Đồ án Máy dập tự động

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT VINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ …›&š… ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ THỦY LỰC-KHÍ NÉN ĐỀ TÀI: MÁY DẬP TỰ ĐỘNG GVHD: Trần Văn Cách SVTH: Đinh Văn Vinh TP Vinh. 03 – 2011 Nhaän xeùt cuûa giaùo vieân hướng dẫn: ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ ………………………………………………………………………………........ Lời nói đầu Ngày nay, nghành công nghiệp phát triển mạnh đòi hỏi quy trình làm việc nhanh và hiêu quả. Quy trình công nghệ dập tự dộng mà tôi thực hiện chỉ là một phần rất nhỏ trong thời đại công nghiệp hóa hiện đại hóa ngày nay. Có nhiêu cách dể thiết kế một mô hình dập tự dộng khác nhau, ở đây tôi thiết kế mô hình dập tự động điều khiển bằng hệ thống thuần khí nén. Trong quá trình thực hiên đồ án mặc dù tôi đã cố gắng hết sức nhưng chắc chắn sẽ không thiếu những sai xót. Vì vậy, tôi rất mong những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn. Nhân đây xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Văn Cách và thầy Hoàng Hữu Tân cùng các bạn đã giúp tôi hoàn thành đồ án này. Xin chân thành cảm ơn! CHÖÔNG I DẪN NHẬP Hiện trạng: Vài nét về sự phát triển của công nghệ thủy lực - khí nén: Không khí xung quanh ta nhiều vô kể và nó là một nguồn năng lượng rất lớn mà con người đã biết sử dụng chúng từ trước Công nguyên. Tuy nhiên sự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rất hạn chế do chưa có sự phối hợp giữa các ngành vật lý, cơ học v.v.. Mãi cho đến thế kỷ17, nhà kĩ sư chế tạo người Đức Otto von Guerike, nhà toán học và triết học người Pháp Blaise Pascal, cũng như nhà vật lý người Pháp Denis Papin đã xây dựng nên nền tảng cơ bản ứng dụng khí nén. Trong thế kỉ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lượng khí nén lần lượt được phát minh như: thư vận chuyển trong ống bằng khí nén (1835) của Josef Ritter, phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861)…Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trò sử dụng năng lượng bằng khí nén bị giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng lượng bằng khí nén vẫn đóng một vai trò cốt yếu trong nhiều lĩnh vực, mà khi sử dụng năng lượng điện sẽ nguy hiểm; sử dụng năng lượng khí nén ở những dụng cụ nhỏ, nhưng truyền động với vận tốc lớn; sử dụng năng lượng khí nén ở những thiết bị như búa hơi, dụng cụ dập, phun sơn, giá kẹp chi tiết… và nhất là các dụng cụ, đồ gá kẹp chặt trong các máy. Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các thiết bị truyền dẫn, điều khiển bằng thủy lực – khí nén sử dụng trong máy móc trở nên rộng rãi ở hầu hết các lĩnh vực công nghiệp như máy công cụ CNC, phương tiện vận chuyển, máy dập, máy uốn, máy ép phun, dây chuyền chế biến thực phẩm,… do những thiết bị này làm việc linh hoạt, điều khiển tối ưu, đảm bảo chính xác cao, công suất lớn với kích thước nhỏ gọn và lắp đặt dễ dàng ở những không gian chật hẹp so với các thiết bị truyền động và điều khiển bằng cơ khí hay điện. Ưu – nhược điểm của khí nén: Ưu điểm: Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, cho nên có thể trích chứa khí nén một cách thuận lợi. Như vậy có khả năng ứng dụng để thành lập các trạm trích chứa khí nén. Có khả năng truyền tải năng lượng xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp xuất trên đường dẫn ít. Không gay ô nhiễm môi trường. Chi phí thấp để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp hệ thống đường dẫn khí nén đã có sẵn. Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. Nhược điểm: Lực truyền tải trọng thấp. Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn, cho nên không thể thực hiện những chuyển động thẳng hoặc quay đều. Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn. Hiện nay, trong lĩnh vực điều khiển, người ta thường kết hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén với cơ, hoặc với điện, điện tử. Cho nên rất khó xác định một cách chính xác, rõ ràng ưu, nhược điểm của từng hệ thống điều khiển. Yêu cầu và giới hạn đề tài: CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGUỒN KHÍ NÉN Máy nén khí: Khái niệm: Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng. Phân loại: Theo áp suất: Máy nén khí áp suất thấp: p £ 15 bar Máy nén khí áp suất cao: p ³ 15 bar Máy nén khí áp suất rất cao: p ³ 300bar Theo nguyên lý hoạt động: Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít. Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục. Bình trích chứa khí nén: Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước. Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn. Ký hiệu : CÁC PHẦN TỬ TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Một số khái niệm: Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng hở (Open – loop Control System) với các phần tử sau: Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đại lượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, rơle áp suất. Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic nhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND. Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lương ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xilanh, động cơ khí nén. Van đảo chiều: Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí, để thay đổi hướng của dòng năng lượng. Nguyên lý hoạt động: Van đảo chiều 3/2: Khi chưa có tín hiệu điện tác động vào cửa (12), thì cửa (1) bị chặn và cửa (2) nối với cửa (3). Khi có tín hiệu điện tác động vào cửa (12), nòng van sẽ dịch chuyển về phía bên phải, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (3) bị chặn. Trường hợp tín hiệu tác động vào cửa (12) mất đi, dưới tác động của lò xo, nòng van trở về vị trí ban đầu. Ký hiệu: Một số van đảo chiều 3/2 Van đảo chiều 5/2: Khi chưa có tín hiệu điện tác động vào cửa (14), thì cửa (3) bị chặn, cửa (1) nối với cửa (2) và cửa (4) nối với cửa (5). Khi có tín hiệu điện tác động vào cửa (14) thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải, cửa (2) nối với cửa (3) và cửa (1) nối với cửa (4) còn cửa (5) bị chặn. Khi tín hiệu tác động vào cửa (14) mất đi thì dưới tác động của lò xo nòng van trở về vị trí ban đầu. Ký hiệu: Một số van đảo chiều 5/2 Van tiết lưu: Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian chạy của cơ cấu chấp hành. Ngoài ra van tiết lưu cũng có nhiệm vụ điều chỉn thời gian chuyển đổi vị trí của van đảo chiều. Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay dổi tiết diện. Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay. Nguyên lý hoạt động: Tiết diện chảy Ax thay đổi bằng điều chỉnh vít điều chỉnh bằng tay. Khi dong khí nén từ A qua B, lò xo đẩy màng chắ xuống và dòng khí nén chỉ đi qua tiết diện Ax. Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo đẩy màng chắn lên và như vậy dong khí nén sẽ đi qua khoảng hở giữa mành chắn và mặt tựa màng chắn, lưu lượng không được điều chỉnh Ký hiệu: Van tiết lưu một chiều Coâng taéc haønh trình ñieän - cô: Nguyên lí hoạt động: Bình thöôøng tieáp ñieåm 1 noái vôùi 2, khi con laên chaïm cöõ haønh trình, tieáp ñieåm 1 noái vôùi 4. Khi khoâng taùc ñoäng: 4 2 · S 1 Khi coù söï taùc ñoäng: 2 4 Caáu truùc: Các thông số cơ bản Khả năng đóng tải lớn ,tới 15A. Điện áp định mức 250 VAC Một số model thông dụng: hort Spring Plunger Panel Mount Plunger Z-15GQ-B Z-15GD Hinge Lever Low-force Hinge Lever Z-15GW-B Z-15GW4-B Xylanh khí neùn Sau đây là cấu tạo của một số xylanh khí nén thông dụng: 1 Miếng đệm đầu trục 2 Nam châm 3 Đệm ống ngoài 4 Vỏ ngoài 5 Ống dân thanh 6 Miếng đệm 7 Vỏ bọc mặt trước 8 Mặt dẩn khí 9 Công tắc từ 10 Cần pittong 11 Vòng chống mòn 12 Đệm pittong Xylanh tác dụng đơn dùng lò xo Xylanh tác dụng hai chiều, không có bộ phận giảm chấn Xylanh tác dụng hai chiều, có có bộ phận giảm chấn ở cuối khoang chạy Xylanh tác dụng hai chiều, dùng công tắc từ CHƯƠNG III THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ Mô hình thiết kế: Các cơ cấu trong mô hình: Cơ cấu kẹp phôi: gồm có 2 cơ cấu: Pitton A – bàn trượt: kẹp giữ kéo phôi vào để thực hiện quá trình cưa. Pitton C: kẹp giữ phôi lúc đang cưa và khi pitton B kéo bàn trượt đi về. Cơ cấu đẩy phôi: là pitton B mang theo bàn trượt – pitton A. Cơ cấu nâng cưa: pitton D và giá đỡ cưa. Tính toán cơ cấu để chọn xylanh và máy nén khí: Thông số phôi cắt: Dài L = 2000 mm = 20 dm Rộng a = 30 mm = 0,3 dm Cao b = 2 mm = 0,02 dm Chất liệu thép CT45: D = 7,8 kg/dm3 Vphôi = a.b.L = 0,3 . 0,02 . 20 = 0.12 dm3 Suy ra: Mphôi = Vphôi . D = 0.12 . 7,8 = 0,936 kg Đường kính xylanh B: Phản lực tác dụng lên bàn trượt: Nbàn trượt = Pbàn trượt Pbàn trượt = (Mphôi + Mbàn trượt + Mcơ cấu) . 10 Trong đó: Mphôi = 0,936 kg; Mbàn trượt = 15 kg; Mcơ cấu = 5 kg Nên Pbàn trượt = 209,36 N Suy ra: Fms = K.Nbàn trượt Với K = 0,2 là hệ số ma sát của bàn trượt Điều kiện để pitton B có thể đẩy được bàn trượt là: FB Fms FB K. Nbàn trượt FB 0,2 . 209.36 = 41,872 N Mà FB = P. AB Chọn máy nén khí có áp suất P = 5 bar = 5.105 N/m2 là áp suất thỏa yêu cầu Suy ra: AB = = 41.872/(5.105) = 5,3744. 10-5 m2 Mà: AB = nên ta được: dB = = 10,3 . 10-3 m = 10,3 mm Như vậy chọn pitton B có đường kính dB = 11 mm Đường kính xylanh A: Lực ma sát giữa phôi và bàn trượt (K = 0,5): Fms phôi = K.N Phản lực của bàn trượt lên phôi: N = Pphôi + Fép Suy ra: Fms phôi = K.(Pphôi + Fép) Để phôi nằm trên bàn trượt và khi pitton B đẩy bàn trượt thì phôi cũng đi theo bàn trượt thì phải có: Fms phôi Fđẩy Mà Fđẩy = FB = P.AB = 60,5 N Nên K.(Pphôi + Fép) FB Như vậy Fép - Pphôi = 111,64 N Hay AA.P 111,64 N suy ra AA 2.23 . 10-4 m2 Và ta được: dA = 1,68 . 10-2 m = 11,7 mm Vậy chọn đường kính xylanh A: dA = 12 mm Đường kính xylanh C và D: Fgiữ phôi =500 N = F1 =F Fcắt = 500 N = F2 =F Từ đó: AD = = 0,001 m2 AC = 0.001 m2 Suy ra: dD = = 0,0357 m = 35,7 mm dC = 35,7 mm Vậy chọn đường kính xylanh C và D là: d = 36 mm PHẦN ĐIỆN – KHÍ NÉN Sơ đồ hành trình bước: Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng Rơle: Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng PLC: Chương trình PLC: Bảng I/O : Code chương trình theo tập lệnh LAD: QUY TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC Quy trình thực hiện: Hệ thống gồm 4 xylanh được bố trí theo 2 phương. Phôi dạng thanh được nạp tự động nhờ xylanh A,B. Xylanh C kẹp phôi và xylanh D đi xuốnglàm nhiệm vụ cắt. Mô hình cơ cấu chấp hành Trình tự cắt được thực hiện như sau: Xylanh A đi xuống kẹp phôi. Xylanh B đi ra đẩy cơ cấu mang xylanh A đã kẹp phôi, đưa phôi vào vị trí cắt. Xylanh C đi xuống kẹp phôi. Xylanh A rút về đồng thời xylanh D đi xuống để cưa cắt phôi và tự động rút về khi cắt xong. Sau khi xylanh D rút về, xylanh B đi về mang theo xy lanh A trong khi xylanh C vẫn kẹp giữ phôi. Sau cùng xylanh C đi về kết thúc việc kẹp phôi. Xylanh A đi xuống kẹp phôi và xylanh B tới nạp phôi chuẩn bị cho lần cắt kế tiếp. Chế độ làm việc: Trước khi hoạt động hệ thống tự Reset về trạng thái ban đầu, hoặc trong quá trình hoạt động có thể Reset hệ thống bằng cách nhấn nút Reset trên bảng điều khiển. Nhấn nút Start hệ thống bắt đầu hoạt động và lặp lại chu kỳ hoạt động. CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN Sau quá trình thực hiện với nhiều cố gắng và nỗ lực của bản thân cùng với sự tận tình hướng dẫn của thầy Tưởng Phước Thọ, tập đồ án này đã được hoàn thành đúng thời gian quy định theo yêu cầu đặt ra là Thiết kế mô hình cắt phôi tự động. Để thực hiện được yêu cầu trên chúng em đã nghiên cứu, tìm hiểu những vấn đề về: Thiết kế mạch điều khiển bằng điện – khí nén. Mô phỏng mạch điều khiển bằng điện – khí nén bằng phần mềm chuyên dụng Festo Fluidsim. Mô phỏng đồ họa bằng Autocad. Lập trình ứng dụng PLC. Tính toán lực, tải trọng cũng như chọn lựa thiết bị phù hợp cho cơ cấu. Và các vấn đề khác có liên quan đến đề tài. HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Do giới hạn của thời gian thực hiện đồ án cũng như điều kiện thiết bị không cho phép nên nhóm nghiên cứu chưa thể phát triển đồ án của mình lên mức cao hơn. Một số hạn chế và hướng phát triển đề tài: Hoàn thiện hệ cắt phôi tự động. Các chi tiết để cắt phôi chỉ mang tính mô phỏng do đó chưa được thực tế hóa. Mở rộng khả năng cắt có thể điều chỉnh kích thước cắt của phôi một cách linh hoạt hơn. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng với trình độ kiến thức có hạn nên chúng tôi không tránh khỏi những sai lầm thiếu xót không mong muốn. Rất mong quý thầy cô có ý kiến đóng góp bổ sung để đề tài này được hoàn thiện hơn. MỤC LỤC CHƯƠNG I: DẪN NHẬP Hiện trạng 3 Vài nét về sự phát triển của công nghệ thủy lực – khí nén 3 Yêu cầu và giới hạn đề tài 5 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NGUỒN KHÍ NÉN 6 Máy nén khí 6 Bình trích chứa khí nén 6 CÁC PHẦN TỬ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 7 Van đảo chiều 7 Van tiết lưu 9 Công tắc hành trình điện – cơ 10 Xylanh khí nén 12 PLC SIEMENS S7 – 200 CPU 214 15 Giới thiệu chung về PLC S7 – 200 (Siemens) 15 Mô tả PLC S7 – 200 CPU 214 18 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CƠ KHÍ 21 Mô hình thiết kế 21 Các cơ cấu trong mô hình 22 Tính toán cơ cấu để chọn xylanh và máy nén khí 22 PHẦN ĐIỆN – KHÍ NÉN 25 Sơ đồ hành trình bước 25 Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng Rơle 26 Sơ đồ mạch điện – khí nén dùng PLC 27 Chương trình PLC 27 QUY TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC 29 Quy trình thực hiện 39 Chế độ làm việc 30 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN 31 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG – HUỲNH NGUYỄN HOÀNG, Hệ Thống Điều Khiển Bằng Thủy Lực, NXB Giáo Dục. [2] NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG, Hệ Thống Điều Khiển Bằng Khí Nén, NXB Giáo Dục. [3] Ths. PHẠM BẠCH DƯƠNG, Ths. ĐỒNG SĨ LINH, bài giảng Lập trình ứng dụng PLC, Bộ môn Cơ Điện Tử, ĐH. SPKT TP. HCM. [4] NGUYỄN THẾ HÙNG, bài giảng Điều khiển tự động, Bộ môn Cơ Điện Tử, ĐH. SPKT TP. HCM.