Các nước phát triển công nghiệp tự động hoá các ngành kinh tế, kỹ thuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỷ trước. Yếu tố quyết định đó là kỹ thuật điều khiển và các máy tính điều khiển. Các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) được dùng phổ biến ở các nước phát triển. Trong những năm gần đây các máy này đã được du nhập vào Việt Nam ta và được sử dụng rộng rãi tại các công ty và trường dạy học… Máy công cụ điều khiển số hiện đại (CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động. Vậy để làm chủ được công nghệ cần làm chủ được các thiết bị điều khiển. Trong các máy CNC, thì mong muốn các quá trình thực hiện một cách tự động hoàn toàn để giảm thiểu thao tác của con người. Trong đó, việc sử dụng hệ thống thay dao tự động là một đề tài nghiên cứu rất ứng dụng. Nó nâng cao công suất lao động và hiệu quả kinh tế. Việc đi sâu tìm hiểu hệ thống thay dao tự động cho phép ta có thể chế tạo hệ thống thay dao tự động riêng cho phù hợp với từng máy, góp phần tăng hiệu quả của việc sử dụng máy CNC. Việc tăng năng suấ của máy là một nhu cầu cần thiết. Dù đã cố gắng hoàn thành đồ án này, cùng với sự nhiệt tình hướng dẫn cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết và kinh nghiệm còn kém nên không tránh khỏi sai sót. Rất mong được sự góp ý và giúp đỡ của các thày cô trong bộ môn để trang bị thêm được nhiều kiến thức
Tổng quan máy phay CNC
Tổng quan máy phay CNC
CNC (điều khiển số bằng máy tính) là công cụ gia công kim loại tinh vi, cho phép tạo ra các chi tiết phức tạp theo yêu cầu công nghệ hiện đại Thuật ngữ CNC đề cập đến một loạt máy móc sử dụng logic máy tính để kiểm soát chuyển động và thực hiện quy trình gia công kim loại.
Máy phay CNC ngày càng trở nên phổ biến trong các xưởng cơ khí chế tạo khuôn mẫu tại Việt Nam Hầu hết các máy phay CNC đều được nhập khẩu từ nước ngoài, dẫn đến sự đa dạng về chủng loại và kiểu máy tùy thuộc vào nhà sản xuất Hiện nay, máy phay CNC thường được kết hợp với máy khoan để tạo thành các trung tâm gia công CNC, nhằm nâng cao khả năng công nghệ của thiết bị.
- Máy phay đứng CNC bao gồm các bộ phận cơ bản như: cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC
Cụm trục chính là thành phần quan trọng trong máy, nơi lắp đặt dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt Động cơ servo trục chính được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC, cho phép điều chỉnh số vòng quay trong giới hạn cho phép Hệ thống truyền động của trục chính tích hợp phanh khí nén, giúp thay đổi tốc độ quay nhanh chóng Tốc độ quay luôn được cảm biến đo và phản hồi về bộ điều khiển CNC Trục chính còn được trang bị hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực, tự động hóa quy trình thay dao Chuyển động theo trục Z được thực hiện nhờ động cơ servo trục Z, thông qua bộ truyền động trục vít me đai ốc bi, cũng được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC có phản hồi.
Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC được thiết kế hoàn toàn tự động, bao gồm các ổ chứa dao và tay kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao được xác định bởi nhà sản xuất để tránh va chạm với các chi tiết và bộ phận khác của máy Ngoài ra, một số nhà sản xuất CNC còn cung cấp hệ thống thay dao đơn giản hơn, đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng lưu trữ vừa thực hiện thay dao tự động.
Bàn máy của máy phay CNC thông thường có khả năng di chuyển trên hai trục X và Y, với sự dẫn động từ các servo trục X và Y thông qua bộ truyền động trục vít me đai ốc bi Toàn bộ quá trình di chuyển được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi.
Bộ điều khiển CNC của máy phay có vai trò quan trọng trong việc biên dịch chương trình NC, xử lý thông tin và phát lệnh cho các cơ cấu chấp hành Các lệnh điều khiển này được chia thành hai hệ cơ bản: hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt, nhằm kiểm soát quá trình hình thành hình dáng hình học của chi tiết.
Hình 2: Sơ đồ kết cấu động học máy CNC
Hệ thống thay dao tự động trên máy phay CNC
1.2.1 Khái niệm và đặc điểm hệ thống thay dao tự động
- Trong máy phay CNC, việc thay dao trong quá trình gia công được tiến hành hoàn toàn tự động để tiết kiệm thời gian gia công tối đa
Quá trình lựa chọn dụng cụ phù hợp trong ổ chứa để gia công chi tiết được thực hiện thông qua hệ thống cấp phát và kẹp chặt tự động Hệ thống này không chỉ giúp gá đặt và kẹp chặt dụng cụ mà còn tự động tháo dụng cụ ra khỏi cơ cấu công tác và đưa về ổ chứa một cách hiệu quả.
- Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động bao gồm các bộ phận cơ bản sau:
- Ổ chứa dụng cụ, trên các máy phay CNC có các ổ dụng cụ để chứa số dao cần thiết với nhiều loại hình dáng
Cơ cấu chọn dụng cụ từ ổ dụng cụ là bước quan trọng để chuẩn bị dụng cụ thay thế, thường sử dụng cơ cấu mantit giúp động cơ quay đĩa mantit đến từng vị trí chứa dao một cách chính xác.
Hình 3: Hệ thống tang chứa dao
Hình 4: Hệ thống cơ cấu Mantit
- Tay máy để thay thế dụng cụ (trong trường hợp máy CNC_V30 không cơ cấu này)
Cơ cấu kẹp chuôi côn hoặc đài gá dao trong cơ cấu công tác
1.2.2 Phân loại hệ thống thay dao tự động trong máy phay CNC
Hệ thống thay dao tự động trên máy phay CNC và các trung tâm gia công CNC chủ yếu có hai loại: ổ chứa dao kết hợp tay kẹp dụng cụ kép và ổ chứa dao tự hành.
Dạng thứ nhất được trình bày trong hình 1.4 với cơ cấu thực hiện như sau:
- Đưa dụng cụ được gọi vào vị trí sẵn sàng thay dao
- Điều khiển trục chính (2) chuyển động lùi về vị trí thay dao
-Tay quay kẹp dụng cụ (3) quay 90 độ đồng thời kẹp cả hai dụng cụ trên trục chính và trên ổ chứa dao
Quá trình tháo hai dao khỏi cụm trục chính và ổ chứa dao diễn ra nhờ sự phối hợp của hệ thống tháo lỏng dụng cụ khi tay kẹp hạ xuống.
- Tay kẹp quay 180 độ đổi vị trí của hai dụng cụ, rồi chuyển dộng lên đưa 2 dụng cụ vào cụm trục chính và ổ chứa dao
Hình 5: Ổ chứa dao và trình tự thay dụng cụ của ổ chứa dao có tay kẹp kép
Dạng thứ hai được trình bày trong hình 1.5 với cơ cấu thực hiện như sau:
- Cụm trục chính (1) chuyển động về mặt phẳng thay dao
- Ổ chứa dao (2) chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng cụ cần được thay (3) trên trục chính
Hình 6: Ổ chứa dao tự hành và trình tự thay dao
- Hệ thống kẹp dụng cụ trong trục chính được điều khiển tháo lỏng, trục chính chuyển động đi lên tháo hoàn toàn dụng cụ khỏi cụm trục chính
- Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gỏi vào vị trí thay dao nằm dưới trục chính
- Trục chính chuyển động đi xuống kẹp chặt dụng cụ và ổ chứa dao tịnh tiến
11 lùi về vị trí ban đầu
Các bước của quá trình thay dao
Hình 7: Hình vẽ mô phỏng trình tự thay dao
Quá trình thay dao gồm 8 bước
Bước 1: Trục chính chạy về phía vị trí thay dao, xoay định hướng góc then Bước 2: Tang dao tự hành tiến vào ôm lấy dao trên trục chính
Bước 3: Hệ thống khí nén thực hiện xả khí để nhà đầu dao ra
Bước 4: Trục chính thực hiện quá trình đi lên qua chiều cao của đầu gá dao
Bước 5: Tang dao quay phân độ dựa vào cơ cấu Mante, đưa dao cần thay vào vị trí mà trục chính trùng trục của gá dao
Bước 6: Trục chính đi xuống về tọa độ thay dao, khi độ đầu của gá dao đã nằm trong chấu kẹp của trục chính
Bước 7: Hệ thống khí nén thực hiện nén khí để hồi xi lanh kẹp, kẹp chặt chuôi của gá dao
Bước 8: Tang dao về vị trí ban đầu
1.2.3 Thiết kế động học và nguyên lý hoạt động của hệ thống:
STT Tên chi tiết Số lượng
4 Giá đỡ động cơ quay tang dao 1
12 Hệ thống bơm khí nén 1
Hình 8: Sơ đồ động của hệ thống thiết kế
Khái niệm sơ đồ động
Sơ đồ động của máy là các hình vẽ quy ước thể hiện các bộ truyền và cơ cấu liên kết, giúp xác định các chuyển động cần thiết của máy Nó còn chỉ rõ công suất, số vòng quay của động cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mối của trục vít và số răng của bánh vít.
Sơ đồ động của toàn bộ hệ thống
Dựa trên định nghĩa sơ đồ động và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống thay dao CNC, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ động toàn bộ hệ thống thay dao tự động bằng phần mềm Cad, kèm theo các hình vẽ quy ước để minh họa rõ ràng.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi chương trình gia công đến lệnh thay dao, bộ phận điều khiển ngay lập tức dừng các chuyển động của dao trên trục X và Y, đồng thời ngắt động cơ trục chính.
Động cơ dẫn động trục chính quay dao đến vị trí thay dụng cụ đã xác định, dừng lại khi trục chính ở đúng hướng với chốt của đài dao Bộ điều khiển sau đó điều khiển trục Z hạ xuống vị trí thay dao, đồng thời đài dao quay để tay kẹp dụng cụ chuẩn bị kẹp trên trục chính Khi ụ thay dao tiến từ trái sang phải, hai tay kẹp mở ra và giữ chặt dao lò xo, bộ điều khiển phát lệnh cho thanh kéo trong ụ trục chính đi xuống để nhả kẹp Đầu trục chính sau đó đi lên để trả dao vào vị trí đã nhớ Cuối cùng, bộ điều khiển lệnh động cơ quay đài dao đến vị trí thay dao, và đầu trục chính hạ xuống để nhận dao mới, kết thúc quá trình thay thế dao tự động khi ụ thay dao tiến từ phải qua trái.
Ưu nhược điểm của hệ thống thay dao tự động so với thay dao bằng tay
- Rút ngắn được thời gian thay đổi dụng cụ
- Tránh được các lỗi khi thao tác
- Tránh được một số rủi ro khi tai nạn
- Có khả năng tự động hóa ở mức độ cao
- Cần vốn đầu tư ban đầu lớn
- Chi phí lắp đặt tăng
- Người vận hành phải có hiểu biết về máy.
Tính toán kích thước hệ thống thay dao
Xác định gốc tính toán cho hệ thống thay dao
Để đảm bảo quá trình thay dao an toàn, cần xác định điểm chuẩn trùng với điểm gốc của trục chính máy CNC Điểm này phải đảm bảo rằng tâm của trục chính và tâm của dụng cụ thay phải trùng nhau, đồng thời hành trình thay dao của trục chính là Ltr0 mm và hành trình dẫn hướng của động cơ Ldc%0 mm phải không xảy ra va chạm Việc tính toán cho hệ thống thay dao đòi hỏi xác định một điểm gốc tính toán, với điểm gốc này cách điểm chuẩn thay dao một khoảng nhất định.
Sơ đồ tính toán, thiết kế hệ thống thay dao tự động
Các dữ liệu đầu vào
Tính toán Tang dao Tính toán hệ dẫn động cho cơ cấu thay dao
Xác định các thông số hình học của
Để tối ưu hóa hiệu suất của Tang dao, cần chú ý đến việc lựa chọn tay kẹp phù hợp trên Tang, xác định bán kính từ tâm dao đến tâm Tang R 0, và tính toán khoảng cách giữa các dao gần nhau trên Tang Ngoài ra, việc tính toán các thông số hình học của Tang cũng rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác.
Tính toán cơ cấu Man cho Tang a) Tính toán các thông số hình học của
Man b) Tính toán động học của Man c) Tính toán và lựa chọn động cơ
Tính toán và lựa chọn ổ lăn, ổ bi a) Sơ đồ bố trí ổ lăn, ổ bi b) Chọn loại ổ lăn c) Chọn và kiểm nghiệm khả năng tải
Tính toán trục dẫn hướng, kiểm nghiệm độ bền
Tính toán và lựa chọn động cơ HGT a) Sơ đồ nguyên lý của hệ thống dẫn động bằng động cơ HGT b) Tính toán và chọn động cơ HGT
Tính toán Tang chứa dao
Các thông số ban đầu:
- Số lượng đầu dao N dao
-Đường kính lớn nhất của một con dao Dmax= 80mm (lấy theo đường kính lớn nhất của dao phay mặt đầu)
- Chuôi dao BT40: Chọn bầu kẹp dao phay: Chuôi côn BT40 nhà sản xuất SANJET
Hình 9: Bầu kẹp dao phay BT40
- Khối lượng của 1 con dao :7kg
- Đường kính trục chính: DTrc0mm
- Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đổi dụng cụ: Ltd150mm
Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao, cần thiết kế cơ cấu hệ thống gọn nhẹ và chính xác, tránh va chạm khi trục chính thay dụng cụ Đĩa tích dao phải chứa đủ 16 dao mà không xảy ra sự cố trong quá trình thay dao Trước tiên, cần tính toán bán kính từ tâm trục ổ chứa dao để đạt được hiệu quả tối ưu.
Hình 10: Sơ đồ tính toán kích thước hình học của đĩa tích dao
Hình 11: Chỉ số tang dao
A Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Đĩa tích dao chứa dao R o được xác định:
C: Chu vi của đa giác chứa dao được xác định
C = Dmax N = 80.16 80 (mm) Đường kình lớn nhất được chọn khi so sánh đường kính lớn nhất của chuôi dao và tay gá dao
N: số dao của ổ chứa N = 16 dao
20 Để giữa các dao có Rmax có khoảng cách ta lấy R0 '0(mm)
Khi đó chu vi của vòng tròn chứa dao là:
B.Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Đĩa tích dao :
Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác định gần đúng :
16 = 105,97 mm Khoảng cách giữa các dao có đường kính lớn nhất có thể xác định gần đúng:
C Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao:
Tính bán kính vòng ngoài của Đĩa tích dao R1:
R0 : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Đĩa tích dao R0= 270 (mm)
Dmax :là đường kình lớn nhất của dao BT40
Bán kính vòng trong của Đĩa tích dao R2 là yếu tố quan trọng để tạo không gian cho tay kẹp di chuyển và lắp ghép lò xo, nhằm tạo ra lực kẹp hiệu quả.
Tính kích thước chiều cao Đĩa tích dao
Chiều cao của đài dao : H=E+f+∆H
Trong đó: - E:Chiều cao chuôi dao BT40
- f :Chiều dày thành tang f mm
-∆H :Chiều cao dự phòng lấy ∆HE mm H0+10+45 5 mm
Tính toán cơ cấu Man
A Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man:
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man:
Cơ cấu Mante chuyển đổi chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1 Chuyển động gián đoạn này cho phép phân độ các vị trí của các đài dao trong quá trình thay dao Thông thường, số rãnh trên đĩa Mante là Z = 4, 6, 8, 10, 16, 18,
Với hệ thống thay dao gồm có 18 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là: Z = 16
Với kết cấu của đài Đĩa tích dao mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là R = 180 (mm)
Hình 12: Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Điều kiện bắt buộc để chống va đập là:
Trong đó góc được xác định theo số rãnh của đĩa Man là Z = 18 rãnh:
Khi thiết kế góc 2T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với tỷ số truyền động i của cơ cấu Man:
(Ở đây 2T là góc quay thực tế)
Khi quay góc 2T sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một góc 2 có thể tính : i t m t T
Ta có tỷ số giữa thời gian quay của đĩa Man tm và thời gian không quay của nó to là:
Khi cần Man quay với tốc độ đều = const thì thời gian quay đúng một vòng là:
Trong đó n: số vòng quay/phút của cần chính là số vòng quay của động cơ bước
Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định:
Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L:
L = 𝑅 cos 𝛼 = 180 cos 11,25° = 183,5 (mm) Lấy L = 190 (mm)
Chiều dài của rãnh đĩa Man : h = L(sin + cos - 1) + r h = 190(sin11,25 o + cos11,25 o - 1) + 10 C,4 (mm)
Bán kính quỹ đạo cần :
B.Tính toán động học của cơ cấu Man :
Xác định góc của đĩa Man khi cần quay được một góc :
Vậy Tốc độ của đĩa Man có thể viết:
1,038−0,39 cos 𝜑 𝜔 Gia tốc của đĩa Man:
) sin cos sin 2 1 ( sin cos sin
Khi bắt đầu và kết thúc thì = /2 - :
) sin sin sin 2 1 ( cos sin 2 2
Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi cos 𝜑
= 53,13 o Vận tốc góc lớn nhất khi = 0 o
Khi cần Man quay đều với vận tốc góc , đĩa Man sẽ quay không đều với vận tốc góc đ và có gia tốc đ Vận tốc lớn nhất đạt được khi = 0° và gia tốc lớn nhất xảy ra trong cùng điều kiện này.
= 53,13 o khi đó = 10,02 o Với thời gian thay dao hệ thống là: 3/7 (s)
T = 3 (s) là thời gian thay dao nhanh nhất của hệ thống khi dao cần thay ở gần vị trí thay dao nhất
T = 7 (s) là thời gian thay dao lâu nhất của hệ thống khi dao cần thay ở xa vị trí thay dao nhất
Thời gian thay dao của hệ thống gồm:
Txl: thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ hoặc rời khỏi vị trí thay dụng cụ
Tnd: thời gian trục chính nhả dao và tịnh tiến đi lên
Tkd: thời gian hành trình trục chính di chuyển xuống và kẹp dao
Tt: thời gian thay đồi để dao vào vị trí thay đổi
Thời gian đài dao quay 1 bước là
2Txl + Tnd + Tkd = Tmin - Ttmin = 3 - 0,6 = 2,4 (s)
Ta lại có: Ttmin = Tc + Td
Tm: là thời gian chuyển động của tang đài dao
To: là thời gian dừng của tang đài dao
Số vòng/phút của đĩa man cần được xác định: n = (𝑧−2)
𝑡 𝑚 = 101 (vòng / phút) Vận tốc góc: ω = πn
30 = 10,6(rad/s 2 ) Vận tốc góc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của đĩa Man:
Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi cosφ = √( 𝜆 2 +1
(1−2sin11,25 o cos52.31 o +sin 2 11,25 o ) 2 10,6 2 = 26,1(rad/s 2 ) Vận tốc góc lớn nhất khi = 0 o ω d = 𝑠𝑖𝑛11,25
C Tính toán động lực học của cơ cấu Man:
Khối lượng của Đĩa tích dao chứa dụng cụ:
GT= GĐ + GK + 16 GD + G + GM
GM:khối lượng của tang dao đặc là : (π.R1 2.0.02+π.R2 2.(H-0,02)) D
GĐ: khối lượng của đĩa man là : π.0.19 2 0,015.7800 = 13,27 (kg)
GK: khối lượng của cơ cấu kẹp dao :GK = 1(kg)
GD: khối lượng của một đài dao : 7 (kg)
G : khối lượng của các chi tíêt phụ lấy = 10 (kg)
Vậy trọng lượng của Đĩa tích dao chứa dụng cụ là :
- Xét các lực tác dụng lên đĩa Man trong quá trình làm việc
Hình 13: Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man
Pđ : Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man
Pms: Lực ma sát tại ổ côn do trọng lượng của Đĩa tích dao tạo ra
Pms= PT.f = 1994 0,02 = 39,88 N f = 0,02 :Hệ số ma sát của ổ đũa côn đỡ chặn
Ro: Bán kính trung bình của ổ côn = 40+90
2 emm Phương trình cân bằng momen với đĩa Man ứng với lúc đĩa Man có gia tốc lớn nhất :
J : Mômen quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đường tâm của Đĩa tích dao
= 518,4 10 -3 (kg.m 2 ) g : gia tốc trọng trường = 9,81 m/s 2 d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Đĩa tích dao chứa dao là d'0 mm
max= 26,1 rad/s 2 gia tốc góc lớn nhất của đĩa Man khi = 52,31 o E=√𝐿 2 − 2𝐿𝑅 𝑐 𝑐𝑜𝑠 𝜑 + 𝑅 𝑐 2 =√190 2 − 2.190.40 cos(52,31) + 40 2
Pđ = 129,7 (N) Vậy lực tác dụng lớn nhất lên cần gạt trong quá trình thay dao là:
Mômen tác dụng lên trục của cần gạt :
Công suất lớn nhất trên cần :
D.Tính toán và lựa chọn động cơ
Công suất động cơ được xác định theo công suất của cần gạt:
Chọn động cơ của hãng DKM của Hàn Quốc Loại động cơ: 150W - AC - 220V - 50Hz – 1500 vòng/phút, kèm hộp giảm tốc với hệ số truyền 25 với M 19.6 N.m
Hình 14: Động cơ điện của hàng DKM
Tính toán lựa chọn ổ lăn
Hệ thống thay dao bao gồm một ô lăn dạng ổ bi và một ổ lăn dạng ổ đũa côn Ổ bi chỉ chịu lực hướng tâm, trong khi ổ côn phải chịu cả lực hướng tâm và lực dọc trục Do lực hướng tâm không lớn so với lực dọc trục, chúng ta chỉ cần tính toán cho ổ côn và lấy kích thước của ổ bi theo kích thước của ổ côn.
Hình 15: Sơ đồ bố trí ổ lăn trên hệ thống thay dao a Lựa chọn loại ổ lăn :
Cấu trúc của cơ cấu chứa dao cho thấy ổ lăn chỉ chịu lực dọc trục, trong khi lực hướng tâm rất nhỏ và có thể bỏ qua Do đó, chúng ta sẽ sử dụng ổ đũa côn để đỡ chặn Tiếp theo, cần thực hiện việc chọn sơ bộ kích thước cho ổ.
Để thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí cho Đĩa tích dao chứa dao, chúng ta lựa chọn ổ đũa côn cỡ trung 7308, theo tính toán của Thầy Trịnh Chất và Lê Văn Uyển.
Theo bảng phụ lục p2.11 trang 260
Với các thông số: đường kính trong d= 40 mm; đường kính ngoài D = 90 mm, khả năng tải động C = 61 kN, khả năng tải tĩnh Co= 46 kN
Ổ đũa côn c chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Đĩa tích dao và dụng cụ gá đặt trên đó Trong hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, Đĩa tích dao quay với vận tốc tối đa 2,85 rad/s, tương đương 129,38 vòng/phút Mỗi lần hoạt động, Đĩa tích dao chỉ quay từ 1 đến 2 vòng, do đó chỉ cần kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh cho ổ.
Hình 17: Sơ đồ phân bồ lực
Sơ đồ bố trí lực trên ổ
G = PT = 1994 N : trọng lượng của Đĩa tích dao
Ta kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ theo điều kiện sau :
Với Co= 13,3 kN: khả năng tải tĩnh
QT: Tải trọng tĩnh được tính theo công thức:
QT = Xo.Fr+ Yo.Fa
Xo, Yo: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục
Fa : lực dọc trục Fa = G = PT = 1994 N
Vậy ổ lăn đủ bền d Lựa chọn ổ bi lăn:
Với các thông số của ổ côn : d = 40 mm , D = 90 mm
Ta chọn ổ bi đỡ cơ trung
(Tính toán hệ thống dẫn động trong cơ khí tập 1-Thầy Trịnh Chất,Lê Văn Uyển)
Kí hiệu ổ d, mm D, mm B, mm r, mm C, kN C o , kN
Với các thông số của ổ d = 40 mm, D = 90 mm, B = 23mm, C = 31,3 kN, Co = 23,7 kN
Hình 18: Hình vẽ ổ bi đỡ một dây
Tính toán trục đỡ Tang
Đường kính trục đỡ Đĩa tích dao được lấy theo đường kính trong của ổ lăn và bằng: d @ mm
Ta đi kiểm nghiệm độ bền của trục :
Trục đỡ Đĩa tích dao chịu lực dọc trục từ khối lượng của Đĩa tích dao và dụng cụ, với trọng lượng tổng cộng là PT = 1994 N Do đó, cần tiến hành kiểm nghiệm độ bền kéo của trục để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
Vật liệu của trục là thép CT5 có giới hạn bền là b = 550 MPa , giới hạn chảy là
ch = 280 MPa Để kiểm nghiệm độ bền của trục ta tính theo công thức:
−3 12,57 = 0,159 280 Mpa Vậy trục thoả mãn điều kiện bền
Biến dạng dài của trục l được tính theo công thức:
E = 2.10 4 kN/cm 2 : môđun đàn hồi của thép
Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ cấu thay dao
A Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao
Trong quá trình thay dao tự động, cần thực hiện chuyển động tịnh tiến của tang so với trục trính để hoàn thành việc thay dao Do tải trọng của đài dao không lớn, chuyển động này là chuyển động thẳng ra vào, vì vậy hệ thống xylanh khí nén được lựa chọn cho hệ thống.
Ta xây đựng hệ thống dẫn động khí nén với các phần tử của hệ thống thủy- khí được nối ghép theo sơ đồ sau:
Hình 19: Sơ đồ hệ thống khí nén dẫn động đài dao
1 Piston 2 Xy lanh khí nén 3 Đài dao 4 Van tiết lưu
5 Van đảo chiều 6 Van 1 chiều 7 Rơ le áp suất 8 Van giảm áp
9 Đồng hồ đo Áp 10 Máy nén khí 11 Bộ lọc 13 Van an toàn
B Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khí nén được hút từ bình chứa qua van lọc thô vào máy nén khí, tạo ra dòng khí có áp suất P, sau đó tiếp tục đi qua van lọc tinh.
Van an toàn 13 giúp bảo vệ máy nén khỏi tình trạng quá tải, trong khi van lọc 11 bị tắc sẽ khiến khí được xả ngược về bình chứa khí Đồng hồ đo áp 9 cho phép kiểm tra áp suất của dòng khí một cách chính xác.
Van giảm áp 8 – điều chỉnh áp suất cần thiết cho hệ thống
Rơle áp suát 7 – ngắt nguồn điện cung cấp cho hệ thống khi quá tải
Van đảo chiều 5 – đảo chiều xylanh: điều khiển bằng điện từ
Van tiết lưu 4 kết hợp với van 1 chiều 6 có tác dụng tiết lưu theo 1 chiều
Khí có áp suất làm việc sẽ đi vào Xylanh 2, dưới áp suất làm việc sẽ đẩy Piston 1 gắn với đài dao cùng di chuyển
C Tính toán hệ dẫn động khí nén
Hình 20: Các vị trí của đài dao so với trục chính
Khoảng cách giới hạn giữa trục đài dao và trục chính là:
Lmax = (D/2) + k = 270 +250 = 520 (mm) với k ≥ Z/2 + r + f trong đó:
Z: chiều rộng bàn Z của máy, Z = 340 mm r: bán kính cổ chuôi dao BT40, r = 40 mm f: khoảng an toàn, chọn f = 20 mm (để khi đài dao ra vào không xảy ra va chạm với trục chính thì f > 0) k ≥ 230 mm Chọn k = 250 (mm)
Hành trình của piston là: H = Lmax – Lmin = 520 – 270 = 250 (mm)
Khối lượng của đài dao: Q = 203,27 kg
Chọn hệ số ma sát giữa đài dao và trục dẫn hướng: fms = 0.1
Hành trình của piston đã tính được: H = 250 mm
Ta tính áp lực do cần piston tạo ra theo công thức:
Vị trí đài dao gần tâm cụm trục Z nhất Vị trí đài dao xa tâm cụm trục Z nhất
D – đường kính của xylanh p – áp suất làm việc của xylanh (áp suất khoang làm việc 6-8 bar, áp suất khoang thoát khí tối thiểu là 1,4 bar)
Hệ số hiệu dụng của xylanh khí nén thường được xác định là 0,5 do nhiều yếu tố ảnh hưởng như tổn hao ma sát, tính đàn hồi của khí nén khi chịu tải thay đổi và sức ỳ của piston trước khi dịch chuyển Các xylanh khí nén chủ yếu làm việc dưới tải trọng động, dẫn đến sự giảm hiệu suất trong quá trình hoạt động.
Chọn sơ bộ áp suất làm việc của hệ thống là: p = 8 bar = 8 Kg/cm 2 Để piston di chuyển được thì:
Fms: lực masat giữa đài dao và thanh dẫn hướng
Trong đồ án này, sinh viên cần chọn kích thước đường kính của xylanh và piston theo tiêu chuẩn số lẻ, ví dụ như 15, 20, 25 mm Cụ thể, đường kính trong của xylanh được xác định là D = 50 mm, trong khi đường kính cần của piston là d = 20 mm.
Vậy áp suất thực tế cần là:
Với pa: áp suất buồng thoát khí – chọn pa = 1,5 bar = 1,5 kg/cm 2
Thay số ta được P ≥ 6,075 kg/cm 2 = 6,075 bar
Chọn xylanh – piston khí nén theo catalog của nhà sản xuất, ưu tiên loại có kết cấu giảm chấn khí nén ở cả hai đầu Các thông số hình học cần được xác định chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 21: Kích thước của Xilanh-Piston khí nén
Tính toán lưu lượng qua van tiết lưu:
Hành trình của Xylanh là:
Thời gian di chuyển của đài dao:
Giả sử đài thay dao di chuyển thẳng đều với tốc độ là:
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều đi là:
4 1,5625.60 = 18,4 (l/ph) Lưu lượng qua van tiết lưu chiều về là:
Từ Q1, Q2 ta lựa chọn được van tiết lưu phù hợp cho hệ thống
Bảng thông số của hệ thống khí nén
Tên kích thước Kích thước Đường kính trong của Xylanh D = 50(mm) Đường kính cần piston d = 20(mm)
Hành trình của Xylanh – Piston H = 250 (mm)
Thời gian đi hết hành trình của Xylanh –
Piston T = 1,6 (s) Áp suất khoang làm việc P = 7 bar Áp suất khoang thoát khí pa = 1,5bar
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều đi Q1 = 18,4 l/ph
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều về Q2 = 15,46 l/ph
D Tính toán trục dẫn hướng đài dao Để dẫn hướng cho Tang chứa dụng cụ, ta dùng 2 trục lắp trên thân đỡ để dẫn hướng:
Hình 22: Sơ đồ bố trí trục dẫn hướng trên hệ thống thay dao
Hệ thống thay dao yêu cầu độ chính xác cao, với trục dẫn hướng giúp Tang chứa dao tiến vào trục chính qua các bạc Trục chỉ chịu trọng lượng của Tang chứa dụng cụ và động cơ truyền động quay Vật liệu cho trục được chọn dựa trên độ bền uốn và độ võng tối đa cho phép, với đầu vào là khối lượng hệ thống Tang chứa dụng cụ và khoảng cách giữa hai gối ổ cố định gần bằng hành trình dịch chuyển của Tang.
-Trọng lượng của Tang và dụng cụ: G0 = 203,27.9,81 = 1994N
- Trọng lượng của động cơ quay đài dao : G1 = 28,7.9,81 = 281,5 N
- Trọng lượng của trục đỡ tang : G2 = 12.9,81 = 117,7 N
- Trọng lượng của giá treo đài dao : G3 = 24.9,81 = 235,4 N -Vật liệu thépC45: σb`0(MPa), 20(MPa)
-Chiều dài trượt: Ltd= 130 mm
Để tính toán đường kính trục dựa trên độ bền uốn, cần xem xét trường hợp Tang và dụng cụ nằm ở vị trí giữa của trục dẫn hướng Tại vị trí này, momen lớn nhất được xác định với độ lớn Mtd = G/2.Ltd.
Tổng trọng lực G tác động lên hai trục dẫn hướng chủ yếu bao gồm trọng lượng của tang và dụng cụ trên tang, trọng lượng của trục đỡ tang, động cơ, giá treo đài dao và các thành phần phụ khác Tổng khối lượng được xác định là 10.9,81 = 98,1 N.
= 1994 + 281,5 + 117,7 + 235,4 + 100 = 2728,6 N Đường kính trục phải thỏa mãn điều kiện: td d 3 M
Thay số ta có: d ≥ 14,35 mm
Chọn đường kính trục nhỏ nhất dmin là 25mm và kiểm tra độ võng lớn nhất của trục bằng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin Đồng thời, cần xây dựng các biểu đồ Momen Mp và Mk để đánh giá hiệu suất của trục.
Hình 23: Biểu đồ lực và biểu đồ momen
41 Độ võng lớn nhất của trục đượ tính theo công thức f = 1
= 0,2 mm Điều kiện trục làm việc được: f≤ [f]
[f]: Độ võng cho phép của hệ thống [f] = h
Với h: khe hở cho phép làm việc của kết cấu Xylanh – Piston.
Kích thước của hệ thống đã tính toán và kí hiệu
Ro '0 (mm) là khoảng cách giữa đường tâm Đĩa tích dao đến đường tâm dao
R1 !0 (mm) là bán kính vòng ngoài của Đĩa tích dao
R2 0 (mm) bán kính vòng trong của Đĩa tích dao
H = 205 (mm) chiều cao tang dao
R 0 (mm)bán kính của đĩa man
L 0 (mm) là khoảng cách từ đường tâm của Đĩa tích dao đến đường tâm của động cơ h = 50 (mm) là chiều dài rãnh đĩa man
Rc = 40 (mm) là bán kính đĩa động cơ dẫn động Đĩa tích dao
= 11,25 o là góc giữa đường tâm của động cơ đến đường tâm con gạt Đĩa tích dao
Tính toán động học cơ cấu Man:
d = 2.67 (rad/s) Vận tốc lớn nhất; d
36,69 (rad/s 2 ) Gia tốc lớn nhất
Tính toán động lực học cơ cấu Man:
PT = 1994 (N) trọng lượng của Đĩa tích dao
J= 518,4.10 3 (kg.mm 2 ) mô men quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đường tâm của Đĩa tích dao
PC = 129,7 (N) lực tác dụng lớn nhất lên cần gạt trong quá trình thay dao
M = 5188 (Nm) momen tác dụng lên trục cần gạt
Chọn động cơ của hãng DKM của Hàn Quốc Loại động cơ: 150W - AC - 220V - 50Hz – 1500 vòng/phút, kèm hộp giảm tốc với hệ số truyền 25 với M 19,6 N.m
Mô hình hóa hệ thống điều khiển
Các bước của quá trình thay dao
Hình 24: Hình vẽ các bước quá trình thay dao tự động
Quá trình thay dao gồm 8 bước
Bước 1: Trục chính chạy về phía vị trí thay dao, xoay định hướng góc then Bước 2: Tang dao tự hành tiến vào ôm lấy dao trên trục chính
Bước 3: Hệ thống khí nén thực hiện xả khí để nhà đầu dao ra
Bước 4: Trục chính thực hiện quá trình đi lên qua chiều cao của đầu gá dao
Bước 5: Tang dao quay phân độ dựa vào cơ cấu Mante, đưa dao cần thay vào vị trí mà trục chính trùng trục của gá dao
Bước 6: Trục chính đi xuống về tọa độ thay dao, khi độ đầu của gá dao đã nằm trong chấu kẹp của trục chính
Bước 7: Hệ thống khí nén thực hiện nén khí để hồi xi lanh kẹp, kẹp chặt chuôi của gá dao
Bước 8: Tang dao về vị trí ban đầu
Chu trình làm việc của hệ thống thay dao tự động
3.2.1 Trường hợp trên trục chính không có dao Đây là trường hợp khi mới khởi động máy, trên trục chính của máy không có dao, như vậy chu trình thay dao sẽ không có quá trình trả dao Khi nhận được lệnh thay dao trong chương trình gia công với định dạng: “Txx” trong đó xx là số chỉ vị trí con dao cần thay đang được lưu trữ trong hệ thống thay dao tự động Sau khi chương trình đọc được lệnh thay dao, trục chính dừng lại đồng thời xoay định vị để các hốc định vị trên chuôi dao về đúng vị trí và cụm trục Z di chuyển về vị trí Home Xy lanh khí nén cấp nguồn động lực cho di chuyển cụm tang đài chứa dao được cấp khí theo chiều thuận đấy cơ cấu tang đài chứa dao về vị trí thay dao Tiếp đến, động cơ điều khiển cơ cấu Mante sẽ quay thuận (hoặc ngược) phụ thuộc vào vị trí dao hiện tại và vị trí con dao được gọi sao cho thời gian là ngắn nhất Sau khi con dao được gọi đã vào vị trí sẵn sàng thay dao thì xy lanh điều khiển cơ cấu kẹp dao bên trong trục chính được kích hoạt, giải phóng cơ cấu kẹp dao, sau đó trục chính di chuyển xuống vị trí thay dao, đầu côn của chuôi dao sẽ đi vào đúng đầu côn của trục chính Khi này xy lanh điều khiển cơ cấu kẹp dao bên trong trục chính ngừng cấp khí, dưới tác động của lực đàn hồi lò xo, cơ cấu kẹp sẽ kẹp lấy phần đuôi chuột của con dao và kéo nó lên trên ép sát vào mặt côn của trục chính để kẹp chặt
Trục chính chạy về phía vị trí chạy dao oay định hướng góc then
Tang dao tự hành tiến vào ôm lấy dao trên trục chính
Hệ thống khí nén thực hiện xả khí để nhả đầu dao
Trục chính thực hiện quá trình đi lên qua chiều cao của đầu gá dao
Tang ao quay phân độ cơ cấu Mante, dao cần thay vào vị trí thay dao
Trục chính đi xuống vào vị trí thay dao
Hệ thống khí nén thực hiện nén khí hồi xi lanh kẹp, kẹp chặt chuôi dao
Tang dao về vị trí ban đầu
Quá trình thay dao bắt đầu khi trục chính kẹp con dao và van phân phối 5/2 đảo chiều cấp khí cho xy lanh điều khiển di chuyển cụm tang đài chứa dao về vị trí chờ Sau đó, trục chính sẽ di chuyển lên điểm Home của trục Z, hoàn tất quá trình thay dao.
3.2.2 Trường hợp trên trục chính có dao Đây là trường hợp khi máy đang hoạt động hoặc lần gia công trước đã hoàn thành nhưng không có quá trình trả dao Chương trình gia công được chạy, khi chương trình đọc đến lệnh thay dao “Txx” trục chính dừng quay đồng thời định vị, vị trí rãnh định vị đúng vị trí và di chuyển lên điểm Home của trục Z Tiếp đó trục chính di chuyển xuống về vị trí thay dao Lúc này do dao cũ trên trục chính đã được thay tự động bởi hệ thống từ lần gọi thay dao trước nên vị trí hiện tại của tang đài chứa dao vẫn là vị trí của con dao cũ Xy lanh khí nén điều khiển chuyển động của cụm cơ cấu tang đài chứa dao được cấp khí theo chiều thuận, đẩy cụm tang đài chứa dao vào vị trí thay dao, cơ cấu kẹp dao gắn trên tang đài chứa dao sẽ kẹp lấy và giữ chuôi dao Khi hệ thống nhận biết được tang đài chứa dao đã vào vị trí thay dao thì xy lanh điều khiển mở kẹp dao bên trong trục chính được kích hoạt làm nhả đuôi chuột của chuôi dao Sau khi nhả kẹp thì trục chính di chuyển lên điểm cao nhất của trục Z Lúc này động cơ dẫn động cơ cấu Mante được kích hoạt quay theo chiều thuận (hoặc ngược) tuỳ vào vị trí tương quan vị trí giữa con dao cũ được thay ra và con dao mới được gọi sao cho thời gian quay là ngắn nhất Sau khi đã quay phân độ đưa được con dao cần thay vào vị trí thay dao thì động cơ điều khiển cơ cấu Mante dừng lại, lúc này trục chính di chuyển xuống vị trí thay dao, khi xuống đến vị trí thay dao thì xy lanh điều khiển cơ cấu kẹp bên trong trục chính ngừng kích hoạt, dưới tác động của lực đàn hồi của lò xo thì cơ cấu này kẹp lấy đuôi chuột của chuôi dao và kéo lên kẹp chặt lấy chuôi dao Sau khi trục chính kẹp được dao thì van phân phối 5/2 đảo chiều, xy lanh dẫn động cụm cơ cấu tang đài chứa dao được cấp khí theo chiều ngược lại trở về vị trí chờ Lúc này trục chính di chuyển lên điểm Home của trục Z Kết thúc chu trình thay dao.
Mô hình hóa cho 1 trục chuyển động theo phương Ox của tang chứa dao và trục chính
3.3.1 Tang chứa dao và xi-lanh khí nén
Hình 25: Sơ đồ tang chứa dao và xi lanh khí nén
Trong đó: 1:Xy lanh khí nén
1: Kẹp dao 2: Động cơ 3: Trục vít me
Mô hình hệ thống điều khiển thay dao
Mô hình hệ thống điều khiển thay dao
Hệ thống điều khiển 3 đối tượng:
-Trục chính -Động cơ -Khí nén
Ta có sơ đồ thuật toán
Dao được đánh số từ 1 16 theo chiều kim đồng hồ
Trục chính đang giữ dao thứ I
Con dao (hốc dao) cần lấy ở vị trí ổ dao thứ J
C: là kí hiệu của việc quay đài dao ngược chiều kim đồng hồ từ I J trong sơ đồ khối thuật toán của bài toán tối ưu
D: là kí hiệu của việc quay đài dao cùng chiều kim đồng hồ từ I J trong sơ đồ khối thuật toán của bài toán tối ưu
Chiều quay chính được chọn sẽ là ngược chiều kim đồng hồ D Động cơ Trục chính
Bảng điều khiển Điều khiển thay dao
Di chuyển tang chứa dao
DTC trùng DYC Định hướng trục chính
Trục chính di chuyển đến vị trí thay dao, sau đó xoay góc then để định hướng chính xác Ổ chứa dao sẽ vào vị trí thay dao và kẹp dao hiện tại Khi khí nén được giải phóng, chốt kẹp dao trên trục chính sẽ mở Tiếp theo, trục chính di chuyển lên về vị trí ban đầu và dao cần thay được xoay về vị trí thay dao Cuối cùng, trục chính hạ xuống đến vị trí kẹp dao cần thay.
Hệ thống khí nén hồi xi lanh kẹp, kẹp chặt chuôi dao Ổ chứa dao về vị trí ban đầu Trục chính di chuyển về vị trí ban đầu
Sơ đồ thuật toán điều khiển thay dao
Start Ổ dao ở vị trí thay (trả) dao là ổ dao thứ i
Dừng động cơ chờ kiểm tra
Dao cần thay ở vị trí thứ I
Quay 1 vòng theo hướng đã định
Các sơ đồ thuật toán con:
+ Trục chính đi đến điểm thay dao
TC ở vị trí thay dao?
Quay động cơ dẫn hướng trục z Đưa trục chính xuống vị trí thay dao
+ Di chuyển đài dao từ vị trí ban đầu đền vị trí thay dao
Tang ở vị trí thay dao?
Cấp điện cho cuộn hút xilanh
TC đã về vị trí Home
Mở khí nén để nhả dao Động cơ trục z quay đưa trục chính lên trên hết chiều cao tang dao Trục chính ở vị trí thay dao
Để thực hiện chu trình thay dao tự động, cần thiết phải sử dụng các thiết bị cảm biến để nhận biết vị trí của các cụm cơ cấu và đếm số dao Bên cạnh đó, các cơ cấu chấp hành cũng rất quan trọng để thực hiện các chuyển động thay dao theo yêu cầu.
Thiết bị cảm biến cho di chuyển cụm cơ cấu tang đài chứa dao
Công tắc hành trình nhận biết vị trí của tang đài chứa dao:
Chúng tôi sử dụng hai công tắc hành trình Z-15GW2-B của OMRON, đặt ở vị trí đầu và cuối của hành trình, để đảm bảo độ chính xác cao và độ bền lên đến 1 triệu lần đóng/ngắt Công tắc hành trình kiểu tay đòn có con lăn này có kích thước nhỏ gọn và dễ lắp đặt Trong hệ thống, công tắc sẽ đóng/ngắt mạch điện khi tang đài chứa dao ở vị trí gần nhất hoặc xa nhất so với trục chính, tạo ra hai mức tín hiệu điện 0V và 24V vào hai đầu vào của PLC Từ đó, PLC nhận biết vị trí hiện tại của tang đài và thực hiện các điều khiển thích hợp.
Loại cơ cấu vận hành: tác động nhanh
Cơ cấu tác động: cần có bánh xe và bản lề dài song song, đầu vít nối
Loại tiếp điểm: SPDT (singer pole double throw- 1 tiếp điểm thường mở- 1 tiếp điểm thường đóng)
Chân cắm: loại bắt vít M4
Dòng điện khởi động: NC 30A, NO 15A NO 15A Điện trở cách điện: 100MΩ ở 500VDC Nhiệt độ hoạt động: -25 đến 80 độ C Tần số hoạt động: cơ 240 lần/phút, điện 20 lần/phút
Sơ đồ đấu nối công tắc hành trình với PLC sử dụng hai công tắc S1 và S2 để xác định vị trí của cụm tang đài chứa dao Công tắc S1 được lắp ở đầu hành trình của xy lanh khí nén, giúp nhận biết vị trí chờ của cụm tang đài, trong khi công tắc S2 được đặt ở cuối hành trình để nhận biết vị trí thay dao Cả hai công tắc này đều được cố định trên giá của hệ thống thay dao Khi tang đài ở vị trí chờ, công tắc S1 sẽ bị tác động, làm đóng tiếp điểm thường mở của nó.
Hình 27: Công tắc hành trình Z-15GW2-B hãng OMRON
Hình 27: Sơ đồ đấu nối công tắc hành trình với PLC
57 lại, một đầu của tiếp điểm thường mở S1 nối với nguồn điện áp không đổi
Khi kết nối điện áp DC 24V vào cổng X1 của PLC, cổng này sẽ có điện áp 24V tương ứng với mức logic 1 Khi tang đài chứa dao rời khỏi vị trí chờ, công tắc hành trình S1 không bị tác động, làm cho tiếp điểm thường mở S1 mở ra, dẫn đến điện áp tại cổng X1 của PLC giảm xuống 0V, tương ứng với mức logic 0 Tương tự, công tắc hành trình S2 cũng được kết nối với nguồn điện DC 24V và cổng X2 của PLC Khi tang đài chứa dao vào vị trí thay dao, công tắc S2 bị tác động, tiếp điểm thường mở S2 đóng lại, khiến điện áp tại cổng X2 của PLC đạt 24V, tương ứng với mức tín hiệu logic 1 Khi tang đài rời khỏi vị trí thay dao, công tắc S2 không còn bị tác động, tiếp điểm S2 mở lại, và điện áp tại cổng X2 của PLC trở về 0V, tương ứng với mức tín hiệu logic 0.
Thiết bị cảm biến trạng thái kẹp/nhả kẹp dao sử dụng công tắc hành trình để nhận biết vị trí của cần piston trong xy lanh điều khiển kẹp Hai công tắc hành trình S3 và S4 được lắp đặt ở đầu và cuối hành trình của xy lanh Công tắc S3 xác định trạng thái kẹp, trong khi công tắc S4 nhận biết trạng thái nhả kẹp.
Để đấu nối hai công tắc hành trình S3 và S4, quy trình tương tự như với hai công tắc S1 và S2 Tiếp điểm thường mở của công tắc S3 được kết nối với nguồn điện DC24V, đầu còn lại nối với cổng X3 của PLC Tương tự, tiếp điểm thường mở của công tắc S4 cũng được nối với nguồn điện DC24V và đầu kia kết nối với cổng X4 của PLC.
Khi piston của xy lanh khí nén cần điều khiển đóng/mở kẹp ở đầu hành trình, công tắc hành trình S3 sẽ bị tác động, khiến tiếp điểm thường mở S3 đóng lại và cung cấp điện áp DC24V vào chân X3 của PLC Lúc này, trạng thái logic của cổng X3 là 1, tương ứng với điện áp 24V Ngược lại, khi piston không ở vị trí đầu hành trình, công tắc S3 không bị tác động, tiếp điểm S3 trở về trạng thái mở, làm mạch nối với cổng X3 bị hở và điện áp tại cổng X3 giảm xuống 0V.
Khi piston đạt vị trí cuối hành trình của xy lanh điều khiển đóng/mở kẹp, công tắc hành trình S4 sẽ bị tác động, dẫn đến việc tiếp điểm thường mở S4 đóng lại Kết quả là điện áp tại cổng X4 của PLC sẽ đạt 24V, tương ứng với mức logic 1.
Khi piston của xy lanh điều khiển rời khỏi vị trí cuối hành trình, cần gạt của công tắc hành trình S4 sẽ không còn bị tác động, dẫn đến tiếp điểm thường mở S4 mở lại Lúc này, điện áp tại cổng X4 của PLC sẽ là 0V, tương ứng với mức logic 0.
Thiết bị cảm biến cho thao tác nhận biết vị trí con dao được gọi
Cảm biến tiệm cận được sử dụng để đếm số lượng dao và xác định vị trí dao cần thay, với thiết kế nhỏ gọn và khả năng nhận biết tín hiệu không tiếp xúc, mang lại độ bền và độ chính xác cao Thiết bị này dễ lắp đặt và có thời gian phản hồi nhanh chỉ trong vài mili giây Cảm biến được lắp cố định bằng một thanh gắn với đế động cơ của cơ cấu Mante, giúp đảm bảo vị trí cố định khi tang đài chứa dao quay phân độ Khi cơ cấu Mante quay, các rãnh của đĩa Mante quét qua cảm biến, và khi bị che khuất, cảm biến sẽ gửi tín hiệu phản hồi về Cảm biến tiệm cận kiểu PNP sẽ xuất ra tín hiệu điện áp 24V khi có vật chắn, tín hiệu này được kết nối với đầu vào X5 của PLC Khi có vật chắn, mức logic tại ngõ vào X5 là 1, và khi không có vật chắn, mức logic là 0.
Hình 28: Cảm biến tiệm cận
Ta dùng cảm biến tiệm cận mã E2A-M18KN16-WP-B1 2M của hãng
Khoảng cách phát hiện: 16 mm
Thân hình trụ M18, chế tạo bằng đồng thau
Đầu cảm biến loại không có che
Tần số đáp ứng: 0.4 Khz max
Điện áp hoạt động: 10-32 VDC
Kết nối: dây nối sẵn, DC 3-wire
Hình 29: Cảm biến tiệm cận
Cách đấu dây: dây xanh dương nối với cổng COM, dây Đen nối với cổng vào input của PLC
Hình 30: sơ đồ đấu nối của cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận này sử dụng một cuộn dây quấn quanh lõi từ để tạo ra trường điện từ dao động khi sóng cao tần đi qua Khi vật kim loại tiến gần, dòng điện xoáy được sinh ra trong vật, làm giảm năng lượng trong cuộn phát hiện và giảm dao động, dẫn đến sự suy giảm độ mạnh của từ trường Mạch giám sát sẽ phát hiện mức dao động giảm và thay đổi đầu ra để thông báo vật đã được phát hiện Nhờ vào nguyên tắc hoạt động dựa trên trường điện từ, cảm biến này có khả năng chống chịu tốt hơn so với cảm biến quang điện, không bị ảnh hưởng bởi dầu hoặc bụi trong môi trường.
Hình 31: Nguyên lí hoạt động cảm biến tiệm cận dùng từ trường
Cơ cấu chấp hành điều khiển di chuyển cụm cơ cấu tang đài chứa dao Xy lanh khí nén
Thiết bị này chuyển đổi thế năng và động năng của khí nén thành lực tác động tại đầu ra Hệ truyền động sử dụng xy lanh khí nén với các đặc điểm nổi bật như tốc độ cao, kích thước gọn nhẹ, thân thiện với môi trường nhờ sử dụng khí tự nhiên, dễ dàng điều khiển và khả năng xử lý quá tải hiệu quả.
Hệ thống cung cấp khí nén cho xy lanh thường yêu cầu quy mô lớn, vì vậy việc sử dụng một xy lanh khí nén đơn lẻ là không phổ biến; thay vào đó, nhiều hệ thống xy lanh khí nén thường được sử dụng để tận dụng hiệu quả nguồn khí từ bơm Trong các cơ cấu thông thường, có thể sử dụng xy lanh khí nén không có giảm chấn, nhưng đối với các hệ thống có quán tính lớn và tốc độ cao, việc sử dụng xy lanh có giảm chấn là cần thiết.
Hình 32: Xy lanh khí nén
Hình 33: Kí hiệu xy lanh khí nén tác động kép không giảm chấn
Hình 34: Kí hiệu xy lanh khí nén tác động kép có giảm chấn
Van phân phối 5 cửa 2 vị trí (van 5/2) được sử dụng để điều khiển cơ cấu chấp hành xy lanh khí nén, hoạt động trực tiếp bằng điện từ trường thông qua tác động của cuộn hút.
Hình 35: Kí hiệu van phân phối 5/2
Kết cấu hệ thống điều khiển xy lanh khí nén tác động kép
Hình 36: Sơ đồ điều khiển xy lanh khí nén tác động kép.
Xác định hàm điều khiển
Tổng hợp các hàm điều khiển
Xác định hàm điều khiển
Xây dựng bản vẽ mạch
Sơ đồ điều khiển đĩa tích daodi chuyển tịnh tiến để thực hiện nhiệm vụ thay dao
Hình 40: Hình vẽ xi lanh khí nén
Khi công tắc S1 được đóng, cuộn dây Q0.2 nhận điện, các tiếp điểm thường mở Q0.2 đóng lại, duy trì dòng điện cho cuộn dây Lực từ sinh ra từ cuộn dây kéo con trượt của van điều khiển 5/2 sang trái, cho phép khí nén đi vào buồng bên phải của xi lanh, đẩy pittong sang trái và đưa đài dao đến vị trí thay dao Khi pittong chạm vào công tắc hành trình S2 ở cuối hành trình, Y1 mất điện, làm mất lực từ của lò xo bị biến dạng, đưa con trượt trở về vị trí giữa, hệ thống đứng yên.
Ngược lại khi đóng công tắc S3, hệ thống đài dao được đưa trở lại vị trí ban đầu
6.2.1 Sơ đồ điều khiển cơ cấu kẹp dao
Khi công tắc S5 được đóng, cuộn dây Q0.5 nhận điện, làm cho các tiếp điểm thường mở Q0.5 đóng lại, duy trì dòng điện cho cuộn dây Lực từ sinh ra từ cuộn dây kéo con trượt của van điều khiển 5/2 lên trên, cho phép khí nén đi vào buồng dưới của xi lanh, đẩy pittong lên (cơ cấu kẹp dao nhả dao) Khi pittong chạm vào công tắc hành trình S6, cuộn dây Q0.5 mất điện, dẫn đến việc mất lực từ và lò xo bị nén sẽ đưa con trượt trở về vị trí ban đầu, giúp hệ thống nhả dao kẹp dao kẹp chặt lại.
6.2.2 Sơ đồ điều khiển cơ cấu xoay tang dao
Hình 41: Hình biểu diễn động cơ quay của đĩa Mantit
Code ngôn ngữ LAD trong PLC S7-300 điều khiển thay dao tự động
Quá trình mô phỏng thay dao tự động bằng Solidworks
Sử dụng phần mềm Solidworks để tạo mô hình 3D cho các chi tiết trong hệ thống, sau khi lắp ghép các chi tiết, chúng ta sẽ có hình ảnh hoàn chỉnh của hệ thống thay dao tự động.
Hình 43: Hình vẽ 3D mô phỏng hệ thống thay dao
Ta tiến hành các bước mô phỏng:
- Bước 1: Tạo motion study mới: chọn vào motion study 1
Hình 44: Hình ảnh thể hiện Motion study 1
Bước 2: Khởi động quá trình, trục chính sẽ hạ xuống để thay dao, di chuyển cho đến khi chạm công tắc hành trình thì dừng lại.
Hình 45: Cụm trục chính di chuyển xuống
Sau khi cụm trục chính hạ xuống vị trí thay dao, xy lanh sẽ đẩy tang dao cho đến khi chạm công tắc hành trình bên phải và dừng lại Lúc này, tay kẹp sẽ kẹp chặt dao trên trục chính.
Hình 46: Tang dao tiến vào vị trí kẹp dao
Bước 4: Khi tay kẹp giữ chặt dao, cụm trục chính sẽ nhả dao và di chuyển lên cao, cho đến khi chạm vào công tắc hành trình phía trên, lúc này quá trình sẽ dừng lại.
Hình 47: Cụm trục chính nhả dao sau đó đi lên
Bước 5: Động cơ điện điều khiển cơ cấu mante quay, giúp tang dao quay đến vị trí yêu cầu của dao, được xác định thông qua cảm biến đếm số dao đã đi qua.
Hình 48: Tang dao quay chọn dao cần thay
- Bước 6: Trục chính đi xuống kẹp lấy dao:
Hình 49: Cụm trục chính đi xuống sau đó kẹp dao cần thay
- Bước 7: Xy lanh khí nén đẩy tang dao trở về đến khi chạm công tắc hành trình bên trái thì dừng:
Hình 50: Tang dao trở lại vị trí ban đầu
- Bước 8: trục chính đi lên, kết thúc quá trình thay dao
Hình 51: Trục chính về vị trí ban đều kết thúc quá trình thay dao
