Báo cáo nghiên cứu khoa học THIẾT kế, lắp ráp hệ THỐNG cấp PHÔI tự ĐỘNG điều KHIỂN BẰNG điện KHÍ nén và mô HÌNH NGHIÊN cứu ĐỘNG lực học của PISTON XILANH KHÍ nén

THIT K, LP RP H THNG CP PHễI T NG
IU KHIN BNG IN KH NẫN V Mễ HèNH
NGHIấN CU NG LC HC CA PISTON-XILANH
KH NẫN
THE DESIGN AND INSTALLATION OF AUTOMATIC RAW MATERIAL
FEEDING SYSTEM CONTROLLED BY ELECTROPNEUMATIC
TECHNOLOGY AND THE RESEARCH MODEL OF THE DYNAMICS OF
PISTON-XYLANDER PNEUMATIC SYSTEMS

TRN XUN TU PHAN VN LC HONG TIN PHNG
Trng i hc Bỏch khoa, i hc Nng

TểM TT
Bi bỏo ny gii thiu kt qu nghiờn cu v thit k, ch to v lp rỏp mt mụ hỡnh h thng cp phụi
t ng ng dng k thut in khớ nộn, iu khin bng lp trỡnh PLC v xõy dng mụ hỡnh nghiờn
cu ng lc hc ca cm piston xylanh khớ nộn.
ABSTRACT
The article presents the study on designing, manufacturing and installing an automatic raw-material
feeding sysem applying the electropneumatic technology generated by the programed PLC. The paper
focuses on planning a research model on the dynamics of piston-xylander pneumatic systems.

1. Đặt vấn đề
Hiện nay ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển điện khí nén được ứng dụng chiếm tỷ
lệ cao trong các dây chuyền sản xuất tự động, ví dụ như dây chuyền sản xuất xi măng,
dây chuyền sản xuất gạch men, dây chuyền lắp ráp ôtô, dây chuyền lắp ráp các thiết bị
điện tử, dây chuyền sản xuất dược phẩm... nên việc nghiên cứu lắp ráp thiết bị điều
khiển điện khí nén có chất lượng động lực học cao là rất cần thiết cho thực tiễn sản
xuất.
Đề tài nghiên cứu về thiết kế, chế tạo và lắp ráp một mô hình hệ thống cấp phôi tự
động ứng dụng kỹ thuật điện khí nén, điều khiển bằng lập trình PLC và xây dựng mô
hình nghiên cứu động lực học của cụm piston xylanh khí nén phục vụ cho đào tạo và

nghiên cứu là cơ sở để thiết kế, lắp ráp các dây chuyền tự động có độ phức tạp cao hơn
phục vụ cho thực tế sản xuất.
2. Nội dung nghiên cứu
Mô hình nghiên cứu của thiết bị được lắp ráp:


æ chøa ph«i
M©m quay

Tay m¸y

B¨ng chuyÒn

H×nh 1. M« h×nh ph­¬ng ¸n hÖ thèng cÊp ph«i


Hình 2. Bản vẽ chung của hệ thống

Hình 3. Sơ đồ hệ điều khiển

Các thiết bị chấp hành:
- ổ cấp phôi: ổ chứa phôi (1) D=220mm, H=135mm; Đĩa mang phôi (2) D=210mm
với 6 lỗ D=18mm n= 7vg/p; Động cơ một chiều (5) có U =12vôn; Hộp giảm tốc (3) i=1/50;
Xylanh đẩy phôi (7) hành trình L=75mm.
- Mâm quay: Mâm phân độ (8) D=250mm; Xylanh quay (9).
- Tay máy chuyển phôi: Xylanh nâng hạ (10) H=120mm; Xylanh quay góc (11)
D=16mm; Xylanh kẹp phôi (13) D =10mm; Cơ cấu kẹp phôi (14) chuyển động tịnh tiến
khứ hồi; Cánh tay (12) quay góc.
- Băng chuyển phôi: Băng tải (16) B=120mm, L=600mm, điều chỉnh vô cấp tốc
độ; Đông cơ (20); Bộ truyền đai (17) i=1/4; Hộp giảm tốc (18) i=1/20.

Thiết bị điều khiển:
Bộ PLC Simatic S7-200, phần mềm sử dụng là Step 7 -Mic ro/Win32.
Chuơng trình điều khiển gồm khai báo các biến, chương trình chính, các chương
trình con, chương trình cho phép Reset hệ thống và điều khiển cho hệ thống hoạt động.
Chương trình được nạp trong bộ PLC để có thể điều khiển trực tiếp trên máy theo
một chu trình nhất định hoặc điều khiển qua máy tính.
Mô hình nghiên cứu động lực học của piston xylanh khí nén có kết cấu không đối
xứng:
S1

S2
PP
V1
T1

M
Pn, V2, T2

q1

q2
x

FL


Hình 4. Mô hình tính toán động lực học của xilanh khí nén
Hệ phương trình mô tả quá trình làm việc của piston xylanh khí nén khi pP và pn
không
đổi, S1 = S2, TS = T và gia tốc không đổi là:

dp p k .r.T
p .S

[m1 1 .v ] 0

V1
r .T
dt
dp
k .r.T
p 2 .S
n
[ m2
.v ] 0
dt
V2
p.T
(1)

dv S
FL
const
[( p1 p 2 )
M
dt M
dy
dt v

và m1

p p .S
r.T

.v ; m2

p n .S
F
dv S
.v ;

( p p p n ) L const
r .T
dt M
M

Mô hình quá trình động lực học của pittông xilanh khí nén có kết cấu đối xứng:

0

-l/2

y

l/2
V

S

Vmp

mn

v
FL

Pp
Qp

Pn

f

ms1

Qn

f

ms2

u

Hình 5. Mô hình điều khiển piston xylanh khí nén có kết cấu đối xứng
Các phương trình mô tả hệ sẽ là:
dp p
pp
k .r .TS

.[Q p
.S .v]

dt
V p ( 0) S . y
r .TS

dpn
k .r.TS
p

[Qn n .S .v]
dt
Vn (0) S . y
r .TS
dv
1
[ S . p p Spn Fms1 Fms 2 FL ]
dt M

(2)


dy
l
v ; Fms1 f1.v ; Fms 2 f 2 .v ; FL - tải trọng ngoài; Vp(0) = Vmp + S. ;
dt
2
l
Vn(0) = Vmn =+ S . ; Vp(0) = S.y = Vp(y) ; Vn(0) - S.y = Vn(y)
2
Phương trình trạng thái cho hệ tuyến tính là:
k .r.TS .C e p p

k .r.TS .G e up
k . p e p .S

0

0

*


e
p * p V p ( 0) S . y e
V p ( 0) S . y e
p p V p ( 0) S . y
*
p* n
k .r.TS .C e pn
k . p e n .S
d p n
k .r.TS .G e un .u *
0

0.


e
e

V n ( 0) S . y

V n ( 0) S . y
dt v *
v * V n ( 0) S . y e



S
S
f




0 y * 0
y *


M
M
M




0
0
0
1
0

0
0


1 .F *L
(3)

M
0

Trong đó:

Trong đó:

Ce pp

qm (u , p p ) p p p e p
p p

u ue

;

C e pn

e
qm (u , pn ) pn p n
(4)

pn
u u e

là các hệ số khuếch đại lưu lượng/áp suất
e
qm (u , p p ) p p p e p
qm (u , pn ) pn p n
e
e
G up
; G un
u
u
u u e
u ue
là các hệ số khuếch đại lưu lượng/ điện áp điều khiển
Hình 6. Sơ đồ khối mô tả mô hình động lực học của hệ
Ppe
r.Ts
u*
p

-

e
up

G

+

+


-

v*

S

P*
p

k.r.Ts
Vp (ye)

S
e
Pp

C

F*
L
-

+

u*


-

+



1 a*
M

-

-1
e
Pn

f

C
u*
n

-

e
un

G

+


+

+



(5)

k.r.Ts
Vn (ye)

P*
n

P*
n
r.Ts

S

S

v*

v*

y*


Với hệ tuyến tính và tín hiệu vào không đổi thì sơ đồ khối mô tả quá trình
động lực học của cụm piston xylanh khí nén hệ thể hiện ở hình 6.
3. Kết luận
Phôi hình trụ với kích thước chiều cao bằng đường kính là một trong những loại thực
hiện cấp phôi tự động khó nhất hiện nay. Đề tài này đã thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn
chỉnh một hệ thống cấp phôi tự động điện khí nén, điều khiển bằng PLC phục vụ cho
đào tạo và nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện, lựa chọn được các thông số kỹ thuật của cơ
cấu công tác tương thích với thiết bị điều khiển nhằm đảm bảo cho hệ thống làm việc
êm và tin cậy.
Vận dụng lý thuyết truyền động và điều khiển khí nén, điện khí nén và lý
thuyết điều khiển tự động hệ tuyến tính để xây dựng mô hình toán mô tả quá trình
động lực học của cụm piston xylanh khí nén. Trên cơ sở của mô hình này ta có thể khảo sát
quá trình động lực học của hệ bằng chương trình tính toán trên máy tính.
Từ những kết quả này nhóm nghiên cứu có thể thiết kế, lắp ráp các dây chuyền tự
động điều khiển điện khí nén có độ phức tạp cao hơn.

TI LIU THAM KHO
[1]

Jacques Faisandier, Mộcanismes hydrauliques et pneumatiques, unod, Paris, 1999.

[2]

Jean-Yves Fabert, Automatismes et automatique, Ellipses, Paris, 2003.

[3]

Robert B., Goodman PE., A primer on pneumatic valve and cotrols kriger publishing

[4]

company, Malabar, Florida, 1997.

[5]

Ti liu hng dn Step 7 - Win32, PLC Simatic S7-200.