1 = Si±Wi+(i+1)
Si, Si+1 : Lực căng của dây băng tại hai điểm thứ i và i+1
Wi(i+1) : Lực cản tại đoạn giữa hai điểm kế tiếp nhau thứ i và thứ (i+1) Theo công thức :
H = q x ω L n q b Trong đó qx : là khối lượng trên 1 đơn vị chiều dài nhánh không tải qx =qb + qk = 5,5 + 3,83 = 9,33 (kg/m) ω là hệ số cản chuyển động ω = 0,035
Ln chiều dài của băng theo phương ngang Ln ",4 (m)
Tại đó lực căng tại các điểm xác định theo S1 như sau:
Hình 4.25 Kích thước băng truyền
4.3.4 kq: hệ số lực căng của bộ phận kéo do lực cản tại chi tiết quay kq=1,05 với góc ôm giữa băng tang là 90 0
W2,3 : Lực căng trên đoạn không tải:
W1,2 = qx.L2,3.(ω.cosα-sinα) Trong đó: qx =9,63 – khối lượng phần chuyển động của nhánh băng không tải
L :chiều dài của dây bằng L=2,12m ω:Hệ số cản chuyển động ω = 0,04 đối với ổ lăn α là góc nghiêng của băng α 0
Kq = 1,07 với góc ôm của dây băng vào tang là 180 0
Wv : lực cản tại vị trí vào tải để truyền cho hàng có tốc độ của bộ phận kéo
Trong đó : Q là năng suất tính toán Q = 120 T / h v là vận tốc của dây băng v=1,25 m/s
Wm : Lực cản do thành dẫn hướng của máng vào tải
Mặt khác : ta có quan hệ giữa lực căng điểm đầu và cuối trên băng theo công thức ole:
S7 = S1.e αμ = S1.e 0,25.3,5 = 2,4 S1 μ: Hệ số bám giữ dây băng trên tang thép
= 200 0 = 3,5 rad: Góc ôm của dây băng trên tang (2)
S6 = 1,19S1 – 42,167 = 1,19.211 – 42,167 = 209 (kg) Kiểm tra độ võng của dây băng : Độ võng cho phép của dây băng nhánh có tải:
= 0,035 Độ võng cho phép của dây băng nhánh không tải:
Vậy dây thoản mãn yêu cầu về độ võng cho phép
4.3.3.4 Kiểm tra các chi tiết đã chọn
- Lực căng dây băng lớn nhất Smax = S7 = 506 (kg)
- Số lớp màng côt cần thiết để chịu lực lớn nhất S4 là : I = Trong đó : +) n0: hệ số dự chữ độ bền chọn theo bảng n0 = 9
+) kc : Giới hạn bền của lớp màng cốt kC = 55 (KG/cm) với vải bạt _-
820 +) B : Chiều rộng dây băng tính bằng cm B = 10 cm Vậy :
- Số màng cốt đã chọn i = 4 > 1,7
=> Vậy băng đã chọn thỏa mãn và đảm bảo đủ độ bền
4.3.3.5 Kiểm tra đường kính tang chuyền động
- Đường kính tang chuyền động được kiểm tra theo áp lực dây băng lên tang:
+) Pt: áp lực cho phép của dây băng P t = 10000 KG/m 2 +) : Góc ôm của băng lên tang = 180 0
+) μ : Hệ số ma sát giữa băng và tang tang μ = 0,25
Biểu đồ lực cân bằng theo chu vi
Hình 4.26 Sơ đồ phân bố lực trên dây băng tải
0,5.10000.3,14.180.0,25 = 0,15 (𝑚) Đường kính cần thiết nhỏ nhất là: 0,15 (m) Đường kính tang đã chọn D = 0,5 > 0,15 m
=> Đường kính tang đã chọn thỏa mãn yêu cầu làm việc.
Thiết kế mạch điện
Hệ thống hoạt động của mô hình biểu diễn theo sơ đồ khối
- Bảng điểu khiển: các nút nhấn Start, Stop, Power
- Khối mạch công suất: là khối chấp hành, nhận tín hiệu từ PLC và thực hiện giúp động cơ, van điện từ hoạt động
- Khối PLC: PLC S7-1200 CPU 224 nhận các tín hiệu từ cảm biến và nút nhận dùng để điều khiển động cơ van khí nén
- Cảm biến: gồm các cảm biển điện dung, cảm biến quang các cảm biến này giúp xác định vị trí của chai nước và mức nước
Hình 4.27 Sơ đồ mạch điện
