(Đồ án hcmute) nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy kiểm tra pcb led tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA
PCB LED TỰ ÐỘNG

GVHD: ThS. LÊ TẤN CƯỜNG
SVTH: LÊ LONG ÐỊNH
MSSV: 11146033
LÊ ÐÌNH NAM
MSSV: 12146116

S KL 0 0 4 7 6 8

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA

PCB LED TỰ ĐỘNG

Giảng viên hƣớng dẫn:

ThS. LÊ TẤN CƢỜNG

Sinh viên thực hiện:

LÊ LONG ĐỊNH

11146033

LÊ ĐÌNH NAM

12146116

Lớp:

12146A

Khóa:

2012-2016

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 / 2016

do an


BỘ GIÁO DỤC VÀ DÀO TẠO

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: NGHIÊN CỨU,THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA

PCB LED TỰ ĐỘNG

Giảng viên hƣớng dẫn:

ThS. LÊ TẤN CƢỜNG

Sinh viên thực hiện:

LÊ LONG ĐỊNH

11146033

LÊ ĐÌNH NAM

12146116

Lớp:

12146A

Khóa:

2012-2016

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 07 / 2016

do an


PHẦN A: GIỚI THIỆU

do an


TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
------------------------------BỘ MƠN CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
---------------------------

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn:
Họ và tên sinh viên:
Lớp:

TH.S LÊ TẤN CƢỜNG
LÊ LONG ĐỊNH

MSSV: 11146033

LÊ ĐÌNH NAM

MSSV: 12146116

121461A

1. Tên đề tài:
- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy kiểm tra PCB led tự động.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu.
- Các thông số kĩ thật của đầu ra dây chuyền sản xuất.
- Các thông số kĩ thuật của các loại led mà công ty sản xuất.
3. Nội dung chính của đồ án.
- Tìm hiểu, khảo sát dây chuyền SMT led.
- Tính tốn, thiết kế cơ khí phù hợp với đầu ra dây chuyền sản xuất.
- Thiết kế mạch điện.
- Thiết kế giao diện điều khiển máy.
- Lập trình cho máy.
- Chạy thử nghiệm quá trình kiểm tra PCB led tự động và đƣa vào dây chuyền hoạt
động.
4. Các sản phẩm dự kiến.
- Máy kiểm tra PCB led tự động.
5. Ngày giao đồ án: 10/03/2016.
6. Ngày nộp đồ án: 15/07/2016.
TRƢỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

□ Đƣợc phép bảo vệ………………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ
tên)

do an


LỜI CAM KẾT
Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy kiểm tra PCB led tự động.
GVHD:

Th.S Lê Tấn Cƣờng

Họ tên sinh viên:
MSSV:
Địa chỉ sinh viên:
Số điện thoại liên lạc:

Lê Long Định
11146033
Lớp: 121461A
125 Đƣờng đình phong phú, Phƣờng TNPB, Q9, TPHCM.
01664031836

Email:
Họ tên sinh viên:
MSSV:


Lê Đình Nam
12146116

Lớp: 121461A

Địa chỉ sinh viên:
125 Đƣờng đình phong phú, Phƣờng TNPB, Q9, TPHCM.
Số điện thoại liên lạc: 0975508272
Email:

Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 15/07/2016
Lời cam kết: “Chúng tơi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình
do chính chúng tơi nghiên cứu và thực hiện. Chúng tôi không sao chép bất kỳ một bài
viết nào đã được công bố mà khơng trích rõ nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm
nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm.”

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2016
( Ký tên)

do an


LỜI CẢM ƠN
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cơ trong khoa Cơ Khí Máy cũng như
các thầy cô giảng dạy trong trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã truyền
đạt những kiến thức quý báu cho chúng tôi trong những năm học vừa qua.
Đặc biệt, chúng tôi xin chân thành cảm ơn thầy Lê Tấn Cường, khoa Cơ Khí Máy,
trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã tận tình hướng dẫn, động viên và
giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Và để có được kết quả như ngày hơm nay, chúng tơi rất biết ơn gia đình đã động
viên, khích lệ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt quá trình học tập cũng
như quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp này.
Xin chân thành cám ơn các bạn trong khoa Cơ Khí Máy – khóa 12, đặc biệt là các

bạn lớp 121461 đã ủng hộ, giúp đỡ, chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm và tài liệu có
được cho nhóm chúng tơi trong q trình nghiên cứu và thực hiện đề tài.
Một lần nữa xin chân thành cám ơn!
TPHCM, Ngày 10 tháng 07 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Lê Đình Nam
Lê Long Định

do an


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA PCB LED TỰ ĐỘNG
Đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra PCB led tự động” nhằm góp
phần tự động hóa q trình sản xuất, đặc biệt trong dây chuyền sản xuất SMT (Surface
Mount Technology). Qua việc khảo sát, nghiên cứu nhóm đề ra phƣơng pháp kiểm tra
phù hợp cho máy đồng thời thiết kế cơ khí và lập trình điều khiển máy hoạt động một
cách tự động và đáp ứng đƣợng dây chuyền sản xuất. Máy đã đƣợc lắp đặt và hoạt
động ổn định thay thế nhân công trong công việc kiểm tra chất lƣợng sản phẩm đầu ra
của dây chuyền. Tuy nhiên sản phẩm của cơng ty rất đa dạng về kích cỡ, thiết kế và có
những loại sản phẩm mới. Để kiểm tra đƣợc những loại PCB mới cần có phƣơng pháp
tối ƣu hơn.
Sinh viên thực hiện
Lê Long Định
Lê Đình Nam

ABSTRACT
RESEARCHING, DESIGN, MAKING PCB LED AUTOMATIC CHECKING
MACHINE
Purpose of this project is automate the manufacturing process, especially in

SMT production line. Through the survey and researching, our team proposed the test
method which is suitable for the machine, we also designed the mechanical of the test
part, programmed the machine to work automaticlly and be adaptable for
manufacturing line. The machine has been installed and work stably, it replaces
workers in product's quality checking. However, the company's products are diverse in
size , model and some new products. To test the new PCB type requires more optimal
methods .

do an


MỤC LỤC
PHẦN A: GIỚI THIỆU .................................................................................................... 3
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................ 4
LỜI CAM KẾT.............................................................................................................. 5
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ 6
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ........................................................................................................ 7
MỤC LỤC ...................................................................................................................... 8
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... 10
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ ................................................................................ 11
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................... 13
PHẦN B: NỘI DUNG ..................................................................................................... 14
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ........................................................................................... 15
1.1

Lý do chọn đề tài. ............................................................................................... 15

1.2

Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu. ....................................................... 15

1.3

Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc. .................................................... 16

1.4

Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài. ............................................................................. 16

1.5

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. ................................................................... 17

1.6

Giới hạn của đề tài. ............................................................................................ 17

1.7

Tính cấp thiết của đề tài. ................................................................................... 18

CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 19
2.1

Quy trình kiểm tra. ............................................................................................ 19

2.2

Thủy lực khí nén. ............................................................................................... 19

2.2.1

Vài nét về sự phát triển. .......................................................................... 19

2.2.2

Khả năng ứng dụng của khí nén. ........................................................... 20

2.2.3

Những nét đặc trƣng của khí nén. .......................................................... 20

2.2.4

Đơn vị trong hệ thống điều khiển. .......................................................... 21

2.2.5

Cơ sở tính tốn khí nén. .......................................................................... 23

2.3

Cơ sở tính tốn truyền động. ............................................................................ 24

2.3.1

Các chế độ làm việc của truyền động điện. ........................................... 24

2.3.2
độ.

Chọn công suất động cơ cho những động cơ không điều chỉnh tốc
................................................................................................................... 25

2.3.3

Chọn công suất động cơ làm việc dài hạn. ............................................ 25

do an


2.3.4

Chọn công suất động cơ làm việc ngắn hạn. ......................................... 26

2.3.5

Tính cơng suất và chọn động cơ làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. . 27

2.4

Bộ điều khiển Arduino....................................................................................... 27

2.4.1

Sơ lƣợc lịch sử phát triển . ...................................................................... 27

2.4.2

Giới thiệu về phần mềm Arduino và ngơn ngữ lập trình..................... 28

CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ CƠ KHÍ ............................................................................... 33
3.1 Khảo sát đáp ứng đầu vào phù hợp với thiết kế cơ khí. ................................... 33
3.2 Chọn phần mềm thiết kế máy. ............................................................................ 33
3.3

Tính tốn thiết kế bộ truyền băng tải. ............................................................. 34

3.3.1

Các yêu cầu của băng tải. ........................................................................ 34

3.3.2

Các phƣơng án thiết kế đã có. ................................................................ 34

3.4 Phƣơng pháp truyền động. .................................................................................. 35
3.5 Bản vẽ thiết kế 2d và 3d. ...................................................................................... 36
3.6 Chọn vật liệu và thi công. .................................................................................... 44
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ....................................................................... 51
4.1. Ý tƣởng. ................................................................................................................ 51
4.2. Thực hiện. ............................................................................................................. 53
CHƢƠNG 5 : PHẦN LẬP TRÌNH. .............................................................................. 55
5.1

Lập trình điều khiển các cơ cấu chấp hành..................................................... 55

5.1.1

Cảm biến và các cơ cấu chấp hành. ....................................................... 55

5.1.2

Sơ đồ giải thuật lập trình điều khiển máy. ............................................ 56

5.1.3 Lập trình Arduino. ...................................................................................... 57
5.1.4 Lập trình giao diện máy tính. ..................................................................... 69
CHƢƠNG 6: THỰC NGHIỆM...................................................................................... 78
CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN.............................................. 81
7.1

Kết luận ............................................................................................................... 81

7.2

Hƣớng phát triển ................................................................................................ 81

PHẦN C: TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82

do an


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1: Bảng chuyển đổi các đơn vị đo áp suất ............................................. 23
Bảng 3. 1: Chọn thông số của đai. .................................................................... 39

do an


DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Hình 1. 1: Dây chuyền SMT ............................................................................... 15
Hình 1. 2: Sản phẩm dây chuyền dán led. ......................................................... 17
Hình 1. 3: Kiểm tra thủ cơng. ............................................................................ 18
Hình 2. 1:
Hình 2. 2:
Hình 2. 3:
Hình 2. 4:
Hình 2. 5:
Hình 2. 6:

Phân loại các chế độ làm việc của truyền động điện ....................... 25
Đồ thị phụ tải . ................................................................................. 26
Đồ thị phụ tải . .................................................................................. 27
Mạch arduino Mega2560. ............................................................... 30
Board mạch arduino Mega2560. ..................................................... 31
Sơ đồ kết nối của mạch arduino Mega2560. ................................... 32

Hình 3. 1: Phương án 1. ..................................................................................... 34
Hình 3. 2: Phương án 2. ..................................................................................... 35
Hình 3. 3 Bộ truyền băng tải. ............................................................................ 37
Hình 3. 4: Sơ đồ truyền động. ............................................................................ 37
Hình 3. 5: Chọn loại đai..................................................................................... 38
Hình 3. 6: Thơng số kỹ thuật của đai. ................................................................ 39
Hình 3. 7: Hình chiếu đứng................................................................................ 41
Hình 3. 8: Hình chiếu bằng. ............................................................................... 41
Hình 3. 9: Hình chiếu cạnh. ............................................................................... 42
Hình 3. 10: Hình chiếu đứng của bộ test. .......................................................... 42
Hình 3. 11: Hình chiếu bằng của bộ test. .......................................................... 43
Hình 3. 12: Hình chiếu cạnh của bộ test............................................................ 43
Hình 3. 13. a, b: Mơ hình 3d của máy................................................................ 44

Hình 3. 14: Bộ nhơm định hình ......................................................................... 45
Hình 3. 15: Xy lanh chống xoay ........................................................................ 45
Hình 3. 16: Xy lanh chống xoay lớn ................................................................. 46
Hình 3. 17: Xy lanh 1 trục .................................................................................. 46
Hình 3. 18: Bộ van điện điều khiền xy lanh ...................................................... 47
Hình 3. 19: Bộ lọc khí ....................................................................................... 47
Hình 3. 20: Ống dẫn khí, ống nối khí................................................................. 48
Hình 3. 21: Khung cơ khi hồn thành. .............................................................. 48
Hình 3. 22.a,b: Hình ảnh băng truyền sau khi thi cơng xong. ......................... 49
Hình 3. 23: Hình ảnh bộ test sau khi thi cơng xong. ........................................ 50
Hình 4. 1: Mạch role chuyển mạch và mạch cầu phân áp. ............................... 54

do an


Hình 5. 1: Cảm biến và các cơ cấu chấp hành. ................................................ 55
Hình 5. 2: Vị trí chân trên mạch Arduino 2560 .................................................. 57
Hình 5. 3: Giao diện máy tính. ............................................................................ 69
Hình 6. 1. a, b: Hình ảnh máy lắp đặt trong cơng ty. ........................................ 78
Hình 6. 2. a, b: Hình ảnh máy hoạt động........................................................... 79
Hình 6. 3: Tự động hóa cơng đoạn kiểm tra. ...................................................... 80
Sơ đồ 4. 1:
Sơ đồ 4. 2:
Sơ đồ 4. 3:
Sơ đồ 4. 4:

Ý tưởng làm mạch kiểm tra. ............................................................. 51
Mạch cầu phân áp ........................................................................... 52
Mạch tạo điện áp tham chiếu. ........................................................ 53
Mạch cầu phân áp. ......................................................................... 54

Sơ đồ 5. 1: Sơ đồ giải thuật điều khiển máy. .................................................... 56

do an


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
SMT

Surface Mount Technology

SMD

Surface Mount Device

PCB

Printed Circuit Board

IDE

Integrated Development Environment

IBM

International Business Machines

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter

PWM

Pulse Width Modulation

USB

Universal Serial Bus

ISP

Internet Service Provider

ADC

Analog Digital Converter

do an


PHẦN B: NỘI DUNG

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Lý do chọn đề tài.
Đề tài nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy kiểm tra PCB led tự động. Đề tài bao gồm
thiết kế cơ khí, sơ đồ mạch điện và lập trình điều khiển phù hợp với đồ án của kỹ sƣ cơ

điện tử.
Đồng thời đề tài đƣợc xuất phát từ nhu cầu của phía cơng ty nên tính thực dụng sẽ
cao.
1.2 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu.
Dây chuyền SMT

Hình 1. 1: Dây chuyền SMT

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

15

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Các thành phần trong dây chuyền:

Máy cấp
PCB

Máy qt
kem chì

Máy dán
linh kiện

Lị nhiệt

Sau khi PCB ra khỏi máy gia nhiệt sẽ tới bộ phận kiểm tra sản phẩm có đạt u cầu

hay khơng. Máy kiểm tra PCB led tự động sẽ tiến hành quá trình kiểm tra này thay thế
cho q trình kiểm tra thủ cơng của cơng nhân.
1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nƣớc.
Cơng nghệ SMT đƣợc phát triển vào những năm 1960 và đƣợc áp dụng một cách
rộng rãi vào cuối những năm 1980. Tập đồn IBM của Hoa kỳ có thể đƣợc coi là
ngƣời đi tiên phong trong việc ứng dụng công nghệ này. Lúc đó linh kiện điện tử phải
đƣợc gia cơng cơ khí để đính thêm một mẩu kim loại vào hai đầu sao cho có thể hàn
trực tiếp chúng lên trên bề mặt mạch in. Kích thƣớc linh kiện đƣợc giảm xuống khá
nhiều và việc gắn linh kiện lên trên cả hai mặt của PCB làm cho công nghệ SMT trở
lên thông dụng hơn là công nghệ gắn linh kiện bằng phƣơng pháp xuyên lỗ, cho phép
làm tăng mật độ linh kiện. Thông thƣờng, mỗi linh kiện đƣợc cố định trên bề mặt
mạch in bằng một diện tích phủ chì rất nhỏ, và ở mặt kia của tấm PCB linh kiện cũng
chỉ đƣợc cố định bằng một chấm kem hàn tƣơng tự. Vì lý do này, kích thƣớc vật lý của
linh kiện ngày càng giảm. Cơng nghệ SMT có mức độ tự động hóa cao, khơng địi hỏi
nhiều nhân cơng, và đặc biệt làm tăng công suất sản xuất.
Hiện nay các sản phẩm SMT tƣơng đối đa dạng đáp ứng đủ các nhu cầu từ thủ cơng
tới tự động hóa hoàn toàn. Với sự xuất hiện của sản phẩm SMT, với xu hƣớng dịch
chuyển đầu tƣ, Việt Nam chắc chắn sẽ trở thành những quốc gia có nền cơng nghiệp
điện tử phát triển trong khu vực và trên thế giới trong tƣơng lai không xa.
1.4 Mục tiêu và nhiệm vụ đề tài.
Mục tiêu: nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy có thể kiểm tra tự động sản phẩm của
dàn máy SMT, phát hiện và báo lỗi những sản phẩm không đạt yêu cầu.
Nhiệm vụ: lên bản vẽ và lắp ráp cơ khí máy, đi dây điện và lập trình điều khiển máy
tự động.

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

16

do an

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu.
Sản phẩm chính của cơng ty là các PCB led.

Hình 1. 2: Sản phẩm dây chuyền dán led.
Trong công ty có nhiều loại sản phẩm khác nhau về kích thƣớc, số lƣợng led dán.
Nội dung cần nghiên cứu là từ các lỗi thƣờng gặp trên sản phẩm để đƣa ra đƣợc
phƣơng án kiểm tra phát hiện đƣợc những lỗi đó một cách tự động, đồng thời có các
giải pháp để tách các sản phẩm lỗi ra thành từng nhóm riêng biệt để dễ dàng sửa chữa
cũng nhƣ phân loại.
1.6 Giới hạn của đề tài.
Do cơng ty có rất nhiều loại PCB led khác nhau, mỗi loại có mơt loại thiết kế khác
nhau. Vì vậy cùng kiểm tra hết tất cả các PCB led trên cùng một máy kiểm tra này là
điều khơng thể. Nên nhóm sẽ tiến hành thiết kế máy cùng với những bộ kiểm tra riêng
cho một số loại PCB cố định.
GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

17

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Việc phân loại và tách sản phẩm lỗi cũng sẽ bỏ qua vì sẽ ln có cơng nhân vận
hành máy nên máy sẽ có tín hiệu báo lỗi để ngƣời công nhân phát hiện và xử lý những
sản phẩm lỗi.
1.7 Tính cấp thiết của đề tài.
Trong mơi trƣờng sản xuất hiện đại của công ty. Việc tự động hóa một khâu sản

xuất sẽ có rất nhiều ý nghĩa nhƣ:
- Tạo môi trƣờng làm việc hiện đại.
- Gia tăng năng suất công việc.
- Nâng cao chất lƣợng công việc.
- Giảm thiểu nhân công.
- Hạn chế ảnh hƣởng đến sức khỏe của công nhân khi kiểm tra thủ công 1 cách
trực tiếp.

Hình 1. 3: Kiểm tra thủ cơng.

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

18

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Quy trình kiểm tra.
Việc kiểm tra sản phẩm PCB sẽ cần cung cấp nguồn điện cho mạch led. Nếu tất cả
các lad trên mạch sáng bình thƣờng thì mạch đạt yêu cầu.
Các lỗi thƣờng gặp: led bị lệch, led bị cháy.
2.2 Thủy lực khí nén.
2.2.1 Vài nét về sự phát triển.
Ứng dụng khí nén đã có từ thời trƣớc cơng ngun. Ví dụ: nhà triết học ngƣời Hy
Lạp Ktesibios (năm 140, trƣớc cơng ngun) và học trị của ơng là Heron (năm 100
trƣớc công nguyên) đã chế tạo ra thiết bị bắn tên hay ném đá. Dây cung đƣợc căng
bằng đòn bẩy nối với 2 pitton của 2 xilanh.
Khi buông dây cung ra, áp suất của khơng khí nén giãn ra, tăng vận tốc bay của mũi

tên. Sau đó một số phát minh sang chế của Ktesibios và Heron , nhƣ: thiết bị đóng mở
cửa bằng khí nén; bơm; sung phun lửa đƣợc ứng dụng. Khái niệm “Pneumatica” cũng
đƣợc dung ở thập kỷ này.
Tuy nhên sự phát triển của khoa học kỹ thuật thời này không đồng bộ, nhất là kết
hợp kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu, … cịn thiếu, cho nên phạm vi ứng dụng của
khí nén còn rất hạn chế.
Mãi đến thế kỷ 17, nhà kỹ sƣ chế tạo ngƣời đức Otto von Guerike (1602-1686), nhà
toán học và triết học ngƣời Pháp Blaise Pascal (1623-1662), cũng nhƣ nhà vật lý ngƣời
Pháp Denis Papin (1647-1712) đã xây dựng nền tảng ứng dụng cơ bản ứng dụng khi
nén.
Trong thế kỷ 19, các máy móc thiết bị sử dụng năng lƣợng khí nén lần lƣợt đƣợc
phát minh, nhƣ: Thƣ vận chuyển trong ống khí vận chuyển bằng khí nén (1835) của
Josef Ritter ( Australia), phanh bằng khí nén (1880), búa tán đinh bằng khí nén (1861).
Trong lĩnh vực xây dựng đƣờng hầm xyên dãy núi Aples ở Thụy Sĩ (1857) lần đầu tiên
ngƣời ta sử dụng khí nén với công suất lớn.Vào những năm 70 của thế kỷ 19 xuất hiện
ở Pari một trung tâm sử dụng năng lƣợng khí nén lớn với cơng suất 7350 Kw. Khí nén
đƣợc vận chuyển tới nơi iêu thụ trong đƣờng ống với đƣờng kính 500mm và dài nhiều
km. Tại đó khí nén đƣợc nung nóng từ nhiệt độ 500C đến 1500C để tăng công suất
truyền động động cơ, các thiết bị búa hơi,…
Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lƣợng điện, vai trị sử dụng năng lƣợng bằng
khí nén giảm dần. Tuy nhiên việc sử dụng năng lƣợng bằng khí nén vẫn cịn đóng một
vai trị quan trọng cốt yếu trong nhiều lĩnh vực , mà khi sử dụng năng lƣợng điện sẽ
GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

19

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

gây nguy hiểm; sử dụng năng lƣợng khí nén ở nhiều dụng cụ nhỏ, nhƣng truyền động
với tốc độ cao; sự dụng năng lƣợng khí nén ở những thiết bị nhƣ búa hơi, dụng cụ
dập…. và nhiều nhất là các dụng cụ gá, kẹp chặt trong các máy.
Thời gian sau chiến tranh thế giới thứ 2, việc ứng dụng năng lƣợng bằng khí nén
trong kỹ thuật điều khiển phát triển mạnh mẽ. Với những dụng cụ, thiết bị, phân tử khí
nén với điện – điện là nhân tố quyết định cho kỹ thuật điều khiển trong tƣơng lai.
Hãng FESTO (ĐỨC) có những chƣơng trình phát triển hệ thống điều khiển bằng khí
nén rất đa dạng, khơng những phục vụ trong cơng nghiệp, mà cịn phục vụ cho sự phát
triển phƣơng tiện dạy học.
2.2.2 Khả năng ứng dụng của khí nén.
Những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 là giai đoạn kỹ thuật tự động hóa phát triển
mạnh mẽ. Kỹ thuật điều khiển bằng khí nén đƣợc phát triển rộng rãi và đa dạng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau. Chỉ riêng ở Cộng Hòa Liên bang Đức đã có 60 hãng chuyên
sản xuất các cơ cấu máy móc kỹ thuật đƣợc thiết kế điều khiển hoạt động bằng khí
nén.
Hệ thống điều khiển bằng khí nén đƣợc sử dụng ở những lĩnh vực mà ở đó hay xảy
ra những vụ nổ nguy hiểm nhƣ các thiết bị phun sơn, các loại đồ gá kẹp, các chi tiết
nhựa, chất dẻo hoặc các lĩnh vực sản xuất thiết bị điện tử, vì điều kiện vệ sinh mơi
trƣờng rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra, hệ thống điều khiển bằng khí nén cịn đƣợc sử
dụng trong các dây truyền tự động, trong các thiết bị vận chuyển và kiểm tra của các
thiết bị lị hơi, thiết bị mạ điện, đóng gói, bao bì và trong cơng nghiệp hóa chất.
2.2.3 Những nét đặc trƣng của khí nén.
- Các dụng cụ, thiết bị máy va đập: Các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực nhƣ khai
thác nhƣ: khai thác đá, khai thác than, trong các cơng trình xây dựng nhƣ: xây dựng
hầm mỏ, đƣờng hầm.
- Truyền động quay: Truyền động động cơ quay với cơng suất lớn bằng khí nén giá
thành rất cao. Nếu so sánh giá thành tiêu thụ điện của một động cơ quay bằng năng
lƣợng khí nén và một động cơ điện có cùng cơng suất, thì giá thành tiêu thụ điện của
một động cơ quay bằng năng lƣợng khí nén cao hơn 10 đến 15 lần so với động cơ
điện. Nhƣng ngƣợc lại thể tích và trọng lƣợng nhở hơn 30% so với động cơ điện có

cùng cơng suất.
Những dụng cụ vặn vít, máy khoan, cơng suất khoảng 3,5 Kw, máy mài, công suất
khoảng 2,5 Kw cũng nhƣ máy mài với cơng suất nhỏ, nhƣng số vịng quay khoảng
100.000 vịng/phút thì khả năng sử dụng truyền động bằng khí nén là phù hợp.

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

20

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-Truyền động thẳng: Vận dụng truyền động thẳng bằng áp suất khí nén cho truyền
động thẳng trong các dụng cụ, đồ gá kẹp chi tiết, trong các thiết bị đóng gói, trong các
loại máy gia cơng gỗ, thiết bị làm lạnh cũng nhƣ trong hệ thống phanh hãm của ơ tơ.
- Về số lƣợng: có sẵn ở khắp nơi nên có thể sử dụng với số lƣợng vơ hạn.
- Về vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng trong các đƣờng ống, với một
khoảng cách nhất định. Các đƣờng ống dẫn về không cần thiết vì khí nén sau khi sử
dụng sẽ đƣợc thốt ra ngồi mơi trƣờng sau khi thực hiện xong cơng tác.
- Về lƣu trữ: máy nén khí khơng nhất thiết phải hoạt động liên tục. Khí nén có thể
đƣợc lƣu trữ trong các bình chứa để cung cấp khi cần thiết.
- Về nhiệt độ: khí nén ít thay đổi theo nhiệt độ.
- Về phịng chống cháy nổ: khơng một nguy cơ nào gây cháy bởi khí nén, nên
khơng mất chi phí cho việc phịng cháy. Khơng khí nén thƣờng hoạt động với áp suất
khoảng 6 Bar nên việc phịng nổ khơng quá phức tạp.
- Về tính vệ sinh: khí nén đƣợc sử dụng trong các thiết bị đều đƣợc lọc các bụi bẩn,
tạp chất hay nƣớc nên thƣờng sạch, không một nguy cơ nào về mặt vệ sinh. Tính chất
này rất quang trọng trong các ngành công nghiệp đặc biệt nhƣ: thực phẩm, vải sợi, lâm
sản và thuộc da.

- Về cấu tạo thiết bị: đơn giản nên rẻ hơn các thiết bị khác.
- Về vận tốc: khí nén là một dịng chảy có lƣu tốc lớn cho phép đạt đƣợc tốc độ cao
(vận tốc làm việc trong các xy lanh thƣờng từ 1-2m/s).
- Về tính điều chỉnh: vận tốc và áp lực của những thiết bị cơng tác bằng khí nén
đƣợc điều chỉnh một cách vô cấp.
- Về sự quá tải: các cơng cụ và các thiết bị khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi
chúng dừng hoàn toàn cho nên sẽ không xẩy ra quá tải.
2.2.4 Đơn vị trong hệ thống điều khiển.
a) Áp suất (P).
Áp suất khí quyển là áp suất khơng khí tại mực nƣớc biển.
Đơn vị đo áp suất khơng khí tại mực nƣớc biển là 760mmHg = 1.013bar.
Áp suất tƣơng đối là áp suất chất khí so với áp suất khí quyển (p = 0).
Ví dụ: Áp kế chỉ giá trị 150psi và áp suất khí quyển p = 0psi, ta nói áp suất tƣơng
đối là p = 150psi.
Áp suất tuyệt đối là áp suất chất khí có kể đến áp suất khí quyển (p = 14.5psi).
Áp suất tuyệt đối = áp suất tƣơng đối + áp suất khí quyển.

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

21

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Ví dụ:
Áp kế chỉ giá trị 150psi và áp suất khí quyển là 14.5psi, ta nói áp suất tuyệt đối
là:
p = 150 + 14.5 = 164.5psi
b) Lực (N).

Là lực tác động lên đối trọng có khối lƣợng 1kg với gia tốc 1m/s2.
1N = 1kg. m/s2
c) Công suất (w).
Trong thời gian 1s sinh ra năng lƣợng 1J
1 mã lực HP = 745,7
Đại lƣợng
Ký
hiệu

Đơn vị

Tên gọi
Tiếng Anh

Tiếng Việt

l

Length

Chiều dài

m

m

Mass

Khối lƣợng

Kg

t

Time

Thời gian

S

T

Temperature

Nhiệt độ

K

F

Force

Lực

N

A

Area

Diện tích

m2

V

Volume

Thể tích

m3

qV

Volumetric flow rate

Lƣu lƣợng

m3/s

qB

Air consumption

Khí tiêu thụ

l/min

qn

Nominal flow rate

Lƣu lƣợng danh định

l/min

p

Pressure

Áp suất

bar(Pa)

Pabs

Absolute pressure

Áp suất tuyệt đối

bar(Pa)

Pamb

Ambient pressure

Áp suất môi trƣờng

bar(Pa)

Pe

Excess or vacuum pressure

Áp suất dƣ hoặc chân không

bar(Pa)

∆p

Differential pressure

Chênh lệch áp suất

bar(Pa)

Pn

Standard pressure

Áp suất tiêu chuẩn

Pn= 101325 Pa

A

Piston surface

Diện tích mặt Pittong

m2

A

Annular surface ( ring area)

Diện tích vành khan

m2

d

Piston rod diameter

Đƣờng kính cần Pittong

m

D

Cylinder diameter

Đƣờng kính trong xilanh

m

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

22

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Feff

Effective piston force

Lực tác dụng bởi pittong

N

Ff

Force of retract spring

Lực phản hồi bởi lò xo

N

Fr

Friction force

Lực ma sát

N

s

Stroke length

Khoảng tác dụng của pittong

Cm

n

Revolutions per minute

Tốc độ quay( cho động cơ)

1/min(rpm)

v

Velocity of piston

Vận tốc của pittong

m/s

Bảng 2. 1: Bảng chuyển đổi các đơn vị đo áp suất
2.2.5 Cơ sở tính tốn khí nén.
a) Thành phần hóa học của khí nén.
Nguyên tắc hoạt động của các thiết bị khí nén là khơng khí trong khí quyển, đƣợc
hút vào và nén trong máy khí nén. Sau đó khí nén từ máy nén khí đƣợc đƣa vào hệ
thống khí nén. Khơng khí là loại hỗn hợp.
b) Phƣơng trình trạng thái nhiệt động học.
 Định luật Boyle-Mariotle:

Nhiệt độ khí nén khơng thay đổi (T hắng số), Áp suất tuyệt đối của khí nén tỷ lệ
nghịch với thể tích khí nén.
PxV=C
(2.1)
P1 x V1 = P2 x V2
(2.2)
P: Áp suất tuyệt đối(Bar, Kpa)
V: Thể tích khí nén(m3)
C: Hằng số
Nhiệt độ khí nén khơng thay đổi (T hắng số), Áp suất tuyệt đối của khí nén tỷ lệ
nghịch với thể tích khí nén.
V1: (m3) Thể tích khí nén tại điểm P1
V2: (m3) Thể tích khí nén tại điểm P2
P1: Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V1
P2: Áp suất tuyệt đối khí nén có thể tích V2
 Định luật Gay-Lussac:
Thể tích khí nén không thay đổi (V hắng số),nhiệt độ tuyệt đối của khối khí nén
thay đổi tỷ lệ thuận với áp suất khí nén.

GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

23

do an


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Công thức 2.3:

 Định luật Charles:

Áp suất khí nén khơng thay đổi (P=hắng số),nhiệt độ tuyệt đối của khối khí nén
thay đổi tỷ lệ thuận với thể tích khí nén.
Cơng thức 2.4:

V:

Thể tích khí nén

T:

Nhiệt độ tuyệt đối 0K (T = t0c + 273)

T1:

Nhiệt độ tại điểm V1

T2:

Nhiệt độ tại điểm V2

 Định luật tổng quát.
Đối với khối lƣợng của khí nén đã cho khi cả 3 đại lƣợng nhiệt độ, áp suất và thể
tích thay đổi.
Cơng thức 2.5:

2.3 Cơ sở tính tốn truyền động.
2.3.1 Các chế độ làm việc của truyền động điện.
Căn cứ vào đặc tính phát nóng và nguội lạnh của máy điện, ngƣời ta chia chế độ
làm việc của truyền đọng thành 3 loại: Dài hạn, ngắn hạn và ngắn hạn lặp lại.
a) Chế độ dài hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian dài, cho nên nhiệt độ của

động cơ đủ thời gian đạt tới trị số ổn định.
b) Chế độ ngắn hạn: Do phụ tải duy trì trong thời gian ngắn, thời gian nghỉ dài,
cho nên nhiệt độ của động cơ chƣa kịp đạt tới giá trị ổn định và nhiệt độ động cơ sẽ
giảm về nhiệt độ ban đầu.
c) Chế độ ngắn hạn lặp lai:
Phụ tải cos tính chất chu kì, thời gian làm việc và nghỉ xen kẽ nhau. Nhiệt độ động
cơ suy giảm chƣa về giá trị ban đầu thì lại tăng lên do có tải. Do vậy ngƣời ta đƣa ra
khái niệm thời gian đóng điện tƣơng đối:
Công thức 2.6:
=
GVHD: TH.S LÊ TẤN CƢỜNG

100%
24

do an