Để cố định van ba ngã chúng em thiết kế 2 chi tiết đối xứng như hình 3.7. Chi tiết này gồm 5 lỗ bắt vít. Bao gồm 3 lỗ bắt vít trên thành để cố định chi tiết vào các thanh nhơm định hình và từ các thanh nhơm định hình này cố định khung của máy, Một chi tiết dạng tấm có các lỗ trùng với 4 lỗ vít trên 2 chi tiết giúp cố định hai chi tiết lại với nhau tránh cho trong quá trình vận hành, khi van được đóng mở 2 chi tiết sẽ có hiện tượng lệch nhau dẫn đến hư hỏng, khơng giữ được độ ổn định cho van.
20
Hình 3.7 Chi tiết cố định van 3 ngã.
Để có thể quay van 3 ngã này, em có thiết kế một xy lanh được thiết kế nằm xéo một góc 450 như hình 3.5. Khi xy lanh được tác động đi ra tay quay van 3 ngã sẽ đạt được vị trí 2. Xy lanh ở vị trí ban đầu thì xy lanh đạt được vị trí 1, hay nói cách khác khi xy lanh ở vị trí ban đầu thì van sẽ nối thơng ống xy lanh hút bột với khay chứa bột và ngược lại khi xy lanh được tác động thì van 3 ngã sẽ nối thông xy lanh hút bột với khn bánh. Để q trình quay tay quay được diễn ra thuận lợi em đã thiết kế ln phần tay quay này hình 3.8. Chi tiết tay quay được ghép bởi các lá thép nhỏ xen kẽ nhau và được cố định bởi 2 vít dài ở các lỗ ở giữa tay (xét theo chiều dài). Phần tay đầu tay quay gắn với xy lanh được tạo rãnh ở hai phía phần này sẽ giúp bù trừ sai số kích thước trong q trình xy lanh chuyển động. Nếu khơng có rãnh này thì khi xy lanh được tác dụng sẽ đẩy tay quay quay một góc >
21
90o, quỹ đạo quay sẽ là một cung trịn có bán kính đúng bằng chiều dài tay quay mà ta biết thì xy lanh ở đây chỉ có thể chuyển động theo một đường thằng (hay chuyển động tịnh tiến theo phương cố định). Theo dõi hình 3.9 để có thể hiểu rõ hơn về điều này
Hình 3.8 Chi tiết tay quay van 3 ngã
22
Ngồi ra để có thể gắn kết phần tay quay cũng như xy lanh chúng em có thiết thêm một chi tiết dạng chữ U với 3 lỗ tròn, một lỗ dùng để cố định chi tiết vào đầu xy lanh, 2 lỗ dùng để xuyên thanh thép nối phần tay quay với phần xy lanh như hình 3.10.
Hình 3.10 Chi tiết gắn tay quay van 3 ngã với xy lanh xoay van.
Để cố định xy lanh xoay van vào khung hệ thống em có thiết kế một chi tiết dạng tầm dày 3mm với các lỗ ∅6 được bố trí như hình 3.11 dưới đây.
23
Hình 3.11 Chi tiết dạng tấm cố định xy lanh xoay van 3 ngã.
Khay chứa bột chúng em thiết kế dạng hộp vng được bóp lại ở dưới đáy có kích thước 140*160*170mm với hai khay riêng biệt chứa bột của hai trạm 2 và 5 như hình 3.11. Khay bột có tất cả 12 lỗ vít và 2 lỗ ∅8, 4 lỗ thiết kế trên hai tai ngang dùng để cố định khay với khung máy, 4 lỗ còn lại dùng để cố định ổ lăn.
Trong mỗi khay chứa bột, chúng em thiết kế thêm một trục quay được đặt dọc theo hướng trục xy lanh hút bột, hai trục được thiết kế ngược chiều nhau. Mục đích của hai trục này là để đánh tơi bột tránh bột bị vón cục, đồng thời hai trục này cũng có tác dụng đẩy bột vào trong lỗ van ba ngã, giúp quá trình hút bột diễn ra được thuận lợi hơn.
Trục quay này được dẫn động bởi một động cơ DC thông qua hệ thống 2 pully và dây đai như hình 3.13.
Tại khâu phần xy lanh hút bột em có thiết kế một chi tiết cố định phần ống xy lanh hút bột vào với khung máy như hình 3.14. Ở chi tiết này em có thiết kế 4 lỗ ∅6 được chia đều hai bên giúp cố định chi tiết vào khung nhôm định hình bên dưới.
24
Cùng với đó là các lỗ tròn dọc trục chi tiết giúp tạo độ cứng vững cho ống xy lanh hút bột trong quá trình làm việc.
Hình 3.14 Chi tiết cố định ống xy lanh hút bột với khung hệ thống.
- Trạm tạo hình dạng phễu cho bột.
Đây là trạm được thiết kế đơn giản nhất do nó chỉ thực hiện một nhiệm vụ đơn giản nhất đó là chuyển động xy lanh lên xuống khi có tín hiệu đầu vào. Ở đây để tạo hình cho phểu cho bột dưới khn em có thiết kế một chi tiết dạng đầu tù gần tương tự như chi tiết gắn trên xy lanh gắp. Đây là chi tiết tiếp xúc trực tiếp với bột trong khn nên do đó chi tiết này cần có bề mặt trơn bóng, độ ma sát kém để tránh tình trạng bột bị dính lên chi tiết này khi chi tiếp được tiếp xúc với bột trong khuôn. Để giải quyết vấn đề này em đã quyết định tẩm bên ngoài chi tiết này một lớp dầu ăn để tránh điều trên diễn ra.
25 - Trạm cấp nhân. (hình 3.16)
Hình 3.16 Mơ hình trạm cấp nhân bánh
Như ở chương 2 cũng như ở trên đã xác định bánh giị gồm hai loại nhân do đó ta cần 2 loại hộp chứa nhân khác nhau theo dõi hình 3.16 ta thấy hộp chứa nhân thịt có chứa một trục quay ở bên trong, trục này được truyền động bởi một động cơ DC với
26
tốc độ 200 vòng/phút sẽ trộn đều nhân trong hộp chứa đồng thời trục quay này cũng là cơ cấu giúp đưa nhân xuống hộp cấp nhân ở dưới.
Chi tiết hộp cấp nhân được thiết kế bao gồm 3 phần kết hợp với nhau đó là: nắp hộp, thân hộp và phần chi tiết quay trong hộp như hình 3.17. Chi tiết quay trong hộp cấp nhân hình 3.18.B được cố định với DC servo bởi các lỗ được thiết kế như hình với đĩa của DC servo. Khi servo quay thì nhân sẽ rớt xuống khn làm bánh ở dưới.
Hình 3.17 Chi tiết hộp cấp nhân.
Nguyên lý làm việc của trạm cấp nhân: ở thời điểm ban đầu vị trí hộp cấp nhân như hình 3.16, khi có tín hiệu đầu vào servo sẽ quay một góc 1800 ngược chiều kim đồng hồ lúc này phần khuyết khi mà ở vị trí ban đầu sẽ đi qua phần đáy hộp, trứng cút sẽ rớt xuống khn làm bánh, cùng lúc đó nhân thịt được đùn vào phần khuyết cịn lại. DC servo lại tiếp tục quay một góc 1800 cùng chiều kim đồng hồ lúc này phần khuyết chứa nhân tiếp xúc với phần đáy của hộp, nhân thịt được rớt xuống khay kết thúc một chu trình làm việc.
27
Hình 3.18 Mơ hình trạm gấp lá.
Nguyên lý hoạt động trạm gấp lá: Tại trạm này việc gấp lá tạo hình sẽ được diễn ra. Đầu tiên khi phát hiện có khn bánh ở vị trí bắt đầu, một xy lanh với một đầu chữ L sẽ được tác dụng theo chiều vng góc với trạm gấp lá. Chi tiết chữ L có trên đầu xy lanh cũng là chi tiết đưa phần lá đầu tiên được gấp lại, sau đó đó một đơng cơ DC servo sẽ gấp phần lá đối diện với phần lá được gấp bởi xy lanh. Tiếp theo hai động cơ DC servo được đặt ở hai thành sẽ được tác dụng gấp tiếp hai mép cịn lại của bánh vào. Khi q trình kết thúc xy lanh xoay sẽ xoay một góc 180o độ bánh xuống dưới khay chứa bánh ở phía dưới.
Chi tiết mâm xoay gồm các phần quan trọng sau đây: mâm xoay hình trịn được cắt 6 rãnh đều nhau tại các biên, trục truyền động từ động cơ DC thông qua bộ hai bánh răng theo tỷ lệ 1:5 giảm tốc, động cơ DC, và một ổ lăn giúp cố định trục vào khung của máy.
28
Để giữ cố định động cơ DC em có thiết kế hai chi tiết như hình 3.16.
Hình 3.20 Chi tiết cố định động cơ DC quay mâm.
3.6. Công suất động cơ.
Trong thiết kế hệ thống máy ta sử dụng tất cả 3 động cơ DC ở các trạm: DC quay mâm xoay, DC quay đánh bột, DC quay đánh nhân. Và 4 động cơ DC servo, 3 động cơ ở trạm gấp lá và một ở khâu cấp nhân.
Công suất của động cơ khi di chuyển có tải bằng:
P = 𝐹×𝑣
29 Moment xoắn của động cơ:
M = 10
2×𝑃
1.047×𝑛 [Nm] (3.2)
Công suất động cơ được lựa chọn dựa trên các thông số lớn nhất do yêu cầu đặt ra. Trong lúc hoạt động, các động cơ chịu nhiều ảnh hưởng bới các lực cản bên ngồi. Vì vậy, để đảm bảo công suất cho máy hoạt động được trơn tru, chọn động cơ Servo có kèm giảm tốc 24VDC – 60W với các thông số như Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Kích thước động cơ 24VDC - 60W
STT Thông số Giá trị
1 Loại động cơ DC Servo
2 Công suất (W) 60
3 Tốc độ động cơ (vòng/phút) 15
4 Tỉ số truyền 1:480
5 Loại encoder Encoder từ
30
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN 4.1 Giới thiệu.
Trong phần này hệ thống điện cũng như thiết kế điều khiển sẽ được trình bày. Đối với máy làm bánh giờ tự động thì là một dạng máy tự động thực hiện lặp đi lặp lại các hành động được lập trình sẵn. Song song đó cũng là sự kết hợp với hệ thống cơng tắc hành trình giúp đóng mở các trạng thái làm việc của các trạm liên quan. Hình 4.1 diễn tả mối quan hệ giữa các phần tử trong điều khiển máy làm bánh giị tự động.
Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển.
4.2 Hệ thống điều khiển
4.2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển
Hệ thống các cơng tắc hành trình sẽ phản hồi về PLC cho biết tại vị trí các trạm hiện đang có khn làm bánh hay khơng. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển được chỉ ra như trong hình 4.2. Có 2 loại tín hiệu đầu vào đó là các cơng tắc hành trình cho biết tại vị trí các trạm đã có khn làm bánh hay chưa và một loại tín hiệu thơng báo các vị trí của các xy lanh. Các tín hiệu này sau khi truyền về PLC trung tâm sẽ được làm việc và đưa ra các tín hiệu ra thơng báo cho DC Servo, Van Solenoid và các Arduino vệ tinh hoạt động. Các Arduino vệ tinh có nhiệm vụ: nhận tín hiệu từ PLC trung tâm, khi có tín hiệu thì cho các RC Servo quay theo các góc đã được lập trình trước.
Van Solenoid Cơng tắc hành trình Động cơ DC PLC
31
Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển hệ thống.
4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển khí nén
Hệ thống chủ yếu sử dụng điều khiển khí nén do đó trước hết em sẽ thiết kế điều khiển khí nén cho hệ thống máy làm bánh giị.
Như phần cơ khí đã được chia, máy gồm 6 trạm riêng biệt. Do đó em sẽ thiết kế điều khiển cho các trạm một cách riêng biệt.
- Trạm gắp lá: trạm gồm 3 xy lanh và 1 van hút chân không với xy lanh trượt A, xy lanh gắp lá B và xy lanh chuyển động khay lá C. Hình 4.3 đã biểu diễn biểu đồ trạng thái của trạm. Do xy lanh gắp lá B chuyển động theo phương thẳng đứng và bị giới hạn bởi các thiết kế cơ khí do đó em quyết định thay vì sử dụng cơng tắc hành trình để nhận biết xy lanh B đã đi ra thì em lại sử dụng hẹn giờ timer để q trình thiết kế cơ khí được dễ dàng hơn.
32
- Trạm cấp bột: ở trạm cấp bột em có sử dụng 2 xy lanh bao gồm 1 xy lanh dùng để mở van 3 ngã và một xy lanh sử dụng để hút bột từ khay chứa bột ra. Dưới đây hình 4.4 là biểu đồ trạng thái của trạm cấp bột. Để đơn giản trong việc đi dây cũng như dễ dàng trong q trình thiết kế cơ khí ở đây em cũng đã không sử dụng cơng tắc hành trình mà thay vào đó là sử dụng trực tiếp timer hẹn giờ.
Hình 4.4 Biểu đồ trạng thái trạm cấp bột.
- Ở các trạm còn lại hầu như chỉ có 1 xy lanh thực hiện một nhiệm vụ duy nhất nên em xin phép sẽ khơng trình bày thêm.
4.2.2 Thiết kế hệ thống điều khiển điện
Như đã trình bày ở phần thiết kế cơ khí, ngồi các xy lanh khí nén thì em cịn sử dụng các phần tử điện khác như DC servo, RC Servo, các công tắc hành tình và ngồi ra để có thể dễ dàng điều khiển xy lanh khí nén thì em cịn sử dụng thêm các van solenoid điện từ.
Với DC servo, đầu tiên xét đến mâm xoay, yêu cầu của mâm xoay là khi xoay chạm đến cơng tắc hành trình đặt ở mỗi trạm thì dừng lại một thời gian T (giây) rồi sau đó tiếp tục xoay q trình này lặp đi lặp lại cho tới khi hết khn làm bánh có mặt trên khay thì dừng lại. Với yêu cầu đã đặt ra ở trên, kết hợp với mục tiêu đã đặt ra ở phần trên là cứ 30 giây sẽ cho ra lị 1 phần bánh. Sau khi tính tốn trên lí thuyết em quyết định thiết kế điều khiển cho trạm mâm xoay như sau: Khi có tín hiệu từ bảng điều khiển của hệ thống, mâm xoay sẽ xoay cho đến khi chạm cơng tắc hành trình tại mỗi
33
trạm bất kì thì dừng lại, thời gian dừng lại đúng bằng sản lượng (theo cái) trừ cho thời gian chuyển động của mâm xoay kể từ khi hoạt động đến khi chạm công tắc hành trình đặt ở mỗi trạm. Ở đây để dễ dàng thiết kế điều khiển em chọn thời gian chờ mỗi trạm là 28 giây và thời gian xoay sẽ phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ (thời gian này sẽ được hiệu chỉnh ở các bước thực nghiệm sau này).
Với động cơ ở khâu cấp bột: yêu cầu là cung cấp moment xoắn làm xoay trục quay đánh tơi bột và đẩy bột về hai phía. Về phần đánh tơi bột và đẩy bột về hai phía của mỗi hộp đã được giải quyết trong khâu thiết kế cơ khí ở trên nên em sẽ khơng đề cập ở đây. Do bột ở dạng lỏng sánh nên tại khâu sẽ không cần một động cơ với công suất quá lớn, thế nên em sẽ tiếp tục sử dụng động cơ giống với động cơ có ở mâm xoay. Bột làm bánh là bột đã được nấu cho sánh từ trước đó và lại được pha thêm bột năng nên nếu để lâu ngồi mơi trường mà khơng có tác động bột sẽ khơ lại gây khó khăn cho việc hoạt động của máy do đó khi thiết kế chúng em quyết định sẽ cho động cơ ở khâu cấp bột sẽ được quay từ khi có tín hiệu bắt đầu cho tới khi tín hiệu kết thúc được đặt.
Với động cơ ở khâu cấp nhân: yêu cầu cũng tương tự như ở khâu cấp bột. Do đó em cũng chọn động cơ tương tự và cũng cho động cơ quay từ khi có tín hiệu bắt đầu cho tới khi tín hiệu kết thúc được đặt.
4.3 Các thiết bị điện sử dụng trong hệ thống 4.3.1 PLC MISUBISHI FX2N – 80MR. 4.3.1 PLC MISUBISHI FX2N – 80MR.
34 Tốc độ xử lý:
Basic instructions: 0.08μs.
Applied instructions: 1.52 to several 100μs.
Bộ nhớ chương trình: 8k step RAM – build into the unit. Ngõ vào: 40
Ngõ vào DC Sink/Source (0V / 24VDC).
Điện áp hoạt động: 24VDC +/- 20%.
Thiết kế cách ly: giữa ngõ vào và nguồn cấp PLC.
Ngõ ra: 40
Relay, 2A 250VAC / 30VDC trên mỗi điểm. Tổng tải mỗi COM tối đa 8A.
Cổng giao tiếp
Cổng tròn 8 chân RS – 422 , download/Upload chương trình hoặc kết nối với HMI.
Nguồn cấp: 85-264VAC 50/60Hz. Nguồn ra phụ 24VDC: max 250mA.
Khả năng mở rộng I/O: max 248 inpút X0-X367, max 248 output Y0-Y367. Chức năng thời gian thực: theo ngày, tháng, năm, giờ, phút, giây và theo tuần. Hỗ trợ xử lý hàm số thực: 32 bits .
Hỗ trợ mạnh tính tốn: Sử dụng vi xử lý 32bit, Floating Point (số thực), Square Root